Grafen: cudowny materiał bez tajemnic

Płaska, przypominająca plaster miodu struktura złożona z atomów węgla ma zrewolucjonizować świat. Dzięki niej komputery będą pracować jeszcze szybciej.

Nic nie jest równie lekkie, twarde, równie przepuszczalne i elastyczne jak warstwa materiału z powierzchni czubka ołówka. Rysik ołówka składa się bowiem z grafitu, czyli węgla w formie krystalicznej. Kiedy pisze się nim po kartce papieru, warstwy grafitu odklejają się. Jeśli na papier przeniesiona zostanie tylko jedna warstwa, otrzymuje się strukturę węglową o szczególnym usytuowaniu atomów, czyli grafen. Grafen jest niezwykle wytrzymały, a przy tym bardzo elastyczny. Przewodzi prąd i ciepło równie dobrze, jeśli nie lepiej, niż metale, i jest przy tym przezroczysty jak szkło. Elektrony płyną przez niego niemal sto razy szybciej niż ma to miejsce w przypadku krzemu. Grafen wpłynie więc na niesamowite przyspieszenie pracy komputerów.

Grafen został odkryty dopiero dziewięć lat temu. Dwaj fizycy, Andre Geim i Konstantin Novoselov, za pomocą taśmy klejącej odklejali kolejne warstwy grafitu, aż pozostała tylko jedna. Metoda może nie wydaje się imponująca, ale przyniosła im w roku 2010 nagrodę Nobla. Sam fakt, że można wytworzyć grafen z pewnością jest istotny, ale znaczenie tego wynalazku bierze się głównie z tego, co z grafenu można zrobić. A że można wiele, dowodzi fakt, że UE chce wydać miliard euro przez najbliższe dziesięć lat by wspierać projekty badawcze związane z grafenem. W badania nad grafenem angażują się także firmy takie jak Nokia czy Samsung.

Właściwości Grafenu

Wysokość: 0,34 nanometra – milion razy cieńszy niż kartka papieru
Waga: jeden kilometr kwadratowy grafenu waży 757 gramów – lekki jak piórko
Twardość: porównywalna z twardością diamentu
Transparentność: absorbuje 2,3 procenta padającego światła – przezroczysty
Przewodność elektryczna: miliard razy wyższa niż przewodność domieszkowanego krzemu w chipach komputerowych

Skok technologiczny dla komputerów

Myśl o 100 GHz procesorze albo baterii, która ładują się z prędkością jednej sekundy, dosłownie zelektryzowała zarówno przemysł jak i instytucje naukowe. Wykorzystanie wszystkich możliwości grafenu nie jest jednak proste. Przewodzi on prąd zbyt dobrze, by można było bezproblemowo używać go do tranzystorów – trzeba dopasować do tego materiału ich architekturę. Inne zastosowania, np. w monitorach, bateriach czy nawet słuchawkach są łatwiejsze do realizacji.

WŁAŚCIWOŚCI: Po prostu znakomite

Przez grafen elektrony płyną z dużą prędkością. Jednocześnie jest to materiał bardzo wytrzymały, giętki i transparentny.

Rzut oka na strukturę atomową zdradza tajemnicę grafenu. Siatka z atomów węgla połączonych w sześciokąty (heksagonalna) powstaje, ponieważ trzy z czterech elektronów walencyjnych wiążą się z elektronami sąsiednimi. Czwarty znajduje się w orbitalu, pionowo do sześciokątów tworzących „plaster miodu”. Elektrony związane umacniają siatkę, podczas gdy elektron niezwiązany, jako nośnik, optymalnie przewodzi prąd i ciepło. Dzięki wiązaniom między atomami grafen ustępuje w płaszczyźnie warstwy w stopniu równie niewielkim jak diament i pęka tylko pod naporem ogromnej siły. Jednocześnie jego struktura – jako siatka – rozciąga się aż do 20 procent. Jeden z laureatów nagrody Nobla za badania nad grafenem, Konstantin Novoselov, ustalił nawet, że jeśli siatka grafenu zostanie uszkodzona, zrekonstruuje się ona sama przy pomocy katalizatora (pallad, nikiel) – trzeba tylko przygotować atomy węgla jako materiał na łaty.

Pod kątem wykorzystania w komputerach niezwiązany elektron walencyjny jest bardziej interesujący, ponieważ grafen wykazuje pewną osobliwą cechę. Poziomy energii elektronów, które swobodnie przemieszczają się przez grafen, i czwartego elektronu walencyjnego przechodzą w siebie nawzajem (więcej na temat braku pasma wzbronionego – na następnej stronie). W związku z tym elektrony płyną przez strukturę grafenu z większą prędkością i prawie bez oporu. Tranzystory grafenowe jako podstawowy komponent chipów komputerowych umożliwiają też pracę na wyższych częstotliwościach bez nagrzewania się. Już w 2010 IBM skonstruował tranzystor, który pracuje z częstotliwością taktowania 100 GHz.

Postępy w produkcji masowej

Wszystkie marzenia o grafenie mogą runąć, jeśli nie będzie go można tanio i w dużych ilościach wyprodukować. Obiecujące wydają się trzy metody. Przy eksfoliacji grafit jest rozszczepiany na płatki grafenu o długości jednego milimetra, co wystarcza do celów badawczych, nie do produkcji masowej. Przy uzyskiwaniu z węglika krzemu krzem jest wyparowywany przy ponad 1 000 stopniach, a na powierzchni pozostaje węgiel. Kiedy doprowadza się gaz węglisty, odkłada się on w wolnych miejscach krzemu. W ten sposób produkowane są wafle składające się z warstwy grafenu i z węglika krzemu jako substratu. Mają one średnicę 50 milimetrów.

Jak ustalił zespół naukowców z Uniwersytetu Erlandzko-Norymberskiego, takie wafle nadają się także do tranzystorów. Jednak substrat wyhamowuje elektrony. Przy 2000 cm2/Vs ich ruchliwość przewyższa ruchliwość elektronów krzemu domieszkowanego (1 400), ale nie osiąga limitu teoretycznego (200 000). Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (Chemical Vapour Deposition, CVD) pozwala osiągnąć wyższą ruchliwość elektronów (16 000 cm2/Vs). W CVD gaz węglisty jest przy 900 stopniach poddany procesowi degradacji na powierzchni miedzianej – i powstaje grafen. Ponieważ miedź jest nieodpowiednia jako substrat, jest ona wytrawiana, a grafen nanoszony jest na podłoże krzemowe.

Zdjęcie tabliczki z grafenu pochodzi z serwisu Shutterstock

TRANZYSTORY: Grafen zamiast krzemu

By zastąpić grafenem krzem najpierw trzeba dostosować budowę tranzystora do właściwości nowego materiału.

Tranzystory tworzą podstawowe komponenty chipów komputerowych, ponieważ każdy z tych małych elektrycznych układów scalonych przedstawia jeden bit. Wytwarzane są one z krzemu: półprzewodnika, którego cztery elektrony walencyjne wiążą się z elektronami swoich atomów sąsiednich. W przeciwieństwie do grafenu nie pozostaje tu żaden swobodny elektron. Aby w tranzystorze krzemowym przy występującym napięciu otworzył się kanał i elektrony mogły przemieszczać się ze źródła do drenu (patrz: po prawej), materiał jest domieszkowany, tzn. wprowadzane są do niego obce atomy. Źródło i dren są np. domieszkowane donatorowo, ponieważ zawierają one obce atomy z pięcioma elektronami walencyjnymi, np. arsenu. Kiedy arsen wbudowuje się w krzem, pozostaje jeden swobodny elektron walencyjny. Kanał jest domieszkowany akceptorowo, np. borem, który ma tylko trzy elektrony walencyjne, wiec zawiera tez „wolne miejsce” na jeden elektron.

Aby wprawić elektrony w ruch, tworzy się napięcie, którego wysokość zależy od wielkości domieszki. Krzem sam w sobie ma pasmo wzbronione w zakresie 1,1 elektronovolta (eV): tyle energii trzeba doprowadzić, aby podnieść elektron walencyjny z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia (patrz: po prawej). Dopiero kiedy znajduje się on w pasmie przewodzenia, tranzystor zostaje włączony i elektrony mogą płynąć od źródła do drenu. Grafen – przeciwnie – nie ma żadnego pasma wzbronionego, elektrony zawsze są w pasmie przewodzenia. Tranzystor grafenowy jest od razu włączony, także kiedy nie występuje napięcie.

Przekształcony grafen zmienia się w półprzewodnik

Aby grafen nadawał się do tranzystorów, musi mieć on pasmo wzbronione. Na instytucie Georgia Tech zespół naukowców przy ożyciu metody z węglikiem krzemu nadał grafenowi postać nanotaśm. Falista forma grafenu umożliwia stworzenie pasma wzbronionego w zakresie 0,5 eV. Jeszcze dalej poszli badacze japońscy. Skonstruowali oni tranzystor grafenowy o wielkości 30 nanometrów, która odpowiada stanowi techniki tranzystorów krzemowych – Tri-Gate’y Intela maja wielkość 22 nanometrów. Japońscy badacze używają dwóch bramek, aby móc sterować przepływem elektronów, także przy bardzo niewielkim pasmie wzbronionym. Pasmo to utworzyli, bombardując grafen jonami helu i wywołując w ten sposób zakłócenia w strukturze plastra. Japończycy zamierzają wyprodukować wkrótce wafel z takimi tranzystorami, aby ustalić, czy metoda ta nadaje się do produkcji masowej. Ale być może w poszukiwaniu lepszego tranzystora grafenowego trzeba będzie bardziej radykalnie odejść od tradycyjnego modelu tranzystorów. W projekcie Uniwersytetu w Manchester dwie warstwy grafenu, które również wyprodukowano przez CVD, rozdzielane będą przez warstwę z siarczku wolframu (WS2). W ten sposób powstaje pasmo wzbronione w zakresie 2,1 eV, tak ze elektrony jednej warstwy grafenu maja docierać poprzez WS2 do warstwy drugiej.

ZASTOSOWANIE: Pamięć, monitor itd.

Dzięki grafenowi będą tez mogły powstawać zarówno lepsze części do komputerów, jak i akcesoria komputerowe.

Kiedy ma się już sposoby na wykorzystanie grafenu w tranzystorach, droga do grafenowej komórki pamięci flash, a tym samym do pamięci trwałej, jest już niedaleka. Komórka flash działa jak tranzystor (patrz: po prawej). Kiedy tylko wystąpi napięcie, od źródła do drenu przepływają elektrony. Tyle ze miedzy bramka sterująca (Control Gate) a kanałem leży bramka pływająca (Floating Gate). Bramka pływająca to istotny element pamięci, ponieważ liczba elektronów w bramce pływającej określa wartości bitowe, które komórka ta melduje przy odczytywaniu. Przez wystąpienie wysokiego napięcia powyżej dziesięciu wolt powstaje ładunek dodatni i bramka pływająca jest napełniana, a przy pomocy analogicznego ujemnego ładunku znów się opróżnia.

Szwajcarscy naukowcy z Politechniki Federalnej w Lozannie zbudowali komórki pamięci flash z grafenem jako materiałem dla bramki pływającej. Kanał komórki grafenowej składa się z molibdenitu (MoS2). W MoS2 elektrony poruszają się podobnie wydajnie jak w grafenie przy pasmie wzbronionym 1,8 eV. Poza tym komórka grafenowa wytrzymuje więcej cykli kasowania niż krzemowa pamięć flash w pamięciach SSD lub pendrive’ach, ponieważ podczas kasowania działa ona przy niższym napięciu – i to przy wyższej prędkości zapisu i odczytu.

Grafen zastępuje drogie materiały

Niewielka masa i duża elastyczność przy jednoczesnej wytrzymałości czynią z grafenu idealna membranę do słuchawek. Taka membranę przedstawił niedawno zespół naukowców z Uniwersytetu Berkeley. Ma ona średnicę tylko siedmiu milimetrów i sprawdza się tak doskonale, ze jej jakość dźwięku odpowiada słuchawkom z najwyższej półki.

Czy grafen spełni ogromne nadzieje, jakie pokładają w nim naukowcy i firmy, jest na razie kwestia otwarta. Ani na pytanie o produkcje przemysłowa, ani o grafenowy tranzystor nie ma jeszcze odpowiedzi. Zespół fizyków skupiony wokół laureata nagrody Nobla Konstantina Novoselova opublikował harmonogram pojawiania się urządzeń z grafenem (patrz: po prawej). Niektóre produkty, takie jak grafenowy OLED, pojawić się maja relatywnie szybko, jednak na grafenowy procesor z częstotliwością taktowania 100 GHz musimy poczekać jeszcze co najmniej dziesięć lat. W każdym razie przynajmniej ma szanse działać: krzemowy procesor z zegarem 100 GHz po prostu by się stopił.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.