Графен стал ближе к электронике – новые прорывы в получении материала

Международная группа исследователей совершила ряд прорывов в области технологии получения графена. Благодаря новым шагам в этой достаточно молодой сфере знаний времена, когда быстродействующая электроника, включая чипы и сенсорные экраны, будет базироваться на графеновых нанотехнологиях, значительно приблизились. Несмотря на то, что изучением графена занимаются многие коллективы учёных по всему миру, до сих пор удавалось изготовить лишь небольшие образцы, сильно ограничивавшие понимание, измерение свойств и наблюдение за графеном. Но время не стоит на месте, и впервые "на руках" у исследователей есть структура достаточного размера, чтобы можно было проводить практическое изучение – например, электрических характеристик. По сути, преодолены два препятствия, являвшиеся помехой для масштабирования технологии.

В наших материалах мы неоднократно упоминали о графене, представляющем собой одноатомный углеродный слой из двумерных шестиугольных "сот". Несмотря на химическую простоту и минимально возможную толщину, материал исключительно прочен и обладает высокой проводимостью, поэтому идеально подходит для высокопроизводительной электроники, фотоники и многих других областей. В частности, графен рассматривается как кандидат на замену нынешних технологий полупроводниковых чипов. Согласно Закону Мура, плотность размещения транзисторов в интегральных схемах удваивается приблизительно каждые два года, однако возможности кремния и других применяемых при изготовлении чипов материалов не бесконечны – постоянная миниатюризация подводит индустрию к пределам их эффективности. Графеновые же транзисторы потенциально способны работать на более высокой скорости и выдерживать большую температуру. Такие гиганты, как IBM и Intel проявляют открытый интерес к этой углеродной структуре как вероятному будущему вычислений. Кроме процессоров, графен должен усовершенствовать и сенсорные экраны, ЖК-дисплеи и солнечные ячейки. Его прочность, проводимость и прозрачность – это более чем выигрышная комбинация.

До настоящего времени размер получаемого в лабораториях графена достаточного качества в форме "хлопьев" составлял доли миллиметра, а методы не отличались удобством и подразумевали снятие слоёв с кристаллов графита с помощью клейкой плёнки. Понятно, что для практического применения и особенно изучения площадь материала должна быть несколько большей. Группе учёных, в том числе из британской Национальной лаборатории физики (National Physical Laboratory, NPL), удалось впервые "вырастить" слои графена площадью около 50 мм² и использовать их в электронных устройствах. Образцы изготовлены эпитаксиальным способом, когда один слой кристаллов формируется на другом. Основой выступил карбид кремния. Достижение доказывает, что масштабирование графена реализуемо на практике.

Второй прорыв заключается в измерении электрических свойств графена с беспрецедентной точностью, что прокладывает путь к установлению стандартов. Для эффективности и коммерческой привлекательности таких устройств, как полупроводниковые элементы в компьютерах, производители должны иметь возможность осуществлять измерения их характеристик в соответствии с международными стандартами. Применительно к сопротивлению одним из них является квантовый эффект Холла – явление, при котором электрические свойства двумерного материала могут быть установлены только на основании фундаментальных постоянных. До сих пор эффект наблюдался лишь в небольшом количестве обычных полупроводников. Более того, измерения требуют условий с близкой к абсолютному нулю температурой и сильным магнитным полем, что могут обеспечить немногие лаборатории.

Квантовый эффект Холла проявляется, когда ток проходит через двумерный материал в перпендикулярном магнитном поле, а напряжение измеряется перпендикулярно и к току, и к полю. В пределах определённых интервалов поля отношение этого напряжения к току, известное как холловское сопротивление, зависит только от комбинации фундаментальных констант – постоянной Планка и заряда электрона. Из-за универсальности квантовый эффект Холла является базисом для стандарта сопротивления, независимого от конкретного изучаемого образца.

Достаточно крупные слои графена с продемонстрированным учёными холловским сопротивлением должны заменить традиционные полупроводники в массовом масштабе. Поскольку квантовый эффект Холла достижим при более высоких температурах, основанный на нём стандарт доступен многим лабораториям, а значит стоимость производства графеновой электроники будет ниже, а объём – больше. На впечатляющих результатах работа не останавливается – учёные надеются на финансовую поддержку со стороны ЕС для дальнейшего продвижения в точности измерений и повышении необходимой для этого температуры.