Графеновая революция

Век электроники начался с изобретения в 1904 году англичанином Джоном Флемингом электронной лампы с термокатодом. В 1919 году Вильям Иклс ввел для устройства название «диод», образованное от греческих корней: «di» — два и «odos» — путь. В 1906 году американский изобретатель Ли де Форест ввел в диод третий электрод — сетку, что дало возможность усиливать электрический сигнал. Свое изобретение он назвал аудион, который был усовершенствован другим американским изобретателем, Эдвином Армстронгом. Кстати, Ли де Форест ввел термин «радио», так как ему очень не нравилось название «беспроволочный телеграф».

Электронные лампы сделали возможным принципиально изменить не только средства связи — как проводные, так и беспроводные. Они фактически создали технологическую основу телевидения, а затем и компьютеров.

Изобретение и последующее внедрение транзисторов достаточно быстро привело современную технику в то положение, которое мы наблюдаем сегодня. Это трудно представить какой поразительный эффект на современников имело появление переносных радиоприемников и магнитофонов. На смену счетам с костяшками на проволоках и механическим арифмометрам, изобретенных еще в XVII веке Блезом Паскалем, пришли калькуляторы.

Победное шествие транзисторов проходило в двух направлениях. Были созданы полупроводниковые приборы для коммутации и преобразования больших токов, что существенно изменило электроэнергетику, передачу больших мощностей на значительные расстояния, управления агрегатами, например, в металлургии или химической промышленности, авиации и ракетной технике.

Наряду с силовой электроникой еще более быстрыми темпами развивалась полупроводниковая техника малых сигналов. В 1958 году американцы Роберт Нойс и Джек Колби независимо друг от друга создали почти идентичную модель интегральной микросхемы. Так началась эра микроэлектроники. Благодаря которой, мы имеем сегодня настольные компьютеры, ноутбуки, iPad, iPhone, устройства для чтения книг в электронной форме, мобильную связь и, наконец, Интернет. Весной прошлого года корпорация Altera установила новый отраслевой рекорд: ее специалисты спроектировали интегральную микросхему, состоящей из 3,9 млрд транзисторов. Она позволяет создать оборудование для компьютерных магистральных сетей с пропускной способностью 100 Гбит/с.

При всех успехах микроэлектроники уже очевидны пределы, которые она может достигнуть. Приближается квантово-механический барьер. Он ограничивает дальнейшее увеличение числа компонентов в микросхеме и тактовую частоту ее работы. А от нее в значительной мере зависит быстродействие, в частности, компьютеров. Кроме того, это ограничивает объем вычислений в приемлемое время. Более точный прогноз погоды, моделирование в микробиологии для поиска вакцин против СПИДа и гриппа и много других научных задач требуют производства огромного объема вычислений, при этом чтобы они не растягивались на десятилетия. Конечно, есть аппаратные и алгоритмические способы решения таких задач, но они не решают проблему, а только смягчают. Так как там тоже возникают объективные трудности. Развитие современной электроники стоит перед необходимостью технологического прорыва. Поиск его происходит по разным направлениям. На одном мы остановимся более подробно.

В 2010 году лауреатами Нобелевской премии по физике и химии стали два бывших советских ученых Андрей (Андре) Гейм и Константин (Костя) Новоселов. Сейчас они работают в университете Манчестера в Великобритании. Премия была присуждена ученым за исследования графена — тончайшего в мире материала, толщиной всего в один атом. Этот материал сочетает в себе уникальные свойства: он сверхтонок, почти прозрачен, обладает высокой прочностью и хорошей теплопроводностью. Физически графен представляет собой двухмерную решетку, состоящую из одинарного слоя атомов углерода.

Интересно, что за успехи в изучении графена профессора Андре Гейм и его ученик и друг Константин Новоселов (чтобы не затруднять британцев сложными для них русскими именами, он подписывается уменьшительным «Костя») получили от британской королевы Елизаветы II звания рыцаря-бакалавра. Это звание — более древнее, известное с XIII века, со времен правления короля Генриха III, чем даже орден Подвязки (высший орден Великобритании, учрежденный королем Эдуардом III в 1348 году. — Авт.), дает право прибавлять к имени почетный титул «сэр», а в конце подписи добавлять буквы kt. (англ. knight — рыцарь).

За прошедшие два года после присуждения премии оба ученых добились впечатляющих результатов в изучении графена. Еще на стадии фундаментальных исследований уникальных физических свойств и явлений, наблюдаемых в графене, стало ясно, что большое будущее ожидает использование этого материала в оптоэлектронике и фотонике. В частности, группа физиков из исследовательского центра Томаса Джона Уотсона компании IBM опубликовала в 2009 году в журнале Nature Nanotechnology, а затем в 2010 году в Nature Photonics работы, в которых описан ультрабыстрый графеновый фотоэлемент.

Если на поверхность графена нанести металлические контакты, а затем облучить его светом, можно получить электрический ток. Такое устройство представляет собой простейший элемент прямого преобразования света в электрический ток, своего рода солнечный элемент. Особенностью его является очень высокое быстродействие, в сотни раз превосходящее традиционные полупроводниковые аналоги. Это связано с очень высокой подвижностью и большой скоростью носителей заряда в графене.

Основным препятствием на пути применения этой технологии в реальных приборах оставалась очень низкая эффективность. Удавалось использовать всего около 2% падающего на него света, тогда как основная часть электромагнитных волн проникает сквозь графен и не вызывает генерирование электрического тока. Лучшие образцы современных фотоэлементов в лабораторных условиях имели КПД до 43%.

Выход был найден в смежной области физики — плазмонике, в которой работает сосед Константина Новоселова по университету в Манчестере на факультете астрономии и физики, доктор Александр Григоренко.

Эффект плазмонного резонанса состоит в возбуждении внешней электромагнитной волной плазмона — квазичастицы, отвечающей за колебания свободных электронов в проводнике и используется для усиления электромагнитного поля на поверхности и увеличения светопоглощения материалов. В статье в журнале Physical Review в 2008 году, одним из авторов которой был Григоренко, описана плазмонная наноструктура, которая при определенных условиях ведет себя почти как абсолютно черное тело, поглощая до 99% падающего на нее света.

Для получения эффекта плазмонного усиления на поверхность графена нанесли вблизи микроконтактов наноструктуры из титана и золота с помощью электроннолучевой литографии. При облучении лазерным пучком в область локализации плазмонной наноструктуры в ячейке регистрировали фототок, значительно превышающий аналогичные показатели для графена, не подвергнутого поверхностной модификации. Величина эффекта зависела от длины волны возбуждающего света. Самое сильное увеличение — более чем в 20 раз — наблюдалось для длины волны 514 нм (нанометр — одна миллиардная часть метра. — Авт.) на наноструктуре, состоящей из металлических полосок шириной 110 нм. Если в обычном графеновом фотоэлементе воздействие света непосредственно приводит к образованию в графене свободных носителей заряда, которые и создают фототок, то в модифицированной с помощью плазмонной наноструктуры ячейке механизм более сложный. Свет возбуждает плазму — электронный газ в металлических наночастицах, ее резонансные колебания генерируют электромагнитное поле, которое и приводит к образованию в графене дополнительных свободных носителей заряда.

Как считает профессор инженерного факультета Кембриджского университета Андреа Феррари, «Эти результаты показывают его (графена. — Авт.) огромный потенциал в области фотоники и оптоэлектроники, где его уникальные оптические и электрические свойства в комбинации с плазмонными наноструктурами могут быть использованы в полной мере... в разнообразных полезных устройствах, таких как солнечные батареи и фотодетекторы». Значение солнечных батарей для альтернативной энергетики требуют отдельного рассмотрения. Существенное увеличение, примерно в два раза, эффективности фотоэлементов может серьезно продвинуть этот вид энергетики. Пока же только отметим, что фотоэлементы на графене могут серьезно изменить такой, прочно вошедший в наш быт прибор, как телевизор, а с ним — и дисплеи компьютеров, мобильных телефонов и всех устройств, в которых необходимо воспроизведение информации в оптическом виде. В первую очередь — из-за высокого быстродействия и существенного снижения массы и энергопотребления, а также большей независимости от источников зарядки аккумуляторов. Ведь сам графеновый экран и будет источником электрической энергии, как для компьютера, так и для мобильного телефона. А еще применение таких элементов в промышленности, медицинской технике, всего и не перечислить.

Как часто бывает в науке, чем дальше ученые углубляются в изучение той или иной ее части, тем поле открытий и применения полученных знаний увеличивается.

Группа Нобелевского лауреата Андрея Гейма опубликовала в авторитетном журнале Science статью о намагничивании графена электрическим током, то есть потоком электронов. При этом используется такая характеристика частицы, как спин (англ. spin — вертеться, вращение). Он представляет собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином. Первый связан с перемещением или вращением частицы, второй имеет внутреннюю природу и непосредственно никакого движения не вызывает.

Несмотря на то, что спин не связан с реальным вращением частицы, он, тем не менее, порождает определенный магнитный момент, а значит — приводит к дополнительному (по сравнению с классической электродинамикой) взаимодействию с магнитным полем.

Сейчас управление спином возможно только для материалов, в которых происходят так называемые спин-орбитальные взаимодействия. В них очень слабые магнитные поля, созданные ядрами, влияют на движение электронов через кристалл. Сам эффект очень слабо выражен, поэтому регулировать его очень сложно. Соответственно, практическое использование невозможно.

В то же время использовать спин для хранения и передачи информации было бы очень выгодно. Ведь в отличие от электронных устройств, где операции с информацией производится с помощью управляемого изменения заряда, а это требует определенных энергетических затрат, в спинтронике используется возможность хранить и передавать информацию с помощью управляемой ориентации спина. Одна проблема была на этом пути — научиться управлять спином электрона с помощью электрического тока. Самим током мы управлять умеем — на этом основана работа микроэлектронных устройств, полупроводниковых транзисторов. А вот дальше...

Группа Гейма обнаружила такую возможность в виде приложения относительно слабого магнитного поля к графену.

Такое поле создает поток спина в направлении, перпендикулярном потоку электрического тока, намагничивая графеновый слой. Если его разместить на подложке нитрида бора, то индуцированный магнетизм в такой системе распространяется на макроуровне без сильного угасания. Другими словами, информация хранится. Изменяя спин частиц, ее также можно менять. При этом спин частицы остается в таком состоянии без приложения внешнего воздействия, то есть не нужно тратить энергию на хранение информации.

Именно такие транзисторы могут стать основой принципиально другой электроники — более дешевых, сверхбыстрых и экономичных устройств обработки и хранения информации. Если спиновый транзистор, эффективно работающий при стандартных условиях и рентабельный в производстве, будет создан, это будет новая технологическая революция, по масштабам сравнимая с созданием классического полупроводникового транзистора в середине прошлого века. «Это открытие — начало новой главы в богатой истории графена», — считает Антонио Кастро Нето, профессор физики из Университета Бостона, которого журнал Science попросил написать комментарий к статье группы Гейма.

Если бы чудные открытия, которые приготовил ученым графен, ограничились только рассказанным, уже б было понятно, что мы имеем дело с материалом будущего.

Недавно Андрей Гейм и Константин Новоселов преодолели очередной барьер, лежащий на пути к созданию графеновой электроники. Им удалось сконструировать на основе графена туннельный транзистор с характеристиками, подходящими для промышленного производства.

Туннельный эффект заключается в преодолении микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Интересно то, что преодоление барьера происходит без изменения энергии частицы. В 1928 году тогда еще советский, а с 1933-го — американский, физик Георгий Гамов теоретически разработал теорию альфа-распада на основе туннельного эффекта.

Упрощенно туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределенностей. Оно имеет вероятностный характер и представляет произведение среднеквадратического отклонения координаты частицы на среднеквадратическое отклонения импульса, которое больше или равно половине величины приведенной постоянной Планка. При ограничении квантовой частицы по координате, то есть увеличении ее определенности по координате x, ее импульс p становится менее определенным. Случайным образом неопределенность импульса может добавить частице энергии для преодоления барьера. Таким образом, с некоторой вероятностью квантовая частица может проникнуть через барьер, а средняя энергия частицы останется неизменной.

В 1958 году японский физик Лео Эсаки, Нобелевский лауреат 1973 года, создал прибор, использующий этот эффект — туннельный диод. Он широко применяется в электронике и радиотехнике для схем генерирования сигналов. Характеристика туннельного диода имеет падающий участок с так называемым отрицательным дифференциальным сопротивлением, что очень удобно именно для таких схем. Тем не менее, туннельный диод не может усиливать сигнал, это принадлежность транзистора.

Теперь Гейм и Новоселов именно его и создали. Важным преимуществом является то, что туннельный эффект дает возможность хранить информацию на основе такого транзистора без существенных затрат энергии.

В туннельном транзисторе, в отличие от обычного полевого — активного элемента современных микросхем, — канал контролируется с помощью квантового туннельного эффекта, а не инжекции заряда. При наложении внешнего напряжения электроны преодолевают потенциальный барьер со значительно большей вероятностью. Теоретические расчеты показывают, что такой транзистор будет использовать значительно меньшие величины напряжения для переключения состояний, а значит, резко снизит энергопотребление микросхем.

В чистом виде графен не имеет запрещенной зоны, то есть области значений энергии, которую не могут иметь носители заряда. Именно наличие такой зоны отличает полупроводник от металла и делает возможным функционирование основных элементов интегральных схем.

Чтобы обойти это препятствие физики создали на основе графена слоистую структуру из различных полупроводников — гетероструктуру типа сэндвич. В качестве прокладки использовали монослои нитрида бора и дисульфида молибдена. Устройство оказалось весьма перспективным, показав отношение токов включенного и выключенного состояния от 50 для прослойки нитрида бора до 10000 для прослойки из дисульфида молибдена. Эти показатели практически не зависели от температуры, то есть технология пригодна для создания устройств, работающих в обычных условиях, а возможно — и с небольшим перегревом. В любом случае мощность вентилятора в компьютере существенно уменьшится, если он вообще понадобится.

Полупроводниковая электроника, начавшаяся в 1948 году изобретением Бардиным и Браттейном транзистора, была «веком кремния», так как этот элемент периодической системы Менделеева есть основа современных микросхем. Вполне возможно, после открытий Гейма и Новоселова, начинается «век углерода». Хотя уже сейчас появляются и другие кандидаты на эту роль. В любом случае, очевидно, что мы стоим на пороге новой технической и технологической революции, которая круто изменит нашу жизнь. Уже забываем кассетные магнитофоны, скоро историей станут настольные компьютеры и даже планшетники. Будем носить их в карманах и сумочках, как записные книжки.