XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Раньше считалось, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно. Но после открытия углеродных нанотрубок появился интерес к двумерной аллотропной модификация углерода – графену. В 2004 году британскими учёными российского происхождения Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета была опубликована работа в журнале Science [1], где сообщалось о получении графена на подложке окислённого кремния. Так что же такое графен и как его применяют в электронике?

Графен(англ. graphene) является двумерной (2D) аллотропной модификацией углерода. Слой графена состоит из атомов углерода, расположенных на расстоянии 0,14 нм друг от друга в узлах гексагональной решетки. При этом каждый атом связан с тремя соседними атомами ковалентными химическими σ-связямис sp²-гибридизацией, а четвертый валентный электрон включен в сопряженную π-систему графена. Таким образом, три связи, расположенные в плоскости, задают геометрическую структуру графена, а четвертая — его уникальные электронные свойства [2].

Рис. 1. Графеновые слои в графите.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА (при комнатной температуре):

Наименование показателя:	Значение:
Длина связи С–С, нм	0,142
Плотность, мг/м2	0,77
Удельная площадь поверхности, м2 /г	2630
Подвижность электронов, см2/ (В с)	1,5 × 104
Модуль Юнга, ТПа	1
Теплопроводность, Вт/ (м К)	5,1 × 103
Оптическая проницаемость	0,977

Достоинства и недостатки графена

К достоинствам графена можно отнести следующее:

Высокая электропроводность. Графен - может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.

Отличная оптическая чистота. Графен - может поглощать только чуть более 2% видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.

Высокая механическая прочность. Графен - по прочности превосходит алмаз.

Гибкость. Графен - является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.

Способность противостоять внешним воздействиям.

Рекордная теплопроводность. Графен - по данному показателю превосходит медь в десять раз.

К недостаткам графена можно отнести следующее:

На данный момент трудно получать графен большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.

Промышленный графен по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удается, несмотря на совершенствование технологий.

Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.

Применение графена

Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена.

Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзистором на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Графеновые транзисторы - база миллиметрового прорыва. Перспектива такого прорыва базируется на использовании рекордно высокой подвижности носителей заряда в графене. При осаждении графена из паровой фазы на подслой меди и перенесении подслоя на диэлектрическую подложку из алмазоподобного углерода удалось получить транзисторы с предельной частотой f_T ≈ 155 ГГц.

Подвижность электронов в графене гораздо больше, чем в кремнии, поэтому цифровые элементы из графена обеспечивают более высокую частоту работы. Так, транзисторы IBM работают на частоте 26 ГГц и имеют размер около 240 нм. Поскольку между размерами транзистора и его производительностью существует обратная зависимость, увеличение рабочей частоты достигается за счёт уменьшения его размеров. 

Первая графеновая интегральная схема. Разработчики такой ИС (графенового СВЧ-смесителя на диапазон 10 ГГц) презентовали это устройство для доказательства возможности амбиполярной работы нелинейных чипов на терагерцевых скоростях [4].

Рис. 2. Интегральная схема графенового СВЧ-смесителя на диапазон 10 ГГц.

Микросхемы памяти. Во время лабораторных тестов группе профессора Джеймса Тура из американского Университета Райс удалось создать кремниевые модули, на которых были размещены 10 атомарных слоёв графена. В итоге графеновый слой получил толщину около 5 нм. В новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения информации примерно в 40 раз меньше ячеек, используемых в самых современных 20-нм модулях NAND-памяти. Данная технология потенциально способна во много раз увеличить ёмкость модулей памяти. Кроме того, данные запоминающие устройства способны выдерживать сильное радиационное излучение и температуру до 200°C, сохраняя всю информацию [5]. 

Еще одно преимущество разработки заключается в беспрецедентной экономичности расхода энергии. Для хранения данных модули памяти используют два исходных состояния - нейтральное (выключенное) и заряженное (включённое). Для того, чтобы закодировать 1 бит информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах. 

Электроды для суперконденсаторов. Проводимость графеновых электродов превышает 1700 См/м, тогда как у электродов на активированном угле она составляет лишь 10-100 См/м. Благодаря высокой механической прочности LSG-электроды могут использоваться в суперконденсаторах без связующих элементов или токоприёмников, что упрощает конструкцию и снижает себестоимость изготовления суперконденсаторов.

Дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо ITO (оксида индия-олова) в электродах для OLED-дисплеев. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счёт прекращения использования металлических элементов. Кроме того, графен пропускает до 98% света. Это значительно выше показателя пропускания лучших материалов из ITO (82-85%). Графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для создания прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов.  

Производные графена. Исследователями из Университета Висконсина-Милуоки был получен полупроводниковый материал на основе графена, в котором атомы кислорода заключены в гексагональную структуру графена. В ходе нагрева оксида графена в вакууме должен был выделиться кислород и получиться многослойный графен. Однако при повышении температуры атомы углерода и кислорода стали выстраиваться в упорядоченную структуру моноокиси графена, не существующего в естественном виде. 

Полученный материал обладает полупроводниковыми свойствами и имеет широкие перспективы применения в производстве электроники. Меняя температуру нагрева, исследователи получили четыре новых материала. В настоящее время определяется устойчивость моноокиси графена и возможность масштабировать этот материал для производства.

Недавно установлено, что несколько слоёв графена, нагретые при температуре 300-400°C в присутствии порошкового хлорида железа (FeCl₃) приводит к интеркаляции слоёв графена и хлорида железа. Электроны из хлорида железа увеличивают число носителей заряда в слоях графена, в результате чего поверхностное сопротивление слоя падает до 8,8 Ом на квадрат при видимой прозрачности материала 84%. Новый материал имеет хорошую долговременную и температурную стабильность.

Учёные из Ренсселарского политехнического института в США нашли способ управления свойствами графена. Выяснилось, что определяющую роль в формировании свойств графена играет материал, на котором он выращивается. В частности, если подложку, на которой будет выращена структура, активировать кислородом, то полученный лист графена будет обладать свойствами полупроводника, если водородом – то свойствами металла.   

Для того, чтобы производить из графена электронику, необходимо использование графена только с одними и теми же, постоянными свойствами. На текущий момент развиваются и применяются десятки методов по получению графена различного качества, формы и размера[6].

Среди методов, которые могут быть использованы, можно выделить три класса, получаемого графена:

Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который применяется для проводящих красок, композитных материалов и так далее.

Плоский графен, применяемый для создания высокопроизводительных электронных устройств.

Плоский графен, применяемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.

Другие сферы применения графена:

В альтернативной электронике:

наноплазмоника и оптоэлектроника

баллистическая электроника

В химическом применении:

газовые сенсоры

хранение водорода

Графен — как проводник:

холодные катоды, прозрачные покрытия и проводящие электроды

суперконденсаторы и электрические батареи

НЭМС (наноэлектромеханические системы)

При механическом отслаивании графен применяется для исследований.

При химическом отслаивании графен применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев.

При химическом отслаивании через оксид графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев.

При методе CVD графен применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев.

При методе SiC графен применяется для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и иных устройств.

Уникальные свойства, которыми обладает графен, смогут обеспечить к нему внимание на десятки лет. Возможно, данный материал начнет вытеснять кремний из электронной промышленности. Сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике, но создание гибридных микросхем, уже выходит на коммерческий уровень.

Литература:

Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. 2004. Vol. 306, p. 666-669.

Графен / А. Г. Алексенко. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 168 с.

Pumera M. Graphene in biosensing, Review, Materialstoday. July-August. 2011. Vol. 14, № 7-8, p. 308-315.

First Graphene Integrated Circuit IBM researchers take next step in building graphene-based electronics By Neil Savage / June 2011.

Юдинцев В. «Наноэлектроника стремительно набирает силы» // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2009. С.82.

Tim J. Booth, Peter Blake, Rahul R. Nair, Da Jiang, Ernie W. Hill, Ursel Bangert, Andrew Bleloch, Mhairi Gass, Kostya S. Novoselov, M. I. Katsnelson and A. K. Geim: Macroscopic Graphene Membranes and Their Extraordinary Stiffness, Nano Lett., 2008, 8 (8), p. 2442-2446.

Philippe Tassin, Thomas Koschny, Maria Kafesaki and Costas M. Soukoulis. A comparison of graphene, superconductors and metals as conductors for metamaterials and plasmonics. Nature photonics, published online 4 March 2012, www.nature.com/naturephotonics.

Код для цитирования: Скопировать