Прошло уже более десятилетия с момента экспериментального открытия графена – материала, ставшего ярким представителем класса двумерных кристаллов. Графен представляет собой уникальный атомно-тонкий кристаллический слой углерода. Он привлёк внимание многих физиков благодаря своим уникальным электронным свойствам: электроны в графене ведут себя подобно безмассовым релятивистским частицам и подчиняются законам квантовой электродинамики. Помимо этого, графен обладает рядом ценных характеристик: очень высокой электропроводностью, светопроницаемостью, механической растяжимостью и химической инертностью. Однако для практического применения графена необходимо не только наличие теоретических возможностей реализации физических эффектов, но и экономическая целесообразность его производства. В настоящее время разработаны технологии, позволяющие получать графен в промышленных масштабах с приемлемой стоимостью.

Современные методы изготовления графена позволяют создавать многометровые рулоны из этого материала и переносить пленку на нужную основу.

Графен является высокопроводящим материалом, почти прозрачен и поглощает около 2% света, причем в широком оптическом диапазоне — от ультрафиолета до инфракрасного.

Поэтому графен можно использовать в жидкокристаллических дисплеях, солнечных батареях или фотоэлектронных датчиках в качестве хорошо проводящего и прозрачного внешнего электрода. Довольно ограниченный ряд материалов обладает одновременно и хорошей проводимостью и прозрачностью. Сейчас в основном для этих целей применяют ITO (оксид индия-олова). Причем, если требуется повысить проводимость материала (скажем, для увеличения быстродействия), вам приходится для этого пожертвовать степенью его прозрачности. Графен превосходит традиционные сегодня материалы по соотношению таких параметров, как проводимость, прозрачность, химическая инертность. Необходимое качество графена для подобных устройств уже фактически достигнуто, и вопрос состоит только в том, когда будет пробита граница себестоимости, при которой его использование станет целесообразным.

Технологи прогнозируют, что это произойдет уже в течение 1-2 лет.

Еще одно важное свойство графена состоит в том, что его можно растягивать чуть ли не на 20%. Это позволит делать гибкую или изогнутую электронику и будет актуально для различных гаджетов. Для примера — представьте себе планшет, экран которого по команде сворачивается в трубку диаметром в пару сантиметров.

Кроме того, графен и графено-подобные материалы химически инертны, имеют разветвленную поверхность и максимальное отношение поверхности к объему, поэтому их перспективно использовать в газовых датчиках и в аккумуляторных батареях и суперконденсаторах. Ожидается, что использование графена или графено-подобных материалов позволит уменьшить вес или увеличить емкость накопителей энергии — аккумуляторных батарей и суперконденсаторов. По тем же причинам графен перспективен для газовых датчиков. Было экспериментально показано, что газовые датчики из графена способны реагировать на единичные акты адсорбции/десорбции молекул — фактически достигнута предельная чувствительность таких устройств.

Еще одно интересное применение — использование графена в качестве эталона сопротивления (наряду с эталонами длины, массы и т. д.). Для эталона сопротивления планировалось использовать квантовый эффект Холла в полупроводниках. Это квантовый эффект, и в традиционных полупроводниках его можно наблюдать только при очень низких температурах, а это дорогостоящий процесс. В графене же вследствие его линейного закона дисперсии расстояние между квантовыми уровнями существенно больше, чем это можно реализовать в полупроводниках. Поэтому многие квантовые эффекты «доживают» вплоть до комнатных температур. Стандарт сопротивления из графена вряд ли обеспечит требуемую точность буквально при комнатной температуре, но тем не менее графеновые датчики смогут работать при существенно более высоких температурах, чем полупроводниковые, и этим сейчас занимаются метрологические лаборатории разных стран.

Самое привлекательное приложение, наверное, — это использование графена в быстродействующей микроэлектронике. Вряд ли он полностью заменит кремний, ввиду дешевизны и разработанности технологии последнего. Но графен может занять определенную нишу, существенно расширяя возможности кремниевой электроники.

Традиционные кремниевые микросхемы уже подошли близко к пределу, который ограничен фундаментальными законами физики.

Для дальнейшего развития понадобятся новые материалы или приборы с новой архитектурой, работающие на иных физических принципах. Одним из таких кандидатов в материалы для пост-кремниевой электроники является графен. В частности, рекордная подвижность носителей тока в графене делает его вероятным кандидатом в качестве основы устройств, работающих при терагерцевых частотах.

Говоря о будущих применениях графена в электронике, невозможно не упомянуть о том, что традиционный полевой транзистор на графене нельзя полностью запереть. На его основе можно построить достаточно эффективный быстродействующий аналоговый усилитель, но его недостаток будет заключаться в довольно высоком тепловыделении. Но если в аналоговых схемах с этим еще можно как-то мириться, то в цифровых схемах графеновый полевой транзистор в традиционной геометрии оказывается непригоден в силу того, что он не может обеспечить достаточное отношение сопротивлений транзистора в открытом и закрытом состояниях. Другими словами, этого отношения будет недостаточно, чтобы всегда безошибочно различать «0» и «1» в цифровой логике. Но и эту проблему удалось решить с применением новых материалов и новой архитектуры.

Одним из первых достижений в этом направлении стали слоистые структуры на основе двумерных кристаллов графена, нитрида бора и дисульфидов некоторых металлов. Такие структуры позволили сконструировать транзистор, работающий на основе туннельного эффекта, причем из-за специфики электронных свойств графена этим туннельным током можно эффективно управлять. В таких транзисторах уже получено отношение сопротивления в закрытом и открытом состоянии, превышающем миллион, что достаточно для надежной работы цифровой электроники. Можно сказать, что с появлением таких гетероструктур на основе графена открывается его путь в традиционную цифровую электронику.

Как быстро дойдут до практики те или иные применения, сильно зависит от технологической проработки и себестоимости процессов. Безусловно, различные приложения предъявляют различные требования к качеству материалов. Если использование графена в жидкокристаллических дисплеях или в аккумуляторных батареях, по-видимому, перспектива уже завтрашнего дня, то использование графена в традиционной микроэлектронике произойдет, видимо, в более отдаленной перспективе и потребует еще много усилий.

Примеры исследований

Ученые IBM предложили использовать графен для улучшения микроэлектроники

Исследователи из IBM предложили использовать графен для более точного нанесения наноматериалов. Это позволяет избегать химического загрязнения изделий и создавать элементы размером меньше семи нанометров. Результаты исследования изложены в журнале Nature Communications. Благодаря современным технологиям производства микроэлектроники сейчас компании могут создавать устройства размером в несколько нанометров, однако работать с еще более мелкими деталями становится все трудней. В частности, один из крупных производителей микропроцессоров, американская комания GlobalFoundries Inc., заявил о том, что приостанавливает разработку чипов по 7-нм технологическому процессу.

Тем не менее элементы столь крохотного размера могут обладать уникальными оптическими и электрическими свойствами, что делает их привлекательными для промышленности. В новой работе сотрудники бразильского исследовательского подразделения IBM совместно с учеными из США и Германии описали, как можно наносить детали на твердую полупроводниковую пластину при помощи наэлектризованного графена с нанометровой точностью в 97% случаев. Более того, этот процесс можно проводить параллельно в нескольких местах, то есть он подходит не только для лабораторных демонстраций, но и для производства изделий в больших масштабах.

Метод опирается на свойства графена — самого тонкого проводника электрического тока, который при этом очень прочен. Авторы работы создают графеновые пластины специальной формы и текстуры, что позволяет точно управлять процессом нанесения материалов. Сегодня для аналогичных процедур используются стандартные вещества, обычно металлы, такие как медь. Отделить медь от наноматериала, не повредив его, чрезвычайно трудно. В то же время графен позволяет не только точно контролировать процесс нанесения, но и легко удаляется после сборки.

Исследователи отмечают, что разработанный метод работает с наноматериалами любой формы, например, квантовыми точками, нанотрубками, двумерными пластинами. Авторы продемонстрировали работоспособность метода, создав действующий транзистор. Также они отмечают, что подобный метод может пригодиться при производстве не только микроэлектроники, но и солнечных батарей, детекторов частиц, квантовых излучателей и антенн.

Высокочувствительный микрофон на основе графена

Микрофоны для слуховых аппаратов должны иметь высокую чувствительность, соответствующую пропускную способность и широкий динамический диапазон. Группа учёных из Кореи разработали  микрофон с  высокой чувствительности размером 4 мм в диаметре и с использованием мембраны из графена и ПММА, которая может быть применена в слуховых аппаратах. Как правило, полифениленсульфид используется для диафрагмы электретных конденсаторных микрофонов, и она имеет простую конструкцию и низкая стоимость. Чувствительность коммерческого микрофона диаметром 4 мм составляет примерно от -30 до 35 дБ (0 дБ = 1 В / Па).

Учёные показали, что микрофон с диафрагмой нанометровой толщины на основе графена, имеет более высокую чувствительность. В своей разработке учёные создали диафрагму из многослойного графена и поли(метилметакрилата) (ПММА) с чувствительностью выше, чем у любых других микрофонов в настоящее время для слуховых аппаратов, с аналогичной шириной полосы в слуховом диапазоне. Высокая чувствительность возникает из слоистой структуры, которая состоит из  тонкой графеновой плёнки с высоким модулем упругости и из плёнки ПММА с более низким модулем упругости и высокой диэлектрической проницаемостью.

Оптимальное соотношение толщины графен-ПММА было найдено с помощью как аналитических, так и экспериментальных методов, а затем изготовлена и собрана в стандартном корпусе микрофона диаметром 4 мм. Было продемонстрировано, что микрофон с использованием многослойного графена и ПММА имеет высокую чувствительность -20 дБ и динамический диапазон 90 дБ, что в среднем  на 9 дБ выше, чем в аналогичных коммерческих микрофонах.

Физики из MIT представили схему графенового устройства, преобразующего терагерцовое излучение

Физики из MIT представили схему графенового устройства, преобразующего терагерцовое излучение (например, сигнал Wi-Fi) в энергию для подзарядки имплантов, мобильных телефонов и другой портативной электроники

Чертеж устройства представляет собой терагерцовый выпрямитель переменного тока. Квадратная пленка однослойного графена покрывает тонкую подложку из нитрита бора. Расположенные по обе стороны антенны улавливают и усиливают терагерцовое излучение. Благодаря квантово-механическим особенностям взаимодействия атомов бора и азота с электронами графена, образующийся в графеновой пленке ток способен течь только в одном направлении. Принципиально важно использовать «чистый», высококачественный графен, чтобы избежать рассеивания электронов на дефектах и примесях.

Терагерцовые выпрямители на основе графена, по мнению исследователей из MIT, могут быть использованы для беспроводного питания имплантатов в теле пациента, чтобы исключить необходимость хирургического вмешательства для замены батарей. Такие устройства будут способны преобразовывать сигнал Wi-Fi для зарядки персональной электроники – ноутбуков, мобильных телефонов и т.д.

Источники: https://www.forbes.ru/, https://rusgraphene.ru/