Electrònica de grafè - Miracle del segle XXI

L'article descriu les perspectives per a l'ús de grafè i nanotubs de carboni en la microelectrònica.

En escoltar els reflexius arguments dels funcionaris governamentals sobre la necessitat de desenvolupar nanotecnologia, un vol involuntàriament es meravella davant la incoherència de les seves accions: els fons incomparables amb el pressupost científic són destinats a la defensa. A més, ara els diners invertits en investigacions científiques permetran no només canviar radicalment la vida de les persones, sinó també apropar-se a resoldre el problema de la immortalitat humana.

Parlant de nanotecnologia, primer em ve al cap descoberta de grafè i nanotubs de carboni. Amb ells els científics associen un avenç en el camp de l’electrònica i la farmacologia al segle XXI. La creació d’ordinadors quàntics, sistemes de lectura de senyals a nivell cel·lular, nanorobots per tractar el cos, es tracta només d’una petita llista d’oportunitats que s’obren. Ara, aquestes oportunitats han passat del terreny de la ficció al camp del desenvolupament de laboratori.

Un tema especial és la microelectrònica. Els microprocessadors moderns i xips de memòria ja superen el valor dels estàndards tecnològics de 10 nanòmetres. Davant de la línia 4-6 nm. Però, a mesura que els desenvolupadors avancin pel camí de miniaturització, més difícils de resoldre. Els enginyers es van apropar als límits físics de les xips de silici. Els que s’interessen pels microprocessadors moderns saben que la seva velocitat s’alenteix amb una freqüència de rellotge d’uns 4 GHz i no augmenta encara més.

El silici és un excel·lent material per a la microelectrònica, però té un inconvenient important: una conductivitat tèrmica deficient. I amb un augment de la freqüència de rellotge i la densitat d’elements, aquest inconvenient es converteix en una barrera per al desenvolupament del microelectrònic.

Afortunadament, avui hi ha una oportunitat real d’utilitzar materials alternatius. Ho és grafè, forma bidimensional de nanotubs de carboni i carbonique són una forma cristal·lina tridimensional del mateix carboni. Els primers resultats de la investigació van provocar la creació de transistors de grafenaoperant a freqüències de fins a 300 GHz. A més, els prototips van mantenir les seves característiques a temperatures de 125 graus centígrads.

Història de la descoberta del miracle del grafè

Pintar desinteressadament les parets de les habitacions a la primera infància amb un simple llapis, no sospitàvem que ens dediquéssim a una ciència seriosa; produïm experiments de grafè. Prendre els pares que no apreciaven el valor científic dels experiments va allunyar molts de la ciència, però no tots. El 2010, dos russos, un empleat de la Universitat de Manchester (Gran Bretanya) Andrei Geim i un científic de Txernogolovka (Rússia) Konstantin Novoseltsev van rebre el premi Nobel pel descobriment del grafè, una nova modificació cristal·lina de carboni, amb una capa atòmica de gruix.

Quin era el mèrit dels científics i la significació del descobriment? Per començar, tractarem el tema mateix del descobriment. El grafè és una superfície bidimensional cristal·lina (no una pel·lícula!) Una o dues capes atòmiques de gruix. El més interessant és que teòricament el grafeno va ser “creat” per físics teòrics fa més de 60 anys per descriure estructures de carboni tridimensionals. El model matemàtic d’un enreixat bidimensional va descriure perfectament les propietats termofísiques del grafit i d’altres modificacions en carboni tridimensionals.

Però nombrosos intents de crear cristalls de carboni bidimensionals van acabar en un fracàs. El servei "baixista" en aquestes recerques va ser proporcionat per teòrics que van demostrar matemàticament la impossibilitat de l'existència de superfícies cristal·lines. Va ser difícil no creure-los: al capdavall, va ser Leo Landau i Peierls: els més grans físics teòrics del segle XX.

Van presentar arguments matemàtics innegables que les estructures regulars de cristall pla són inestables, perquè a causa de les vibracions tèrmiques, els àtoms surten dels nodes d’aquests cristalls i l’ordre queda pertorbat. La situació es va agreujar pel fet que en experiments reals, els càlculs teòrics dels científics van rebre la confirmació completa. La idea de sintetitzar grafeno va ser abandonada durant molt de temps.

I només el 2004, els científics van aconseguir, i el més important, demostrar que el grafeno és una realitat. Per obtenir grafè, es va utilitzar una tècnica especial de clivatge químic de plànols cristal·lins de grafit. Els processos similars es produeixen quan es dibuixa amb llapis sobre superfícies rugoses, però els requisits per a les condicions d’exfoliació de les mostres són inconfusiblement més estrictes.

La segona dificultat va ser la prova de l’existència d’una estructura de grafè. Com es pot observar una superfície amb un gruix d’una capa atòmica? Els autors del descobriment asseguren que si no haguessin trobat la manera d’observar el grafè, no s’haurien descobert fins avui.

La tècnica enginyosa per a l'observació del grafè era formar una superfície cristal·lina bidimensional sobre un substrat d'òxid de silici. I després es va observar el grafè a un microscopi òptic convencional. La gelatina de cristall de grafena correcta va crear un patró d’interferència, que van ser observats pels investigadors.

Perspectives de l’aplicació pràctica del grafè

El descobriment del grafè va provocar una reacció similar a una bomba en esclat. Després de dècades de plena confiança que no hi ha cap modificació bidimensional del carboni, de sobte va resultar que amb l’ajuda de processos bastant simples es pot obtenir en quantitats il·limitades. Però, per què?

El fet és que aquesta modificació del carboni posseeix propietats que, normalment frenades pels científics, donen epítets fantàstics, meravellosos, únics. I es poden confiar. Avui s’ofereixen centenars d’aplicacions d’aquest material i cada setmana apareix informació sobre les noves característiques del grafè.

Fins i tot una llista breu és impressionant: els microxips amb una densitat de més de 10 mil milions de transistors d’efecte de camp per centímetre quadrat, ordinadors quàntics, sensors d’uns quants nanòmetres de mida només estan en electrònica. I també bateries recarregables de fantàstica capacitat, filtres d’aigua que atrapen qualsevol impuresa i molt més.

Les propietats especials del grafè permeten no només eliminar la calor de manera eficient, sinó també convertir-la en energia elèctrica. Tenint en compte que la gelosia de grafè (pla) té un gruix d’una capa atòmica, és fàcil predir que la densitat de l’element al xip augmentarà bruscament i pot arribar als 10 mil milions de transistors per centímetre quadrat. Transistors i microcircuits de grafè ja estan implementats avui en dia, mescladors de freqüència, moduladors que funcionen a freqüències superiors a 10 GHz.

Els desenvolupadors no són menys optimistes quant a l’ús de nanotubs de carboni en microelectrònica. A partir d’elles, ja s’han implementat estructures de transistor i, recentment, els especialistes d’IBM van demostrar un microcircuit en el qual es van formar 10 mil nanotubs.

Per descomptat, els materials de carboni no poden substituir immediatament el silici en la microelectrònica. Però la creació de microcircuits híbrids, que aprofiten els dos materials, ja està a nivell comercial. No gaire lluny és el dia en què apareixen microprocessadors en un dispositiu mòbil regular, el poder de càlcul del qual superarà el rendiment dels supercomputadors moderns.

No penseu que totes aquestes aplicacions són qüestió d’un futur llunyà. Els gegants de la indústria electrònica: IBM, Samsung i molts laboratoris de recerca comercial s’han unit a la carrera per la implementació pràctica del descobriment científic. Segons els experts, en la propera dècada, el grafè es convertirà en material familiar. I alguns fan broma que el Silicon Valley a Califòrnia haurà de rebatejar el nom de Graphite.