Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки » Графеновая электроника – чудо 21 века
Количество просмотров: 38141
Комментарии к статье: 3


Графеновая электроника – чудо 21 века


Графеновая электроника – чудо 21 векаВ статье рассказывается о перспективах применения графена и углеродных нанотрубок в микроэлектронике.

Слушая глубокомысленные рассуждения государственных чинов о необходимости развивать нанотехнологии, невольно удивляешься нелогичности их поступков: на оборону выделяются средства, несравнимые с бюджетом науки. Притом, что сейчас деньги, вложенные в научные исследования, позволят не только радикально изменить жизнь людей, но и вплотную подойти к решению проблемы бессмертия человека.

Говоря о нанотехнологиях, в первую очередь приходят на ум открытие графена и углеродных нанотрубок. Именно с ними связывают ученые прорыв в области электроники и фармакологии в 21 веке. Создание квантовых компьютеров, систем считывания сигналов на клеточном уровне, нанороботов для лечения организма – это только малый перечень открывающихся возможностей. Сейчас эти возможности перешли из области фантастики в область лабораторных разработок.

Особая тема – это микроэлектроника. Современные микропроцессоры и чипы памяти уже преодолевают значение технологических норм в 10 нанометров. Впереди рубеж 4-6 нм. Но чем дальше двигаются разработчики по пути миниатюризации, тем сложнее задачи приходится решать. Инженера вплотную приблизились к физическим пределам кремниевых чипов. Те, кто интересуются современными микропроцессорами, знают, что их быстродействие затормозилось на тактовой частоте около 4 ГГц и дальше не увеличивается.

Кремний является прекрасным материалом для микроэлектроники, но обладает существенным недостатком – плохой теплопроводностью. И с ростом тактовой частоты и плотности элементов этот недостаток становится барьером на пути дальнейшего развития микроэлектроники.

К счастью, сегодня появилась реальная возможность использовать альтернативные материалы. Это графен, двухмерная форма углерода и углеродные нанотрубки, которые являются трехмерной кристаллической формой того же углерода. Уже первые результаты исследований привели к созданию графеновых транзисторов, работающих на частоте до 300 ГГц. Причем, опытные образцы сохраняли свои характеристики при температурах 125 градусов по Цельсию.

История открытия графенового чуда

Графеновая электроника – чудо 21 векаСамозабвенно разрисовывая в раннем детстве стены комнат простым карандашом, мы не подозревали, что занимаемся серьезной наукой – производим опыты по получению графена. Взбучка от родителей, не оценивших научную ценность экспериментов, многих отвратила от науки, но не всех. В 2010 году двоим россиянам, сотруднику Манчестерского университета (Великобритания) Андрею Гейму и ученому из Черноголовки (Россия) Константину Новосельцеву присудили Нобелевскую премию за открытие графена – новой кристаллической модификации углерода, толщиной в один атомный слой.

Так в чем же состояла заслуга ученых и значение открытия? Для начала разберемся с самим предметом открытия. Графен – это кристаллическая двумерная поверхность (не пленка!) толщиной в один или два атомных слоя. Самое интересное состоит в том, что теоретически графен был «создан» физиками-теоретиками более 60 лет назад для описания трехмерных структур углерода. Математическая модель двумерной решетки прекрасно описывала теплофизические свойства графита и иных трехмерных модификаций углерода.

Но многочисленные попытки создать двумерные кристаллы углерода заканчивались неудачами. «Медвежью» услугу в этих поисках оказали теоретики, которые математически обосновали невозможность существования кристаллических поверхностей. Не верить им было трудно: ведь это были Лев Ландау и Пайерлс – крупнейшие физики- теоретики 20 века.

Они привели неоспоримые математические доводы, что правильные плоские кристаллические структуры неустойчивы, т.к. за счет тепловых колебаний атомы покинут узлы таких кристаллов и порядок нарушится. Ситуацию усугубило то, что в реальных экспериментах теоретические выкладки ученых получали полное подтверждение. Идею синтеза графена надолго забросили.

И только в 2004 году ученым удалось получить, а главное, доказать, что графен – это реальность. Для получения графена использовалась специальная методика химического скалывания графитовых кристаллических плоскостей. Похожие процессы происходят при рисовании карандашом по шершавым поверхностям, но требования к условиям отслоения образцов неизмеримо жестче.

Второй трудностью было доказательство существования графеновой структуры. Как можно наблюдать поверхность толщиной в один атомный слой? Авторы открытия говорят, что если бы не удалось найти способа наблюдения графена, то его не открыли бы до наших дней.

Остроумная методика наблюдения графена заключалась в формировании двумерной кристаллической поверхности на подложке из окиси кремния. А затем графен наблюдали в обычный оптический микроскоп. Правильная кристаллическая решетка графена создавала интерференционную картину, которая и наблюдалась исследователями.

Перспективы практического применения графена

Перспективы практического применения графенаОткрытие графена вызвало реакцию, подобную разорвавшейся бомбы. После десятилетий полной уверенности, что двухмерной модификации углерода не существует, вдруг оказалось, что с помощью достаточно простых процессов его можно получать в неограниченном количестве. Только зачем?

Дело в том, что подобная модификация углерода обладает свойствами, которые, обычно сдержанные ученые, наделяют эпитетами фантастические, чудесные, уникальные. И им можно поверить. Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена.

Даже короткий перечень впечатляет: микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое.

Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) 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.

Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок.

Конечно, сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике. Но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов, уже выходит на коммерческий уровень. Не за горами тот день, когда в обычном мобильном устройстве появятся микропроцессоры, вычислительная мощь которых будет превышать производительность современных суперкомпьютеров.

Не стоит думать, что все эти применения – дело отдаленного будущего. В гонку практической реализации научного открытия включились гиганты электронной индустрии - корпорация IBM, Samsung и множество коммерческих исследовательских лабораторий. По мнению специалистов, в ближайшее десятилетие графен станет привычным материалом. А некоторые шутят, что Силиконовую долину в Калифорнии придется переименовывать на Графитовую.

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 

О сайте Электрик Инфо и авторах статей



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Графеновые аккумуляторы - технология, которая изменит мир
  • Неожиданные свойства привычного углерода
  • Что такое наноэлектроника и как она работает
  • Наноантенны - устройство, применение, перспективы использования
  • Сверхтонкие многослойные солнечные элементы на основе наноструктурированных ...
  • История транзисторов
  • Что такое суперконденсаторы
  • Новые технологии. Токопроводящий пластик
  • Термоэлектрический материал с упорядоченно расположенными нанотрубками
  • Оптические транзисторы - будущее электроники
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки

    Инновации, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Алексей |

    Графен, атомарно тонкий двумерный углеродный наноматериал, вызвал огромный исследовательский интерес как в научных исследованиях, так и в технологических разработках благодаря своим исключительным электрическим, механическим и химическим свойствам. С момента открытия графена было приложено много усилий, чтобы изменить структуру графена для интеграции этого многообещающего материала в обширные приложения. Особое внимание уделяется последним достижениям в разработке производных графена, таких как оксид графена, пористый оксид графена, восстановленный оксид графена и квантовые точки графена.

      Комментарии:

    #2 написал: Даниил |

    Графен — это название нового материала на основе углерода. Он состоит из плоских молекул шириной в один атом углерода, относится к группе фуллеренов. Его можно использовать для создания атомарных тонких пленок. Один грамм такого материала можно разложить на площади до 2630 м2 (примерно половина футбольного поля!). Электропроводность графена в сто раз лучше, чем у кремния, поэтому его использование буквально означало бы революцию в производстве транзисторов и других компонентов. При использовании в электролитических конденсаторах значительно увеличивает площадь контакта с электролитом. Ультраконденсаторная технология на основе графена значительно улучшит срок службы, производительность и полезность аккумуляторов для мобильных телефонов, ноутбуков, электромобилей, поездов, трамваев и т. д. Считается, что она также может решить проблему накопления энергии от ветряных турбин.

      Комментарии:

    #3 написал: Андрей |

    Обычная солнечная панель имеет много проблем, таких как меньшая эффективность, требования к земле и т. д. Кремний играет большую роль в производстве фотоэлектрических панелей, но его стоимость немного высока, эффективность преобразования энергии меньше, прочность материала низкая, и важно то, что кремний не гибкий. Поэтому фотоэлектрической промышленности нужен один основной материал, который заменит кремний. Этот мастер материализует графен. Графен представляет собой однослойный (монослой) атомов углерода (одного аллотропа углерода). Это самый тонкий материал толщиной в один атом и прочнее стали. 2D материал и прозрачный, а также графема имеют высокие электрические свойства, высокую теплопроводность, низкое сопротивление. Таким образом, общая эффективность графеновой солнечной панели выше, чем у кремния или других обычных солнечных панелей. Графен является элементом на основе углерода, поэтому он является экологически чистым элементом. 

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.