Elektronika i technika jutra nie musi opierać się na krzemie. Dziś kierunki rozwoju w nowoczesnych technologiach coraz częściej wyznacza węgiel i jego nowo odkrywane formy.
Węgiel jest jednym z najbardziej fascynujących pierwiastków układu okresowego. W naturze odgrywa unikatową rolę – stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ tworzy wszystkie związki organiczne. W swoim chemicznym zachowaniu formuje wiele skomplikowanych struktur. Tworzy on bardzo różne odmiany krystalograficzne – niektóre znane już w starożytności, jak diament i grafit, niektóre zaś poznane niedawno, jak fulereny i nanorurki. Najnowszą z form węgla jest odkryty w 2004 r. grafen. Był on brakującym ogniwem wśród struktur węgla – długo poszukiwaną formą dwuwymiarową. Wcześniej znano formy trójwymiarowe – diament i grafit oraz jednowymiarowe nanorurki, formą zerowymiarową są fulereny.
Grafen jest szczególnym rodzajem grafitu, składającym się z pojedynczej warstwy atomów węgla. Należy do tej samej rodziny różnych postaci węgla, co fullereny i nanorurki. Wszystkie one wyróżniają się pożądanymi przez inżynierów właściwościami fizycznymi i chemicznymi - są bardzo wytrzymałe, mają minimalną rezystancję, świetnie przewodzą zarówno prąd elektryczny, jak i ciepło. To właśnie te cechy pozwalają budować bardzo szybkie i stabilne układy elektroniczne bazujące na tych strukturach węgla, zwłaszcza grafenie.
Grafenowe procesory
Pierwszym z przełomowych odkryć i możliwych zastosowań grafenu są procesory o kilkunastogigahercowych taktowaniach. Naukowcy z firmy IBM, pracujący w centrum badawczym im. T. J. Wastona, zaprezentowali w ostatnich miesiącach działanie grafenowych tranzystorów o taktowaniach rzędu GHz.
Tranzystory są podstawowym elementem każdego procesora. W elektronice tranzystor traktowany jest jak brama – może ona być zamknięta lub otwarta – odpowiada to cyfrom 1 i 0 w systemie binarnym. Wymiary pojedynczego, nowoczesnego tranzystora nie przekraczają dziś 45 nanometrów, czyli 45 miliardowych części metra. Szybszy procesor wymaga szybszych lub mniejszych tranzystorów, tak by zmieścić ich więcej w pojedynczym układzie. Przełomem są właśnie tranzystory grafenowe – jak udowodnili inżynierowie IBM, możliwe jest budowanie tranzystorów w skali atomowej.
Tranzystor grafenowy jaki powstał w laboratoriach IBM osiągnął częstotliwość 26 GHz – wszystko to w pojedynczym tranzystorze o wymiarze 150 nm. Dla porównania krzemowe procesory by osiągnąć taktowanie od 2 do 3GHz, korzystają z blisko 300 milionów tranzystorów w technologii 45nm lub 65nm.
Badania przeprowadzono w ramach programu CERA - Carbon Electronics for RF Applications, jego celem jest stworzenie urządzeń komunikacyjnych nowej generacji. Program ten wspierany jest finansowo przez DARPA, Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych.
Węglowe technologie
Wszystkie możliwości zastosowania grafenu i innych struktur węgla jak nanorurki i fulereny, są rezultatem ich unikatowych właściwości fizykochemicznych. Właściwości te można z powodzeniem, wykorzystać w elementach elektronicznych i elektrycznych – nowej generacji diodach, heterozłączach, fotorezystorach, urządzeniach fotowoltaicznych. Nowe możliwości zaistnieją także w zastosowaniach elektrochemicznych - ogniwach odwracalnych i nieodwracalnych, przy magazynowaniu wodoru, powstaną nowe reagenty chemiczne i katalizatory. Ważnym zastosowaniem są także czujniki nowej generacji, czy też elementy optyczne – wszystko o grubości pojedynczych atomów. Niezwykle małe elementy elektroniczne oparte na grafenie mogą posłużyć np. do stworzenia przezroczystych ekranów, czy elastycznych urządzeń.
ProcesorDziś struktury takie jak fulereny wykorzystywane są w produkcji układów mikroelektronicznych, płytek półprzewodnikowych, systemów klimatyzacyjnych samochodów, fotoogniw polimerowych. Dzięki nim nieustannie udoskonalane są nawet rakiety do tenisa i badmintona, oprawy okularów, podzespoły kolarskie, kije do gry w golfa, a nawet kremy kosmetyczne czy smary do ślizgów desek snowboardowych i kul do gry w kręgle.
Nanorurkowe pamięci
Kolejną rewolucję mogą przynieść nanorurki. Ostatnio naukowcy z Finlandii z węglowych nanorurek zbudowali przenośną pamięć masową Prędkość pracy urządzenia dorównuje kartom pamięci i pamięciom USB. Odczyt i kasowanie danych odbywa się w ciągu 100 nanosekund, czyli 100 000 razy szybciej, niż wcześniej wyprodukowane pamięci masowe z nanorurek. Fińskie urządzenie wytrzymuje ponad 10 000 cykli zapisu/kasowania.
- Pod względem prędkości i wytrzymałości, nasza pamięć jest tak dobra jak komercyjne dostępne kości flash - mówi Päivi Törmä z uniwersytetu w Helsinkach.
Do stworzenia układów wykorzystano tranzystory polowe z węglowych nanorurek. Zostały one umieszczone na krzemowym podłożu i odizolowane od niego za pomocą 20-nanometrowej warstwy tlenku hafnu. Kluczem do szybkiej pracy pamięci jest użycie tlenku hafnu. Na niego nałożono kilka kropel roztworu zawierającego nanorurki. Średnica każdej z nich ma od 1,2 do 1,5 nanometra, a długość od 100 do 360 nanometrów. Następnie za pomocą mikroskopu sił atomowych zidentyfikowano odpowiednio ułożone nanorurki, które połączono za pomocą palladu, tworząc w ten sposób dren i źródło. Rolę bramki pełni krzemowe podłoże. W końcu na warstwę nanorurek nałożono kolejną 20-nanometrową warstwę tlenku hafnu, tworząc izolację.
Dotychczas naukowcom dane na nanorurkowych układach pamięci udało się przechowywać przez około 42 godziny. Nie jest to czas długi - inżynierowie z uniwersytetu w Helsinkach starają się go wydłużyć. Uważają, że można tego dokonać poprzez dodanie warstwy tlenku pomiędzy bramkę a nanorurki.
Właściwości grafenu, fullerenów i nanorurek bez wątpienia pomogą w pokonaniu krzemu, który jest obecnie głównym elementem w zastosowaniach elektronicznych. To właśnie grafen stanowi most między klasyczną fizyką materiałową a elektrodynamiką kwantową, stwarzając nowe perspektywy dla „węglowej elektroniki”. Kres technologii krzemowej zbliża się więc nieuchronnie.
Przemysław Goławski
