A grafén az elektronikában ma és holnap
A Global Semiconductor Alliance csúcstalálkozóján kiderült, hogy az IP gyártók tétováztak a mikroelektronikai gyártási technológiák fejlesztésének további módjai miatt.
A visszaküldött termékeket nem szabad mindig az ártalmatlanításra küldeni. Sok alkatrészet többször is fel lehet használni, vagy a terméket a szükséges finomítás után újra értékesítheti. Ez nem csak a költségeket csökkenti, hanem további nyereséget is termel.
A környező világ felgyorsul, számos eszközzel, számos hálózati funkcióval, amelyek folyamatosan bővülnek. A marketingesek új nevet kaptak az új termékekért - "internetes anyagok".
A grafént széles körben hallották, de nem mindenki világosan tudja megérteni, hogy milyen anyagot és hogyan alkalmazzák a jelen pillanatban.
Ez a felülvizsgálat, amely nem ragaszkodik a gyorsan fejlődő téma átfogó jellegéhez, tájékoztatást nyújt ezen anyagról és alkalmazásának területeiről.
Az egyik atom vastagságú grafit réteg számos értékes tulajdonsággal rendelkezik: nagy stabilitással jellemezhető, beleértve és szobahőmérsékleten, valamint magas hőmérséklet és elektromos vezetőképesség. Az elektronok mobilitása a grafénben 10-20-szor magasabb, mint a gallium-arzénben. Ebből az anyagból létrehozhat olyan zsetont, amely alkalmas a terahertz frekvenciákon való munkavégzésre. Bár a grafit egyrétegűek ugyanolyan mobilitásúak, mint a nanocsövek szobahőmérsékleten, azonban általában évek óta kidolgozott, hagyományos síkbeli technológia alkalmazható rá. Ezenkívül a kétdimenziós szerkezet miatt a vezérlőáram egyszerűen növelhető a vezetőcsatorna szélességének megváltoztatásával.
Félvezető vezetése?
A grafén elektronika létrehozásánál még mindig sok akadály van, többek között. a nagyméretű grafénlemezek növekedésének lehetetlensége, a magas anyagköltség és a vezetőképességének ellenőrzésének nehézségei. Különösen a grafénből származó félvezetők előállítására szolgáló eljárások még mindig nem eléggé fejlettek - eddig a grafén és származékai csak vezető és szigetelőként ismertek.
A közelmúltban grafén alapú félvezető anyagot kaptak. amelyben az oxigénatomok a grafén hexagonális szerkezetében vannak beágyazva. A kutatók terve szerint a grafénoxid vákuumban való melegítésénél oxigént kell kibocsátani, és egy többrétegű grafént kell előállítani. Azonban, ahogy a hőmérséklet emelkedik, a szén- és oxigénatomok a grafénmonoxid rendezett szerkezetében helyezkednek el, amely természetes formában nem létezik.
A kutatók egy mono-
Korábban kiderült, egy másik érdekes tulajdonsága grafén, amely abban áll, hogy a döntő szerepet kialakulását grafén tulajdonságai az anyag, amelyen termesztik. Különösen, ha a hordozót, amelyen a növesztett szerkezetét aktiválja az oxigén, a kapott grafén lap lesz a tulajdonságait a félvezető, ha a hidrogén-- a fém tulajdonságait. „Változtatásával a kémiai összetétele a szubsztrát, tudjuk irányítani a természet a grafén, így ez a tulajdonságait egy félvezető vagy fém,” - mondta Sarozh Nyack (Saroj Nayak), professzor a Tanszék fizikai és csillagászati Rensselarskogo Polytechnic Institute.
A grafén jelenlegi ellenőrzése: a bór-nitrid képes a grafén mikroelektronika kulcsa
A grafén a világ legvékonyabb anyaga. Majdnem egyetlen alkalmazásának gátja ma az, hogy képtelen a grafén áramlásának szabályozására. Például eddig nem volt mód arra, hogy megállítsuk a grafén áramát: atomi szinten a kvantummechanika törvényei működnek, amelyek nagyon különböznek a makroszintű működéstől. A grafénrétegben lévő elektronok az akadályokon átnyúlnak (az úgynevezett alagúthatást, amelyet néhány elektronikus eszközben is használnak), és nem pattogó le nekik, mint a makrokozmoszban. Nemrégiben azt találták, hogy amikor egy bór-nitrid rétegre grafitréteget alkalmaznak, megjelenik egy új hatszög alakú struktúra, amely meghatározza a mintán áthaladó elektronok útját.
Ez a tény válhat az új típusú elektronikus készülékek létrehozásának kulcsa, amelyet kis méret és alacsony fogyasztás jellemez. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően nagyon nehéz szabályozni az elektronok terjedését a rétegen keresztül. A közelmúltban végzett vizsgálatok kimutatták, hogy amikor egy bór-nitrid filmje egy grafén rétegre kerül, bizonyos elektronokat csaphat be. Ez az első lépés a probléma megoldása felé.
A bór-nitridnek grafénszerű szerkezete van, de dielektrikum. A bór-nitrid filmek felhasználhatók a grafén elektromos tulajdonságainak javítására is. Megakadályozzák az elektrontöltet ingadozását.
A hexagonális szerkezet kialakulása a nitrid alkalmazásában
Ha megváltoztatja a kristályrácsok közötti szöget, az elektronok száma, amelyek nem tudnak áthaladni a rácson, megnőnek. A retenciós tényező a hatszögletű mintázat méretétől függ, amely akkor következik be, ha az egyik réteg szöge szögben van (hasonló hatás - moiré-minta megjelenése, amikor átfedő vonalstruktúrák). Valójában ez a rajz az elektromos potenciál térképe.
Jelenleg folyamatban van a különböző grafénstruktúrák tanulmányozása egy szkennelő alagútmikroszkóppal, amely lehetővé teszi egy superlattice kép kinyerését és méretének mérését. Ha a hatszögletű mintázat túl kicsi, a mintát elutasítják. A minták körülbelül 10-20% -a mutatja a kívánt hatást. Ha ez a folyamat automatizálható, grafén mikroelektronika jön létre.
A grafikon pszeudomágneses tulajdonságai
Az Arkansas Egyetem fizikusainak egy csoportja kissé eltérő módon vezeti a fejlődést. Javasolják az elektronok áramlásának szabályozását az anyag mechanikai igénybevételének megváltoztatásával.
Megfigyelték. hogy ha a grafénfilmre mechanikai erőt alkalmaznak, az elektromos tulajdonságai úgy változnak, mintha az anyagot mágneses mezőbe helyeznék. Ennek a tulajdonságnak a használatához meg kell tanulnod szabályozni a mechanikai igénybevételt.
Az Arkansas Egyetem kutatói a következő kísérletet folytatták. Grafén membránokat vékony négyzet alakú keretbe húztak, és egy grafikus felületet egy alagút mikroszkóppal vizsgáltak egyenáram segítségével. Egy pásztázó alagút mikroszkópban nagyon kis nagyságú elektromos áramot használnak felületi mentesség térkép készítéséhez. Annak érdekében, hogy az áramerősség állandó szinten maradjon a felszíni megkönnyítés során, egy ilyen típusú mikroszkóp megváltoztatja a feszültséget az alagútpróba csúcsán, amikor felfelé és lefelé mozog. Megemlítették, hogy a membrán alakja is megváltozott - a membrán meghajlott és megpróbált megközelíteni a szondát. A membrán alakja a szonda és a membrán közötti töltés függvényében változik. Az olajszintmérő feszültségének megváltoztatásával lehetőség van a membrán mechanikai igénybevételének szabályozására.
A szemcsék szabad állapota törékeny formában van, ami akadályozza azok alkalmazását az elektronikus készülékekben, mivel sok esetben csökken a drótháló vezetőképessége.
Ennek a tulajdonságnak a teljesebb megértése érdekében tanulmányozták a grafén membránokat tartalmazó elméleti rendszert. A tudósok összehasonlították a mechanikai feszültség értékét, és kiszámították a mérőmikroszkóp helyét a membránhoz viszonyítva. Kiderült, hogy a membrán és a szonda közötti kölcsönhatás a szonda helyétől függ. Ezekből az adatokból lehetséges egy pszeudo-mágneses mező kiszámítása egy adott feszültségre és mechanikai igénybevételre.
Annak a ténynek köszönhetően, hogy a membránt négyzetes keret határolja, a térerõsség pozitívból negatívvá változik. Nem oszcilláló mező létrehozásához háromszög alakú cellát kell létrehoznia. Talán ez lehetővé teszi számunkra, hogy megtaláljuk a módját a grafén pszeudomágneses tulajdonságainak szabályozására.
Alkalmazási példák
Jelenleg a grafén alkalmazás területén a következő fejlesztések zajlanak:
Nagyfrekvenciás tranzisztorok. Az elektronok mozgása a grafénben sokkal nagyobb, mint a szilícium, így a grafénből származó digitális elemek nagyobb működési gyakoriságot biztosítanak. Egyes vállalatok már bejelentettek sikert ezen a területen. Tehát az IBM tranzisztorai 26 GHz-es frekvencián működnek és körülbelül 240 nm-esek. Mivel a tranzisztor mérete és teljesítménye között fordított kapcsolat van, a működési frekvencia növekedése a méretének csökkentésével érhető el.
A tranzisztor szerkezete
Memória chipek. Az új típusú tárolóeszköz prototípusa csak 10 grafénatomból áll. A laboratóriumi vizsgálatok során az American University Rice James Tours professzor egy csoportja sikerült szilikonmodulokat létrehozni, amelyeken 10 atomi rétegben helyezték el a grafént. Ennek eredményeképpen a grafén réteg vastagsága körülbelül 5 nm volt. A kutatók szerint az új kísérleti modulokban az alapvető információ tároló cellák körülbelül 40-szer kisebbek a legfejlettebb 20 nm-es NAND memóriamodulokban használt sejteknél. Ez a technológia potenciálisan sokszor képes a memóriamodulok kapacitásának növelésére. Ezen túlmenően ezek a memóriaeszközök képesek ellenállni az erős sugárzásnak és akár 200 ° C-os hőmérsékletnek is, megőrizve az összes információt.
A fejlesztés másik előnye az energiafogyasztás soha nem látott energiahatékonyságában rejlik. Adattárolás esetén a memóriamodulok két alapállapotot használnak - semleges (kikapcsolva) és töltve (be). Annak érdekében, hogy a grafénmodulokban 1 bit információt kódoljon, egymilliószor kevesebb energiára van szükség, mint a szilícium chipek ugyanazon bitének kódolására.
Elektróda szuperkondenzátorokhoz. A grafénelektródák vezetőképessége meghaladja az 1700 S / m-t, míg az aktivált szénelektródák esetében mindössze 10-100 S / m. A nagy mechanikai szilárdságuk miatt az LSG elektródákat fel lehet használni szuperkapacitókhoz csatlakozó elemek vagy áramkollektorok nélkül, ami egyszerűsíti a tervezést és csökkenti a szuperkapacitók gyártási költségeit.
A lézergravírozott grafénelektródákkal gyártott eszközöket igen nagy energiasűrűség jellemzi különböző elektrolitokban, nagy teljesítménysűrűségben és ciklikus stabilitásban. Ráadásul ezek a szuperkompatibilis készülékek kiváló mechanikai terhelés mellett kiváló elektrokémiai tulajdonságokat biztosítanak, így nagy teljesítményű és rugalmas elektronikus eszközökben is alkalmazhatók.
Olcsó kijelzők hordozható eszközökhöz A grafit az ITO (indium-ón-oxid) helyett az OLED kijelzőkben található elektródákban használható. Először is, lehetővé teszi a kijelző költségének csökkentését, másrészt egyszerűsíti annak használatát a fém elemek használatának megállításával.
A grafika segítségével készített kijelző
Ezenkívül létrejött. hogy a grafén legfeljebb a fény 98% -át elfedi. Ez lényegesen magasabb, mint az ITO-ból származó legjobb anyagok továbbítása (82-85%). A grafén magas elektromos vezetőképességgel rendelkezik, amely lehetővé teszi, hogy átlátszó elektródákat hozzon létre, amelyek szabályozzák a polarizációt és a folyékony kristályok állapotát.
A kutatók egy másik csoportja a közelmúltban jött létre. hogy több réteg grafitot 300-400 ° C hőmérsékleten porított vas-klorid (FeCl3) jelenlétében melegítenek, ami a grafén és a vas-klorid rétegeinek átfedését eredményezi. A vas-kloridból származó elektronok növelik a töltőhordozók számát a grafén rétegekben, aminek következtében a réteg felületi ellenállása 8,8 ohm per négyzetmétre esik, és az anyag látható átlátszósága 84%. Az új anyag jó hosszú távú és hőmérsékleti stabilitást mutat és sokszor jobb tulajdonságokkal rendelkezik, mint az összehasonlítható ITO rétegek: ugyanolyan felületi ellenállás esetén az utóbbi átláthatósága mindössze 75%, ugyanolyan átláthatósággal, 40 ohm / négyzet ellenállással.
A kijelző rugalmasan átlátszó eszköze (nyomtatott díjjal rendelkező kijelző) lehetővé teszi új grafikon készítését.
Akkumulátorok hidrogénüzemanyaggal üzemelő autókhoz. Grafén filmek segítségével megnövelhető a szénatomok kötési energiája. Ez növeli a kapacitást, vagy csökkenti az elemek súlyát.
Érzékelők betegségek diagnosztizálására. Ezeknek az érzékelőknek a munkája azon a tényen alapul, hogy bizonyos betegségekre érzékeny molekulák a grafén rétegben lévő szénatomokhoz kapcsolódnak. Az érzékelő grafént, DNS-molekulákat és fluoreszcens molekulákat használ. A fluoreszkáló molekulák egyetlen DNS-sel kombinálódnak, ami viszont a grafénhez kötődik. Ha egy másik DNS-molekula kötődik a grafénréteghez kapcsolódó DNS-hez, és kialakul egy dupla DNS, amely szabadon halad át a grafénen, növelve a sugárzási szintet.
A sérült DNS-ek elismerésének alapelvei
Elektronikus áramkörök hűtése. A grafénre és a rézre alapozott újonnan létrehozott kompozit anyag a leghatékonyabb és legkedvezőbb hűtő elektronikai eszközöket jelentette. Az összetétel hővezető képessége 460 W / (m · K), míg rézben 380 W / (m · K).
Az összetett anyagot elektro-kémiai eljárással 200 μm vastagságú filmben hűtött felületen helyezik el. A réz-grafén hűtőbordák gyártására szolgáló berendezések újbóli felszerelésére már kidolgoztunk egy rendszert.
A könnyű súly elemei nagy tömegűek. A grafén hozzáadása az epoxi kompozithoz az elemek nagyobb fajlagos szilárdságát biztosítja, mivel a grafén szilárdan kötődik a polimer molekulákhoz.
Az alkotók azonban nem vették figyelembe, hogy a ruhák akkoriban a szénszálak és a grafén használatával készülnek, és teljesen másnak tűnnek. )