Шинкура Лариса Михайлівна, Григоришин Петро Михайлович.

Україна, м. Чернівці, Буковинський державний медичний університет

Перспективні напрямки використання

графену і графану в мікроелектроніці.

Графен являє собою структуру з атомів вуглецю у вигляді листа товщиною в один атом і є самим стійким матеріалом у світі. Він має щільні ковалентні зв’язки, які розміщюються у двох вимірах і роблять можливим створення мембрани минимальної товщини. Графен є напівметалом, тому проводить електричний струм, але змінює провідність при зміні електростатичного поля.

Графенові листи легко отримати , якщо приклеїти клейку ленту до чистого графіту, після чого відклеїти її і знову приклеїти на підкладку з оксиду кремнію. При відриванні від підкладки на поверхні зберігаються залишки графіту від одного до десятка шарів товщиною, і, легко можна знайти участки одношарового графену.

Графен залишається стабільним і зберігає властивість проводити електричний струм, навіть якщо є у вигляді наночасток розміром декілька нанометрів (приблизно шириною в 50 атомів). Головною проблемою є те, що технології, яка дозволяє „нарізати” з графена елементи з точністю до одиниць нанометрів, не існує. З великим оптимізмом можна очікувати цього не раніше 2025 року [1].

Була створена сама тонка в світі мембрана, яка є непроникною для молекул газу. Багатошарова графенова мембрана може застосовуватися в різних областях в якості фільтрів і сенсорів. Така мембрана є надстійкою , герметичною і непроникною навіть для атомів гелію. У такої мембрани може бути множина використань. Вона може створювати особливий бар’єр, який дозволяє формувати зображення біологічних матеріалів крізь практично непомітну перешкоду і не розміщувати мікроскоп у вологому середовищі. Якщо зробити отвори визначеного діаметру в мембрані, можна спостерігати як проходять крізь неї одиничні атоми або іони. Це може бути штучним аналогом іонного каналу в біології або методом вимірювання властивостей атома по його дії на мембрану.

В недалекому майбутньому кремній може уступити місце графену. Кремнієві транзистори втрачають стабільність своїх властивостей при розмірах менше 10 нм, а графенові транзисторі можуть зберігати стабільність своїх властивостей при розмірах менше 1 нм.

Вченим вдалося розмістити на одній мікросхемі масиви із сотен графенових транзисторів, але до масового використання цих технологій ще далеко. Електрони проходять крізь графен, майже без опору, і створюючи малу кількість теплоти. Завдяки великій теплопровідності, графен здатний швидко розсіювати тепло. Теоретично, це і багато іншого дозволять графеновим транзисторам працювати на частотах в декілька терагерц, що в тисячу разів більше ніж зараз. Але на даний момент графен не здатний замінити собою кремнієві транзистори в мікропроцесорах, так як він не може міняти стан провідності на стан низької провідності, що є необхідним для сучасних транзисторів. Надати графену властивостей напівпровідників можна за рахунок розміщення вузьких полосок графена на підкладках з інших матеріалів. Наприклад ці полоски можна модифікувати за допомогою кисню [3].

Дослідникам вдалося отримати із графена та водню новий матеріал - графан. Про це повідомляється в прес-релізі на сайті Університету Манчестера, співробітники якого брали участь у роботі. Стаття вчених з'явилася в журналі Science. За словами дослідників, нове відкриття може знайти застосування при виробництві електроніки, а також допомогти в розвитку водневої енергетики.

Про те, що графен є хімічно активним (на відміну від спорідненого матеріалу графіту) вченим було відомо досить давно. Щоб отримати графан, дослідники поміщали графен у газоподібний водень і пропускали через газ електричний струм. У результаті молекули водню розпадалися на атоми, які приєднувалися до вихідного матеріалу.

Нагадаємо, що графен являє собою "лист", що складається з одного шару атомів вуглецю, які розташовуються у вершинах двовимірної гексагональної (тобто кожна комірка сітки являє собою шестикутник) сітки. Атоми водню приєднуються до атомів вуглецю по черзі: один зверху "листа", інший знизу, дещо деформуючи плоску структуру вихідного матеріалу.

На відміну від графена, що є провідником електричного струму, графан є діелектриком. На думку дослідників, дана властивість нового матеріалу потенційно може бути використана при виробництві надмініатюрних транзисторів, оскільки дозволяє вирішити одну з головних проблем розвитку графенової електроніки - складність створення провідних контурів.

Додавання атомів водню до графену дозволить отримувати на ньому регіони графану. Подібними регіонами діелектрика можна, наприклад, розділити лист вихідного матеріалу на безліч провідних смуг. Відзначимо, що раніше в якості одного з варіантів вирішення проблеми одержання провідних контурів та ж група дослідників пропонувала фізично нарізати графен смужками товщиною в кілька нанометрів і склеювати контури з них [2].

Окрім цього новий матеріал може знайти застосування у водневій енергетиці. Зокрема, міжнародна група дослідників встановила, що нагрівання графану приводить до вивільнення атомарного водню. Нагадаємо, що однією з основних проблем водневої енергетики є створення ефективних способів зберігання водню. Одним з найбільш перспективних напрямків досліджень є одержання матеріалів, здатних зберігати "паливо" у зв'язаному стані, в даному випадку у вигляді графану.

Література:

[1] - Трефилов В.И. Фуллерены - основа материалов будущего [Текст] /В.И. Трефилов. Киев: Изд-во АДЕФ -Украина, 201. - 148 с.

[2] - Abanin D. A., Levitov L. S. Quantized Transport in Graphene p-n Junctions in a Magnetic Field Science 3, 2007. - 64 lp,

[3] - Williams J. R. et. al. Quantum Hall Effect in a Gate-Controlled p-n Junction of Graphene Science 317, 2007. - 638 p.