Границы применимости

С выхода статьи Андрея Гейма и Константина Новоселова «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films» в журнале Science, благодаря которой им была присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года, прошло 15 лет. За это время процессоры прошли путь от 90-нанометрового технологического процесса до 7-нанометрового, уже практически достигнув своего предела производительности. Мир покрылся беспроводным доступом к интернету, успели смениться лидеры и аутсайдеры технологической гонки среди компаний. Даже модель общения между людьми за эти 15 лет успела измениться: сложно представить жизнь без мессенджеров и социальных сетей. Для человека 15 лет — немалая часть жизни. Но что такое 15 лет для совершенно нового типа материалов?

 

Наука и технологический мир устроены по-разному. Наука не может приносить прибыль здесь и сейчас, а бизнес должен. На научные изыскания редко выделяют такое финансирование, какое может потратить крупная компания, например, на строительство нового завода, считая, что эти вложения оправдаются за считанные месяцы. Научная деятельность финансируется в большинстве случаев из средств налогоплательщиков, поэтому финансовая пропасть между научно-исследовательской группой и крупной технологической компанией колоссальна.

Предсказывать развитие технологий по большому счету невозможно. Совсем недавно была масса статей в Science и Nature, где говорилось, что молекулярная электроника — это будущее. Можно будет сделать процессор, слив несколько химикатов, подождать — и молекулы сами пойдут в заранее известные места и сформируют электрическую цепь. Но дальше отдельных экспериментов дело так и не пошло. 

Нужно понимать, что внедрением новых технологий занимается бизнес. Но он не всегда заинтересован в этом, особенно если незадолго до этого инвестировал в другие технологии, пусть даже менее передовые. И так будет всегда: какие-то новации пойдут в массы, а чему-то по разным причинам не суждено уйти дальше лабораторных исследований.

Графен уже вышел в технологические приложения, но многие из них довольно экзотичны. Как и многие новые материалы, графен стал использоваться в композитах, на его основе создали часы за миллион евро, он используется для облегчения спорткаров и охлаждения смартфонов.

Вопрос в том, сколько времени потребуется, прежде чем на рынке появятся действительно интересные приложения, созданные на основе двумерных материалов. Например, уже можно получить лист графена большого размера, но для многих применений нужен очень качественный монокристаллический графен, и на данный момент ученые все еще работают над этим. Наконец, имеется потребность в интеграции двумерных материалов в существующие производственные системы. Так, создание графеновых устройств с химическим осаждением из газовой фазы (CVD-technology) уже удалось объединить с полупроводниковыми технологиями построения интегральных микросхем (CMOS). CVD-технология позволяет получать графен достаточно высокого качества для его применения в электронике.

 

Свет в конце тоннеля

«Некоторые люди считают, что эпоха графена уже подошла к концу. Причина, по которой они так говорят, заключается в том, что они не могут представить, какие устройства вы можете создать из графена. Так что я думаю, что это только начало», — полагает профессор материаловедения Кембриджского университета Маниш Чховалла.

Дмитрий Пономарев, заместитель директора Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН имени В. Г. Мокерова РАН, ведущий научный сотрудник МФТИ:

— Я думаю, что бум двумерных материалов через какое-то время стихнет. Реальная работа и медийные всплески не всегда идут рука об руку. Двумерные материалы очень разные, взять черный фосфор — он был известен с начала XX века. Но сейчас это один из самых популярных двумерных материалов. С ним много проблем, например, за несколько часов все его необычные характеристики стремительно падают. За три года его бдительного изучения появились разные решения, как этого избежать. Если раньше поиск решения занимал 20 лет, сейчас это будет уже 5–10 лет.

Приложения двумерных материалов будут связаны со смягчением последствий глобального потепления и изменения климата. Правительство Великобритании приняло решение, что к 2050 году экономика страны придет к нулевым выбросам углекислого газа. Идея заключается в том, что они перестанут вносить свой вклад в глобальное потепление. И для того, чтобы это произошло, должны появиться новые источники энергии: новые фотогальванические элементы, чистое производство водорода. 

Чистый газообразный водород чрезвычайно эффективен для сжигания и не образует углекислый газ. Но для получения водорода нужны каталитические материалы, лучшие из которых сейчас — это благородные металлы, такие как платина и иридий. Они очень дороги. Разумеется, индустрия не станет использовать тонны платины для производства водорода, потому что с экономической точки зрения это не имеет смысла. Идея заключается в том, что некоторые двумерные материалы могут эффективно генерировать водород без больших затрат. Например, с их помощью можно будет для получения водорода расщеплять воду. 

Сжигая любое ископаемое топливо, вы получаете выброс CO₂. Научившись улавливать двуокись углерода, можно преобразовать ее в другие соединения, такие как метанол, который может питать топливный элемент. Или в метан, который затем можно преобразовать обратно в водород. Существует своего рода замкнутый цикл с катализом, который вы можете сделать, при котором выбросов углерода вовне не происходит.

Маниш Чховалла размышляет: «Хотя графен очень интересен с научной точки зрения, я думаю, что его непосредственного применения стоит ждать через 25–30 лет. Впрочем, для некоторых двумерных материалов есть возможность скорого применения в электронике, катализе, накопителях энергии и тому подобном. Другая область перспективного применения двумерных материалов связана с биосенсорами и биосовместимыми электродами».

 

Графен графену рознь

Сегодня можно услышать о создании в том или ином институте или R&D-отделе технологической компании листа графена с размерами в десятки сантиметров. Однако такой графен не является монокристаллом. На границах двух монокристаллов в таком листе будут рассеиваться электроны, на них садятся грязь и примеси, из-за чего повышается чувствительность к окружающей среде. Такой графен хорош с маркетинговой точки зрения, но для реального применения в ряде случаев не подойдет. Подобные громкие события подливают масло в и так не гаснущее пламя скепсиса среди многих ученых и представителей индустрии по поводу применимости двумерных материалов в реальных устройствах.

Впрочем, такого подхода придерживаются отнюдь не все. Своим опытом делится профессор мезоскопической физики в департаменте микротехнологий и нанонаук Технического университета Чалмерс (Швеция), выпускник МФТИ Сергей Кубаткин: «Мы смотрим на двумерные материалы, которые по аналогии с графеном можем вырастить на монокристалле на больших площадях. Это большая технологическая задача, которая должна быть решена. Сейчас наш стандарт — 7х7 или 10х10 миллиметров. Но мы пробуем вырастить графен на подложке размером в 4 дюйма. Мы выращиваем монокристаллы графена. И это очень важно. Мы знаем, что если есть граница двух зерен, то она убьет квантовый эффект Холла. В хорошем двумерном кристалле все связи насыщены, и внешнему воздействию он практически не подвержен, если же что-то физически адсорбируется, то это легко удалить простым нагревом».

Двумерная электроника

Размер транзисторов в чипах, установленных в наших смартфонах и компьютерах, продолжает сокращаться, однако сегодня уже становится очевиден грядущий кризис кремниевой электроники. Техпроцесс создания новых элементов подходит к своему пределу: большая плотность упаковки транзисторов становится невозможна. Некоторые из существующих двумерных полупроводников можно будет внедрить в существующие процессы изготовления устройств, что позволит продолжать миниатюризацию электроники еще 20–25 лет.

[columns size=»2/3″ last=»false»]

Микроэлектронная промышленность очень активно инвестирует в существующие кремниевые технологии. Поэтому не стоит ожидать крутого перелома в этой сфере уже завтра. Инвестиции больших компаний, разрабатывающих микроэлектронику, в кремний сперва должны окупиться. В настоящее время кремний является наиболее изученным материалом в мире. И никто не собирается менять всю технологию, потому что графен делает компьютеры на 15 процентов быстрее. Однако двумерные материалы обладают такими удивительными свойствами, что произведенная через 25 лет электроника будет иметь мало общего с тем, какой она выпускается сегодня.

«Для выхода в индустрию нужен запрос на что-то принципиально новое. Например, когда открыли алюминий, ученые изучили его свойства, и они оказались по тем временам просто фантастическими. Это очень легкий и ковкий металл, хороший проводник. Однако вскоре он оказался не нужен производству. Алюминий, который казался чудо-материалом для того времени, в итоге ни для чего не использовался. Но затем появился новый рынок — авиация. И обнаружилось, что для авиации алюминий подходит как нельзя лучше. С графеном и другими двумерными материалами может произойти нечто подобное. Вероятно, они не заменят ничего, что сейчас действительно работает. Но в какой-то момент в индустрии может возникнуть такая совокупность требований к материалу, что именно графен окажется наилучшим вариантом. Я думаю, что очень важным фактором является стоимость, потому что сейчас графен еще не достаточно дешев в производстве», — делится мнением профессор Института материалов Арагона (Испания) Луис Мартин-Морено.

[/columns]

[columns size=»1/3″ last=»true»]

[/columns]

Фотоника

Прежде всего люди стали пробовать применить двумерные материалы при создании источников и приемников излучения. Передача информации, зашифрованной или нет, военное применение, системы двойного и гражданского назначения — все завязано на этих элементах. В области фотоники уже достигнут большой прогресс: фотоприемники и трансиверы, модуляторы, оптическая передача данных — в лабораторных условиях все эти элементы, основанные на двумерных материалах, уже продемонстрированы.

[columns size=»1/2″ last=»false»]«Мы производим образцы, которые состоят из различных 2D-материалов, но мы не делаем устройства, которые могли бы продавать людям или индустрии, это все еще научные инструменты, — рассказывает руководитель исследовательской группы в Каталонском институте нанонаук и нанотехнологий (Испания) Клаас-Ян Тиелрой. — Хотя в отдельных случаях мы довольно близки к производству реальных приборов: совсем недавно в кооперации с Баскским Исследовательским центром nanoGune и Каталонским Институтом исследования фотоники ICFO мы разработали терагерцевые фотоприемники — устройства, состоящие из графена, помещенного в капсулу из нитрида бора. В них есть металлические затворы и антенны, контакты. С их помощью можно измерять терагерцевое излучение с высокой чувствительностью, очень быстро и эффективно. Если сравнивать с другими фотодетекторами, работающими при комнатной температуре, то графеновые заметно лучше, чем большинство конкурентов, по чувствительности и значительно превосходят их по скорости».[/columns]

[columns size=»1/2″ last=»true»]

[/columns]

Сергей Кубаткин, профессор мезоскопической физики в департаменте микротехнологий и нанонаук Технического университета Чалмерс (Швеция), выпускник МФТИ:

— Мои занятия в Университете определяются не пользой, а моим научным интересом. Меня интересует объект, его необычные свойства. А потом, если эти необычные физические свойства разовьются в какое-то приложение, я буду очень счастлив. И я уже счастлив, потому что вижу, как наши абстрактные исследования низкоразмерных систем, которые начинались с идеи одномолекулярного транзистора, развились в прибор, основанный на абсолютно другом принципе. Он построен на эпитаксиальном графене и будет использоваться для калибровки резисторов и для построения электрического аналога килограмма.

 

Квантовая точность

Наша жизнь все больше зависит от электрических датчиков. Они установлены в автомобилях и самолетах, всевозможных гаджетах, они контролируют качество воздуха в наших домах, следят за нашим здоровьем. Эти датчики делают нашу жизнь комфортнее и безопаснее. Чаще всего подобные датчики отслеживают небольшие колебания сопротивления или измеряют небольшие электрические токи. Обеспечить их стабильную работу помогает калибровка.

Такая калибровка проводится при помощи прецизионного проволочного резистора, который периодически проверяется на соответствие стандарту квантового сопротивления Холла, что гарантирует значение сопротивления, определяемое комбинацией фундаментальных констант. Этот эффект заключается в том, что поперечное сопротивление двумерного газа электронов, помещенного при низкой температуре в сильное магнитное поле, квантуется в долях h/e², где h — постоянная Планка, а e — заряд электрона. Поскольку это сопротивление не зависит от материала, в резисторе, определяемом квантовым эффектом Холла, нет дрейфа величины сопротивления. Эти резисторы используются для лабораторной калибровки дрейфующих во времени проволочных резисторов, используемых, в свою очередь, для калибровки коммерческих датчиков

Технологические компании вынуждены раз в полгода возвращать свои эталонные проволочные резисторы в лабораторию, чтобы их снова прокалибровали. Потому что невыгодно заниматься этим самостоятельно. 

«Для того, чтобы это квантование получилось, надо приложить довольно высокие магнитные поля. А наш графен работает в очень широком диапазоне магнитных полей и прекрасно подходит для этой задачи. Мы измеряем поперечное напряжение около вольта. Через наш образец можно пропустить до 100 мА. Раньше при подобных измерениях пределом было 16 мА. До появления нашей разработки на проведение одной калибровки требовалось 10 тысяч литров гелия и 3 тысячи часов труда квалифицированных сотрудников. А сейчас можно провести калибровку вовсе без гелия за три дня. Наша система может быть использована в метрологическом институте, а может использоваться бизнесом для самостоятельных калибровок продукции», —объясняет Сергей Кубаткин.

 

Вселенная в 2D

Графен может использоваться и для болометрических измерений, при которых падающая мощность поглощается в графене. Это приводит к изменению температуры электронов, которая как раз измеряется. Малая теплоемкость электронов прекрасно подходит для создания эффективного детектора. 

«Мы смогли показать практическое действие прибора, который называется гетеродинный смеситель, в терагерцовых частотах. И работает он так. Когда мы посылаем две терагерцовых волны с близкими частотами, возникает биение, которое приводит к осцилляциям температуры в графене. Поскольку наш графен достаточно быстрый, чтобы отследить эти колебания мощности и температуры через свое сопротивление, мы можем измерить изменение сопротивления. И более того, тестовый прибор, основанный на графене, оказался быстрее и более чувствительным по сравнению с существующими болометрическими смесителями, которые используются, например, в спутниках, изучающих химическую композицию Вселенной. Это позволяет создавать приборы, которые могут построить астрономическое изображение в терагерцовом диапазоне. Таких еще пока не существует», — заключает Сергей Кубаткин.