Графен - удивительный двумерный материал. Он представляет собой пленку углерода толщиной всего в один атом. Графен обладает массой полезных свойств - прочностью, тонкостью, гибкостью. Также он является отличным проводником тепла и электричества. Но теперь ученые нашли ему еще одно потрясающее применение. Оказывается, внося изменения в базовую структуру этого чудо-материала, можно формировать транзисторы размером в несколько атомов. Это свойство открывает возможности для создания самых маленьких и быстрых микрочипов в мире.
Атомарный транзистор
Команда Университета Сассекса экспериментировала с тем, как физическая деформация листов графена может менять их электронные и механические свойства. Этот метод называется стрейнтроникой (электроникой деформации). В рамках этого направления ученые исследуют физические эффекты, возникающие в результате механических деформаций в твердых телах. Оказывается, принципы стрейнтроники можно применять и в мире двумерных наноматериалов.
Эксперименты включали добавление к листам графена складок и морщин. Ученые сравнивают это с “оригами на наноуровне”. Команда обнаружила, что добавление структурных изгибов к полосам графена заставляет их вести себя как транзисторы. А из множества таких транзисторов можно формировать функциональные микрочипы, размер которых будет в сотни раз меньше современных.
“Вместо того, чтобы добавлять посторонние материалы в устройство, мы можем создавать структуры из графена и других 2D материалов, просто внося преднамеренные искривления в их структуру. Делая это, мы можем создать интеллектуальный электронный компонент, такой как транзистор или логический элемент”, - говорит ведущий автор исследования доктор Манодж Трипати.
Поскольку для создания графеновых чипов не требуется никаких дополнительных материалов, процесс их создания более экологичен и устойчив, чем современные технологии производства процессоров. Формировать “нано-оригами” можно при комнатной температуре, а значит, вся процедура потребляет намного меньше энергии.
Структурные изгибы, показанные на снимке как белые линии, изменяют электрические и механические свойства графеновых полос, превращая их в крошечные микрочипы
Преодоление предела технологии
Современная технология изготовления микрочипов практически достигла своего предела. Скорость совершенствования полупроводникового производства постоянно снижается. Так, в 1997 году процессоры изготавливались по 350-нанометровому техпроцессу, а в 1998 - уже по 250 нм. То есть, в микрочипах 1998 года размер одного транзистора был на целых 100 нанометров меньше, чем в микрочипах 1997 года.
На сегодняшний день актуальным техпроцессом считается 7 нм (и 5 нм в самых современных чипах Apple A14 и Apple M1). Ожидается, что в этом году Samsung начнет производить чипы по 3 нм техпроцессу. Однако на переход от 3-нанометровой продукции к 1,4-нанометровой потребуется гораздо больше времени. Лишь к 2029 году Intel планирует перейти на 1,4 нм техпроцесс.
Чем дальше развиваются технологии, тем сложнее уменьшать микрочипы. Но, похоже, графен позволит человечеству сделать большой скачок, перейдя от нанометров сразу к атомарному уровню производства.
“Использование этих наноматериалов сделает наши компьютерные чипы меньше и быстрее. Это невероятно важно, поскольку производители компьютеров сейчас находятся подходят к пределу того, что они могут сделать с традиционной полупроводниковой технологией. В конечном итоге это сделает наши компьютеры и телефоны в тысячи раз быстрее”, - говорит автор исследования Алан Далтон.
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
