Nobelova cena je v mnohých odboroch vedy to najprestížnejšie ocenenie, aké vedcom a ich výskumu možno udeliť.

PCR: Bude nástupcom kremíka zázračný grafén?

Nobelova cena je v mnohých odboroch vedy to najprestížnejšie ocenenie, aké vedcom a ich výskumu možno udeliť. V tomto roku bola Nobelova cena za fyziku udelená za objav a prelomový výskum materiálu nazvaného grafén, o ktorý sa postarali vedci ruského pôvodu André Geim a Konstantin Novoselov (v súčasnosti žijú a pracujú vo Veľkej Británii). Grafén je materiál s vlastnosťami, ktoré skutočne vyrážajú dych, a dôsledky pokroku na poli jeho výskumu môžu byť natoľko prelomové, že cena bola udelená neštandardne len niekoľko rokov po jeho objavení. Grafén môže nájsť uplatnenie v mnohých odboroch a nechýba medzi nimi ani svet informačných technológií. V súčasnosti sa grafén považuje za horúceho kandidáta na náhradu kremíka pri výrobe tranzistorov v procesoroch a oxidov kovov pri výrobe elektród v zobrazovacích zariadeniach. Čo vlastne grafén je a čím je taký výnimočný?

Grafén je podobne ako diamant alebo grafit ďalšia forma uhlíka. Na rozdiel od svojich ostatných uhlíkových súrodencov ho však tvorí iba jedna alebo dve vrstvy atómov usporiadaných do pravidelnej štruktúry šesťuholníkov (väzba sp2). Pripomína tak včelí plást alebo známe chovateľské pletivo. Rozmery jeho ôk sú však veľmi maličké a ani malé atómy rôznych plynov nimi neprejdú. Jeho unikátna vlastnosť je práve to, že pri šírke a dĺžke akoby vlastne nemal žiadnu výšku. Vzhľadom na to, že jeho výšku tvoria len rozmery atómov viazaných v dvoch smeroch, dá sa v podstate považovať (nech to znie akokoľvek neuveriteľne) za dvojrozmerný materiál. Aj keď sa obdobné štruktúry teoreticky skúmali už pred mnohými rokmi, vedci sa domnievali, že takéto materiály nemôžu v reálnom svete existovať. Dôvodom bol predpoklad, že pri dvojrozmernej kryštálovej mriežke by dochádzalo k silným tepelným kmitom, ktoré by viedli k premiestňovaniu atómov a zmene jeho jednoatómovej vrstvy do nanotrubíc a fulerénových štruktúr. Všetko sa však zmenilo v roku 2004 na univerzite v Manchestri vo Veľkej Británii, na ktorej sa už spomenutým vedcom podarilo lepivou páskou oddeliť takúto nepatrnú šupinku uhlíka a po rozpustení pásky získať prvý exemplár grafénu. Pri ďalšom výskume tohto materiálu sa objavilo množstvo jeho zaujímavých vlastností, pričom jedna z najzaujímavejších je tá, že v jednoatómovej vrstve sa pohybujú elektróny prakticky bez nárazov a v niektorých prípadoch dosahujú až takmer rýchlosť svetla. To môže priniesť v mnohých oblastiach skutočnú revolúciu. V žiadnom inom známom materiáli sa jednoducho nedokážu elektróny pohybovať tak rýchlo ako v graféne. Okrem mimoriadne dobrej elektrickej a tepelnej vodivosti grafén vyniká aj v pevnosti. Aj keď je vlastne najtenším známym materiálom, v prípade pevnosti v ťahu dokáže dvestonásobne prekonať oceľ. Inak povedané, keby ste z jednoatómových vrstvičiek grafénu poskladali plachtu hrubú ako ľudský vlas (80 až 100 μm), dokázala by pri napnutí odolať tlaku dvoch ton. Pre tieto často až fantastické vlastnosti grafénu nečudo, že sa jeho výskumu v súčasnosti venuje veľká pozornosť a pokroky v jeho výrobe a používaní sa stále zväčšujú

Prichádza éra uhlíkových počítačov?

Zatiaľ čo pri jednoatómovej vrstve je grafén extrémne rýchly vodič, v dvojatómovej podobe sa dá použiť ako superrýchly polovodič. Je teda pomerne jasné, že je vážnym kandidátom na výrazne zrýchlenie počítačov či už z hľadiska procesorov, alebo pamätí. Ako mnohí naši čitatelia vedia, súčasná výroba tranzistorov v procesoroch je založená na báze kremíka (pozri článok Stojí výroba tranzistorov na piesku? v PCR č. 8/2008). Kremík však má svoje technologické limity a zmenšovať veľkosť tranzistorov na dosiahnutie ich vyššej hustoty v rámci CPU, a teda vyššieho výkonu nemožno donekonečna. V priebehu posledného desaťročia sme sa dočkali posunutia zo 180 nm na súčasných 32 nm, pričom už začiatkom budúceho roka sa objavia prvé 22 nm procesory. V rokoch 2013 až 2014 budeme svedkami príchodu 16 nm výrobného procesu a v roku 2015 alebo 2016 sa dočkáme už zrejme 11-nanometrového. Ten sa však už považuje za poslednú hranicu kremíkovej výroby, pretože pri menších rozmeroch sa objavuje neželaná forma tunelovania a elektróny unikajú z miest, na ktorých sú potrebné. Naproti tomu grafén je z celkom iného súdka. Vďaka jeho extrémne malej výške a výbornej pohyblivosti elektrónov sa dá výrobný proces zmenšovať naďalej, pričom teoreticky môže pokoriť aj hranicu 1 nm. Atómy uhlíka sú od seba vzdialené 0,142 nm, takže pokiaľ sa celkom nezmení koncepcia počítačov a elektroniky, limity sveta, v ktorom žijeme, sa pohybujú na úrovni tranzistora zloženého len z malej hŕstky atómov niekde na úrovni 0,5 nm. Na druhej strane je však presun elektrónov v graféne oveľa rýchlejší ako v kremíku, čo by malo viesť k možnosti vytvorenia omnoho výkonnejších procesorov aj bez nutnosti zmenšenia výrobného procesu. Okrem toho grafén umožňuje aj vytvorenie tzv. jednoelektrónových tranzistorov. Pri nich sa na otváranie a zatváranie tranzistora používa práve iba jediný elektrón, čo znamená, že celkom nepatrná zmena napätia vyvolá veľkú zmenu v elektrickom prúde. Takéto tranzistory sú mimoriadne rýchle, no ich používanie bolo doteraz prakticky nemožné. Pri vyrobení z kremíka sa dajú udržať a používať len pri extrémne nízkych teplotách, pretože pri tých bežných oxidujú a rozpadajú sa. Grafénové tranzistory môžu byť, naopak, stabilné aj pri izbových teplotách.

Prvé pokusy s výrobou grafénových tranzistorov sa uskutočnili krátko po objavení tohto materiálu, teda už v roku 2004. Výskum rýchlo napredoval a v roku 2007 sa podarilo vyrobiť v laboratóriách už prvý jednoelektrónový tranzistor. Od sériovej výroby má, samozrejme, ešte veľmi ďaleko (nebol vyrobený priamo, ale len nepriamo zhotovením veľkého množstva potrebných grafénových štruktúr, kým jedna z nich „náhodne“ nedosiahla tie správne parametre). Jeden zo zádrhov výroby výkonných tranzistorov z grafénu je absencia prirodzeného zakázaného pásma (band gap) medzi valenčnou a vodivou vrstvou, teda miestom, kde sa nemôžu vyskytovať elektróny. Práve tento problém sa podarilo prednedávnom prekonať IBM. Začiatkom februára tohto roka táto spoločnosť potvrdila a ukázala exempláre prvých výkonných grafénových tranzistorov s frekvenciou 100 GHz (vyrobených 240 nm výrobným procesom). V priebehu šiestich rokov výskumu sa zároveň darí aj stále viac zjednodušovať a zlepšovať proces výroby. V počiatkoch svojej existencie bol grafén najdrahším materiálom na svete a vzorka s veľkosťou jedného štvorcového centimetra mala hodnotu okolo 100 miliónov dolárov. Prešlo však len pár rokov a dnes môžu vedci pripravovať obdobné vzorky za menej ako 100 eur. Pri objavení sa grafén „vyrábal“ postupným oddeľovaním šupiniek pomocou lepivej pásky, kde sa rovnomerná vzorka grafénu musela hľadať medzi „nepodarkami“ a najväčší vhodný exemplár nedosahoval väčšiu veľkosť, ako má bodka nad písmenom i. V prípade výroby tranzistorov z februára tohto roka sa v IBM použila výrobná technológia, pri ktorej sa grafén priamo „pestuje“ na podložke z medi a syntetizuje sa z karbidu uhlíka pri teplote 1100 °C. V praxi to vyzerá tak, že vo vákuu sa pri vysokej teplote rozloží metán na vodík a uhlík, pričom na povrchu medi sa usadí práve tenká grafénová škrupinka. Pri uplatnení veľkých zlepšení sa podarilo napríklad vedcom v Kórei vytvoriť týmto postupom rovnomerný grafén s dĺžkou až 76 cm. Na rozdiel od predchádzajúcich rokov sa tak darí grafén vyrábať v nielen dostatočnej kvalite, ale aj množstve (z hľadiska potreby na laboratórne pokusy), pričom sa môže používať aj na prvé výskumné vzorky čipov s niekoľkými desiatkami či stovkami tranzistorov. Aj keď tieto čipy majú ešte ďaleko od sériovej výroby (dnešné procesory ukrývajú v sebe viac ako miliardu tranzistorov), majú pre výskum v tejto oblasti obrovskú hodnotu. O tom, ako sa hranica rýchlo posúva, svedčí aj úspech výskumného tímu Kalifornskej univerzity v Los Angeles. V septembri tohto roka (iba 7 mesiacov po 100 GHz tranzistore IBM) predstavil zlepšenie a zjednodušenie výroby grafénových tranzistorov. Pri nej sa na grafén prikladajú doplnkové časti z kobaltu, hliníka a platiny (pozri obrázok), pričom sa využívajú podobné postupy ako pri výrobe tranzistorov MOSFET. Okrem zlepšenia výroby stúpli aj možnosti dosahovaných frekvencií, pričom hranica sa v súčasnosti posunula až na 300 GHz.

Kompletnú verziu článku nájdete v aktuálnom, decembrovom vydaní PC REVUE

Galéria k článku:

Zdroj: PCR Redakcia


Ohodnoťte článok:
 
 
 

24 hodín

týždeň

mesiac

Najnovšie články

Re­cen­zia: So­ny XPE­RIA M4 Aqua
Lákadlom nového modelu predstaveného na MWC je nielen jeho deklarovaná odolnosť proti vode a prachu, ale aj atraktívny, elegantný prémiový dizajn, interne nazývaný OmniBalance, ktorý sa Sony osvedčil vo vlajkovom modeli Xperia Z3. čítať »
 
Re­cen­zia: In­tel Com­pu­te Stick - po­čí­tač do vrec­ka
Kompletný počítač v puzdre o niečo väčšom ako bežný kľúč USB od Intelu je jeden z prvých predstaviteľov novej kategórie výpočtových zariadení. čítať »
 
PC RE­VUE vi­deo: Sam­sung Gear VR In­no­va­tor Edi­tion
Otestovali sme okuliare pre virtuálnu realitu využívajúce telefóny Samsung Galaxy S6 a S6 edge. čítať »
 
PowerI­SO
Dlho sme hľadali univerzálny nástroj, ktorý by zvládol všetky operácie s obrazmi CD, DVD alebo Blu-ray. čítať »
 
Aomei Par­ti­tion As­sis­tant Pro
Každý IT nadšenec iste už raz prišiel do styku s partíciami na diskoch a potrebou ich úpravy či opravy. čítať »
 
Vi­deo: Prih­lá­se­nie do inter­net ban­kin­gu od­tlač­kom prs­ta
UniCredit Bank pre svojich klientov pripravil zaujímavé novinky v mobilnom bankovníctve. Vďaka využitiu najnovších funkcií inteligentných telefónov sa do mobilných aplikácií Smart Banking a Smart kľúč môžu prihlásiť jednoduchým zosnímaním odtlačku prsta. čítať »
 
Re­cen­zia: Har­man/Kar­don OM­NI
Zvukový systém OMNI je na prvý pohľad ďalší z radu reproduktorov, ktoré majú bezdrôtový prenos a možnosť párovania medzi sebou. čítať »
 
Re­cen­zia: GoP­ro He­ro 4
Spoločnosť GoPro prišla koncom minulého roka s ďalšou generáciou obľúbeného modelu športovej kamery s označením Hero 4. čítať »
 
 
 
  Zdieľaj cez Facebook Zdieľaj cez Google+ Zdieľaj cez Twitter Zdieľaj cez LinkedIn Správy z RSS Správy na smartfóne Správy cez newsletter