Perversmas elektronikoje dėl naujos medžiagos - grafeno

Turkija. Ankaros pakraštyje, ant kalvų, iškilęs prestižinis šalies Bilkento universitetas. Universiteto nanotechnologijų tyrimo centro metinis biudžetas – pusantro milijono eurų. Iš jų 180 tūkstančių eurų Europos mokslo fondas skiria finansuoti projektus tų mokslininkų, kurie tiria naująją medžiagą – grafeną. Tyrimai, nustatantys naujas grafeno ypatybes ir pritaikymo būdus – bene „karščiausia“ mokslo tema šiandien.

Su mokslininku Serkanu Butunu susitinkame nanotechnologijų tyrimo centro laboratorijoje – sako, kol kalbėsimės, jis galės nuo įvairių nano dydžio nešvarumų, dulkių, išvalyti medžiagos pavyzdžius. Serkanas Bilkento universitete rašo daktaro disertaciją. Jo tyrimo tikslas – galimybė panaudoti grafeną tobulinant puslaidininkius.

Šimtą kartų greičiau

Serkanas ima pieštuką ir brėžia riebią liniją ant popieriaus. „Viskas,“ – aiškina mokslininkas, – „tereikia specialiu įrankiu atskirti grafito sluoksnius ir turime grafeną.“

Naujoji medžiaga, atrasta prieš ketverius metus ir sulaukusi daug dėmesio mokslo pasaulyje, tėra vienas maždaug atomo storumo plokštuminis mišrių anglies atomų sluoksnis, arba, kaip sako Serkanas, tiesiog vienas grafito sluoksnis.

„Svarbiausia medžiagos savybė – greitis, kuriuo joje sklinda informacija. Puslaidininkiuose informaciją perneša mažiausiosios dalelės – elektronai. Grafeno elektronai kambario temperatūroje juda itin greitai,“ – unikaliausią grafeno savybę – greitesnį informacijos perdavimą – apibūdina mokslininkas.

„Šiandienos kompiuteriai, teoriškai, dirba 2–3 GHz greičiu. Jei kompiuterių procesorius gamintume iš grafeno, jie galėtų veikti bene šimtą kartų greičiau“, – įsitikinęs Serkanas.

Vis dėlto, nors ir vadinama stipriausia kada nors testuota medžiaga, anot Serkano, su grafenu dirbti laboratorijose nėra paprasta, mat jis – itin trapus, tad įprastinis, su kitomis nano-medžiagomis atliekamas procesas, tampa labai sudėtingas.

„Kai pirmą kartą gavome grafeno pavyzdžius, nieko apie jį nežinojome. Pamanėme: „Medžiaga pagaminta mažiausiai tūkstančio laipsnių ar net aukštesnėje temperatūroje, tad ji turėtų būti labai stabili.“ Paėmėme pavyzdį, gražiai jį išvalėme ir supratome, kad bevalydami nuplovėme visą grafeną“, - prisimena mokslininkas.

Procesas nevaldomas

Grafenas – reali alternatyva pakeisti šiuolaikinių elektroninių prietaisų pagrindą – silicį. Prieš metus kompanija IBM pristatė iki šiol greičiausiai sukurtą tranzistorių, kurio pagrindas – naujoji medžiaga.

Pagrindinė iš silicio pagamintų puslaidininkių problema, anot Serkano, prietaiso išskiriamas karštis. „Įprastinis kompiuterio procesorius išskiria maždaug 100 vatų energijos ir pats ima kaisti, be to, kai energija išspinduliuojama kitur, prarandamas informacijos perdavimo greitis“, – tvirtina mokslininkas.

Mikroprocesoriuje yra daugiau nei keturi tūkstančiai prieigos taškų, kuriais teka elektros energija, taip priimdama ir perduodama informaciją, pasakoja mokslininkas. Tačiau kai į prietaisą stengiamasi integruoti tiek daug prieigos taškų, jis didėja.

Įsivaizduokime: įprastiniame prietaise, labai mažoje erdvėje, yra milijonai tranzistorių. Norint visus juos sutalpinti į lustą, puslaidininkiai turi būti labai maži. Tačiau, anot Serkano, gamintojai priėjo ribą, kai mechaniniai prietaiso efektai sutrikdo patį procesą.

„Paprastai, kai siunti elektros srovę iš vieno taško į kitą, tikiesi, kad ji tekės laidais be jokio energijos praradimo. Žinoma, pasipriešinimas yra, bet metalai, manoma, turi labai mažą pasipriešinimą, tad jis neturėtų trukdyti procesui. Tačiau jei gamini mažus prietaisus, pasipriešinimo išvengti nepavyks – paties laido generuojama energija taip pat išaugs.“ – aiškina Serkanas.

„Be to, kai prietaisą sumažini, elektros energija, išleista iš vieno taško, netekės laidu taip, kaip nori, nes dėl mažo prietaiso dydžio elektronai juda nebe taip laisvai.“ Dėl to pagrindinė tokių prietaisų problema, Serkano įsitikinimu, yra ta, kad procesas tampa nebevaldomas: dėl išskiriamos papildomos energijos prietaisas ima kaisti, be to, mažėja informacijos perdavimo greitis.

Naujos kartos elektronikos prietaisai – su grafenu

Tranzistorių mažinimas tam, kad į prietaisą jų būtų galima sutalpinti kaip galima daugiau – ne išeitis, įsitikinęs mokslininkas. Jis tvirtina, kad tranzistorius gaminant iš grafeno, nereikėtų didinti jų skaičiaus.

„Išimkite silicį ir įdėkite grafeną. Tranzistorių skaičius toks pats, prietaiso dydis taip pat nepasikeitė, bet prietaisas veikia 100 kartų greičiau nei prieš tai“, - įsitikinęs Serkanas Butunas.

Iššūkių neišvengia

Nors teoriškai grafeno pagrindu pagaminti puslaidininkiai, atrodo, veiktų efektyviau, mokslininkai, grafeną bandantys pritaikyti praktiškai, vis dar susiduria su sunkumais.

Kompiuterio veikimas, anot Serkano, paremtas nuliukais ir vienetukais. Tranzistorius turi 3 įvesties kanalus: A ir B ir „vartų“ kanalą viršuje. Priklausomai nuo to, kaip per „vartų“ kanalą teka elektros srovė, A ir B kanalas yra arba įjungtas, arba išjungtas. Jei kanalas išjungtas – tai vienetukas, jei įjungtas – nuliukas.

„Realiame pasaulyje“, – aiškina grafeną tyrinėjantis mokslininkas, – „iš tiesų tai nėra vienetukai ir nuliukai. Tai – 5 voltai ir ne visai nulis, bet labai mažai. Mums itin svarbus santykis tarp „įjungta“ ir „išjungta“, nes paprastai grafenas yra labai laidi medžiaga, tad visiškai „išjungti“ kanalą iš grafeno pagamintame prietaise yra labai sunku.“

Dabar kasdienė Serkano užduotis – matuoti elektros srovės stiprumą tarp „įjungta“ ir „išjungta“ padėčių ir sugalvoti, kaip grafeną tam tikrose situacijose padaryti visiškai nelaidų.

Futuristinės idėjos?

„Iš grafeno pagaminti lustai – fantastinė idėja. Iš tiesų, negaliu pasakyti, ar kada tokie įrenginiai bus plačiai naudojami paprastų žmonių“, – prisipažįsta Serkanas.

Bet mokslininkas nepraranda vilties: jei pasirodytų, kad iš grafeno pagaminti viso lusto niekada nepavyks, technologiją galima pritaikyti gaminant laidelius. „Juk laidai irgi sukuria pasipriešinimą ir išskiria šilumą, tad juos gaminti iš grafeno – gera idėja,“ – įsitikinęs Serkanas. Be to, tyrinėtojo manymu, tai – realesnė ir greičiau įgyvendinama technologija.