«Фуллерены углеродные нанотрубки графен»

Вид материала

Документы

Содержание 3.5Применение графена 3.5.2Графеновая память 3.5.3Графен в сенсорных дисплеях 3.5.4Потенциальные области применения графена Список использованных источников

Подобный материал:

• Углеродные наноматериалы (Фуллерены, нанотрубки и материалы на их основе) симпозиум, 518.27kb.
• Е. В. Жариков Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, 258.98kb.
• С. М. Планкина «Углеродные нанотрубки», 175.71kb.
• Вступительный экзамен в магистратуру для специальности «5М074000 –наноматериалы и нанотехнологии», 74.37kb.
• N-01-tisncm-2 Паспорт совместного российско-американского проекта, 87.7kb.
• Аннотационный отчет за 2010 год по Программе II «Наноструктурные слои и покрытия: оборудование,, 461.05kb.
• Информационный бюллетень наноструктуры сверхпроводники фуллерены Том 8, выпуск, 324.75kb.
• 6-ая международная конференция, 47.17kb.
• Власов А. В., Литвинов В. В, 80.85kb.
• Информационный бюллетень наноструктуры сверхпроводники фуллерены Том 10, выпуск 13/14, 277.29kb.

3.5Применение графена

3.5.1Графеновые транзисторы

В конце 2008 года компания IBM объявила о разработке графенового полевого транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку, чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм.

Позднее сотрудники лабораторий, входящих в состав IBM, смогли получить графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц; позднее в лаборатории Калифорнийского университета был создан полевой транзистор с рабочей частотой 300 ГГц.

Главный недостаток (применительно к цифровой электронике и вычислительным системам) графена заключается в отсутствии у этого материала запрещенной зоны. Однако исследования сотрудников Калифорнийского университета в Беркли показали, что вполне возможно сформировать запрещенную зону в графене. Был создан полевой транзистор на основе двух слоев графена. Приложив электрическое поле, перпендикулярно плоскости слоев графена, формируют столь желанную запрещенную зону. У этого подхода есть свои плюсы и минусы. Основной недостаток – ширина запрещенной зоны составляет лишь четверть ширины запрещенной зоны кремниевых устройств. То есть, полноценной замены кремнию все равно нет, подобные транзисторы подойдет разве что для создания фотодетекторов или фотодиодов.

С другой стороны, исследователи обнаружили, что шириной запрещенной зоны можно управлять. А это позволяет создавать уникальные устройства оптоэлектроники, которые можно настраивать на работу с оптическим излучением нужной длины волны, либо фотоизлучатели, цвет излучения которых легко контролируется и изменяется.
Создание устройств на основе графена с запрещенной зоной расширяет спектр применения этого материала. Вполне возможно, что новые исследования позволят увеличить ширину запрещенной зоны, и тогда уже графен сможет конкурировать с кремнием.

Также ученые из университета штата Иллинойс обнаружили, что транзисторы, в которых используется графен, обладают интересным свойством. В них проявляется термоэлектрический эффект, приводящий к понижению температуры прибора. Исследователи использовали атомный силовой микроскоп как датчик температуры и провели первое измерение нагрева работающего графенового транзистора в нанометровом масштабе. Пространственное разрешение съёмки составило около 10 нанометров, а температурное разрешение — 250 милликельвинов.
Измерения показали удивительные явления в областях, где углерод соединялся с металлом. Исследователи обнаружили, что эффект термоэлектрического охлаждения в местах контакта графена и электродов может быть более сильным, чем резистивный нагрев. На деле это снижает температуру транзисторов.

Ранее не наблюдавшееся в графеновой электронике явление означает, что в перспективе подобные схемы можно будет уплотнять, не сталкиваясь с проблемой перегрева и обходясь сравнительно простыми системами отвода тепла.

Тем не менее, в интервью Custom PC в апреле 2011 года исследователь Ю-Минг Линь (Yu-Ming Lin), занимающийся в IBM работами в области графеновой микроэлектроники, пояснил, что в действительности графен не сможет сыграть роль кремния в цифровых вычислительных системах, во всяком случае, до тех пор, пока у графена не будет сформирована запрещенная зона достаточно большой ширины.

3.5.2Графеновая память

Работы исследователей Национального Университета Сингапура показывают, что графен можно использовать и в качестве основы для высокоскоростных устройств хранения информации.

Достоинствами графеновой памяти станут: высочайшая скорость передачи информации и гораздо более высокая плотность размещения данных, нежели достигается в случае привычной магнитной памяти, используемой сегодня в случае жестких дисков. В случае же магнитных дисков используется намагничивание доменов в одном из двух направлений, одно из которых выбрано за «единицу», а второе за «ноль». В случае памяти на основе графена используется изменение такой характеристики материала, как проводимость/сопротивление.

Изменение основного параметра памяти на основе графена осуществляется приложением магнитного поля, которое «переключает» материал из одного состояния в другое. Найден и достаточно «тонкий» инструмент, позволяющий осуществлять «включение/выключение» магнитного поля. Им является тонкий слой ферроэлектрика, осажденный сверху слоя графена. Ферроэлектрик имеет собственное магнитное поле, а прикладывая некоторое напряжение к нему, становится возможным изменение направления поля, что, в свою очередь, изменяет сопротивление графена.

Согласно отчетам исследователей, скорость чтения информации может быть увеличена в тридцать раз по сравнению с аналогичным параметром для магнитной памяти. Информационная емкость графеновой памяти в несколько раз выше, нежели для магнитной памяти. Сказывается тот факт, что размер «ячейки» магнитной памяти может быть уменьшен до 25 нм, тогда как размер ячейки памяти на основе графена будет составлять менее 10 нм.

Но несмотря на все научные достижения, пока проект по созданию графеновой памяти находится на ранней стадии. На данный момент исследователи манипулируют графеновыми листами размером около 2 микрометров, которые располагаются на кремниевой подложке. К слою графена подключаются два электрода, а сверху формируется слой ферроэлектрика. Но даже в случае такого, весьма грубого, устройства скорость передачи данных в пять раз выше аналогичного параметра для магнитной памяти. Нуждается в доработке и увеличение ресурса работы графеновой памяти – пока устройства способны выдержать около 100 тыс. циклов изменения проводимости. Для сравнения, современная память выдерживает более миллиона циклов записи/перезаписи.

3.5.3Графен в сенсорных дисплеях

В исследовательской группе Йонг-Хюн Ана (Jong-Hyun Ahn) и Бюнг Хи Хонга (Byung Hee Hong) из Университета Сунгкюнквона (Корея) вырастили слой графена на подложке из медной фольги с помощью химического осаждения паров (CVD), и внедрили графен в прозрачные электроды сенсорных дисплеев.

Нанесенный на поверхность меди графен с помощью ролика для разглаживания можно «приклеить» к адгезивной полимерной подложке, отделив таким образом двумерный кристалл углерода от металла. Графен, находящийся на полимере затем опять же с помощью ролика для разглаживания, может быть перенесен на окончательный субстрат-подложку для изготовления сенсорного дисплея – полиэтилентерефталат, а промежуточно применявшийся в качестве подложки полимер – удалить за счет нагревания. Повторяя этапы переноса графена с меди на полимер и с полимера на полиэтилентерефталат можно добавлять в систему очередные слои графена.

Новый подход позволил исследователям получить прямоугольный лист графена с диагональю 76 сантиметров. Графен был легирован действием азотной кислоты, в результате чего он получил способность действовать в качестве большого прозрачного электрода, что и было продемонстрировано при встраивании этого электрода в работающий сенсорный дисплей.

Обычно прозрачные электроды в сенсорных дисплеях изготавливают из смешанного оксида индия и олова. Исследователи отмечают, что электрод из графена отличается большей прозрачностью и более высокой прочностью, чем его олово-индиевые аналоги.

3.5.4Потенциальные области применения графена

• Замена углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников;
  
• Замена кремния в транзисторах;
  
• Внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности;
  
• Датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы;
  
• Оптоэлектроника;
  
• Предметные стекла для электронных микроскопов;
  
• Изготовление бинтов и пластырей из оксида графена;
  
• Прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов;
  
• Более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты;
  
• Улучшение проводимости материалов;
  
• Высокомощные высокочастотные электронные устройства;
  
• Использование в сенсорных экранах, в ЖКД (жидкокристаллические дисплеи).
  

Заключение

В данной работе были рассмотрены основные научные факты и разработки, связанные с аллотропными формами углерода.

Как легко убедиться из содержания реферата, уникальность представляют даже не столько свойства данных веществ, как, в общем случае, их сочетание. В качестве примера можно привести нашумевший в последние годы графен: он обладает структурой невероятной прочности, а также высочайшей степенью электропроводимости. Это сочетание делает графен весьма перспективным для использования в электронике.

Также постоянно совершаются новые открытия, связанные со свойствами тех или иных структур; примером может служить сравнительно недавнее открытие самоохлаждающей системы графеновых транзисторов, которое может радикальным образом решить проблему вентиляционных устройств для компьютеров, при, конечно, доработке данных транзисторов, достаточной для их запуска в производство.

Вполне естественны проблемы, возникающие с применением аллотропных форм углерода, т.к. они были открыты сравнительно недавно, и провести тщательный анализ одно время не позволяли методы их получения, при которых размеры структур оказывались слишком малы.

Однако исследования не стоят на месте, а интенсивно продвигаются вперед, и вполне возможно, что через несколько десятков лет, а, может быть, и раньше, проблемы будут устранены и темп разработок возрастет в несколько раз.

При таких темпах изучения и активного внедрения структур в различные сферы человеческой деятельности вовсе не исключено, что впоследствии ХХI век будет назван веком углерода.

Список использованных источников

1. А.Я. Борщевский, И.Н. Иоффе, Л.Н. Сидоров, С.И. Троянов, М.А.Юровская. Статья «Фуллерены», сайт «Нанометр», 2007 г. ссылка скрыта
   
2. Статья «Фуллерены», сайт «Органическая химия», 2010 г. ссылка скрыта
   
3. М.М.Левицкий, Д.А.Леменовский. Статья «Фуллерен», сайт «Xenoid v2.0», 2009 г. ссылка скрыта
   
4. Н.Семенишин. Статья «Фуллерены», сайт «Наука. Новости науки и техники». 2008 г. ссылка скрыта
   
5. Статья «О шунгите», сайт «Шунгит-омоложение», 2008 г. ссылка скрыта
   
6. Л.В.Кашкина, В.Б. Кашкин, Т.В. Рублева, О.А. Шикунова. Статья «Фуллерены – новая аллотропная форма углерода», сайт «Кафедра технической физики СГАУ», 1999 г. ссылка скрыта
   
7. Валентина Гаташ. Статья «Фуллерены – время больших ожиданий», сайт «Отдых в Карелии», 2007 г. ссылка скрыта
   
8. Статьи «Химия фуллеренов», «Методы исследования», сайт «Лаборатория термохимии химического факультета МГУ», 2007 г. ссылка скрыта
   
9. Н.А.Палии. Статья «Фуллерен. Серебряный юбилей», сайт «Нанометр», 2010 г. ссылка скрыта
   
10. О.В.Мосин. Статья «Нанотехнологии», сайт «Все о воде», 2008 г. ссылка скрыта
    
11. Статья «Mitsubishi использует фуллерены для создания тонкопленочных солнечных элементов», сайт «Wmdom.ru», 2009 г. ссылка скрыта
    
12. Статья «Углеродные нанотрубки», сайт «Carboneum», 2008 г. ссылка скрыта
    
13. Статья «О нетоксичности фуллеренов», сайт «Институт физиологически активных соединений», 2008 г. ссылка скрыта
    
14. Статья «Углеродные нанотрубки», сайт «Федеральный интернет-портал “Нанотехнологии и наноматериалы”», 2008 г. ссылка скрыта
    
15. Статья «Рынок углеродных нанотрубок стремительно растет», сайт «Российская национальная нанотехнологическая сеть», 2009 г. ссылка скрыта
    
16. Статья «Структуры, свойства и методы использования углеродных нанотрубок», сайт «Claw.ru», 2008 г. ссылка скрыта
    
17. Статья «Углеродные нанотрубки: виды и области применения», сайт «Cleandex», 2007 г. ссылка скрыта
    
18. Б.Булюбаш. Статья «“Токсичные” нанотехнологии», сайт «Вокруг света», 2008 г. ссылка скрыта
    
19. Статья «Золотая обшивка углеродных нанотрубок», сайт «Редколлегия журнала “Физикохимия поверхности и защита материалов”», 2009 г. ссылка скрыта
    
20. В.Юдинцев. Статья «Графен. Наноэлектроника стремительно набирает силы», сайт «Электроника НТБ», 2009 г. ссылка скрыта
    
21. А.Коняев. Статья «Цена плоского углерода», сайт «Lenta.ru», 2010 г. ссылка скрыта
    
22. Статья «Графен», сайт «Википедия», 2008 г. ссылка скрыта
    
23. Статья «IBM: Графен не заменит кремний в процессорах», сайт «IT-Day», 2011 г. ссылка скрыта
    
24. Статья «Получение графена», сайт «Википедия», 2008 г. ссылка скрыта
    
25. А.Самардак. Статья «Графен: новые технологии получения и последние достижения», сайт «Элементы», 2008 г. ссылка скрыта
    
26. Статья «Теплопроводность графена», сайт «NanoNewsNet», 2010 г. ссылка скрыта
    
27. Статья «Первый сенсорный экран из графена», сайт «Chemport.ru», 2010 г. ссылка скрыта
    
28. Статья «Графен ляжет в основу памяти нового поколения», сайт «3D News», 2009 г. ссылка скрыта
    
29. Статья «Самоохлаждение графеновых транзисторов», сайт «GizMod.ru», 2011 г. ссылка скрыта