.jpg)
Academia Română a fost creată în 1866 pentru a cristaliza cele mai înalte valori intelectuale din provinciile românești într-o societate erudită menită să consolideze identitatea națională pe baza a patru componente esențiale: limbă și literatură, istorie, etnografie și cultură. La...
Va fi înlocuită electronica pe siliciu cu electronica pe carbon?
Prezentul articol este o continuare a seriei incepute cu “Europa mizează pe tehnologiile generice esenţiale”, Market Watch, 15 aprilie – 15 mai 2012, pg. 36-37. În concepţia “Orizont 2020”, noul plan de cercetare, dezvoltare şi inovare al Uniunii Europene, competitivitatea industrială nu poate fi asigurată decât pe baza Tehnologiilor generice esenţiale (Key Enabling Technologies, KET). Vom încerca să ilustrăm faptul că aceste tehnologii (Nanotehnologia; Micro- şi nanoelectronica, incluzând semiconductorii; Biotehnologiile industriale; Fotonica; Materialele avansate; Tehnologiile avansate de fabricaţie) sunt strâns legate între ele, utilizând un exemplu spectaculos, cel al grafenei. Grafena este un material avansat, care ilustrează cel mai bine nanotehnologia, printr-un control la scară atomică a unor suprafeţe care ajung la scară macro. Acest material promite schimbări cu caracter revoluţionar în nanoelectronică şi în fotonică.
Siliciul şi carbonul: materiale înrudite
Carbonul formează cristale de diamant cu o structură a reţelei cristaline identică cu cea a siliciului (ambele elemente sunt tetravalente). Acest material (extrem de scump) este însă un izolant şi nu un semiconductor. Aici ne interesează însă o altă formă de cristalizare a carbonului, grafitul, care se găseşte în natură mult mai frecvent decât diamantul. Grafitul este format dintr-o “stivă” de straturi monoatomice de grafenă (un cristal de grafit de un milimetru grosime conţine un milion de straturi de grafenă). În interiorul stratului atomii sunt foarte strâns legaţi între ei într-o structură hexagonală (bazată pe o legătură chimică trivalentă). Aderenţa (coeziunea) dintre aceste straturi este foarte redusă, de aceea un creion lasă urme pe hârtie: mina sa este formată de grafit, care se exfoliază în momentul în care vârful creionului este târât pe suprafaţa hârtiei.
Primii care au reuşit să izoleze şi să studieze experimental stratul de grafenă au fost Andre Geim şi Konstantin Novoselov (premiul Nobel pentru Fizică din 2010). Ei au procedat la exfolierea repetată a grafitului utilizând... o panglică adezivă (scotch). Ingeniozitatea celor doi a constat în faptul că straturile obţinute prin exfoliere (la început multiatomice) au fost transferate pe “oxidul de siliciu” de pe suprafaţa siliciului, ceea ce a permis evidenţierea proprietăţilor optice. Diferenţele de culoare au permis în final identificarea unor “aşchii” de grafenă, strat monoatomic de atomi de carbon. Geim şi Novoselov au reuşit să construiască şi un tranzistor care exemplifică avantajele grafenei (Science, octombrie 2004). Mobilitatea electronilor (raportul dintre viteza şi câmpul electric aplicat) în stratul pur de grafenă este cu două ordine de mărime peste cea din siliciu, ceea ce a permis speculaţii legate de posibilitatea de a realiza tranzistoare mai mici şi mai rapide, depăşind „bariera” fizică în realizarea unor circuite electronice integrate mai performante, construite în prezent cu tehnologia nanoelectronică, bazată pe monocristalul de siliciu. În plus, grafena are şi o conductibilitate termică mult mai bună decât cea a siliciului, material în care complexitatea circuitelor este limitată şi de necesitatea eliminării puterii disipate.
Tranzistoarele cu grafenă şi aplicaţiile în electronică
Structura din Figura 1, în care tranzistorul cu grafenă reproduce în mare un MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field-Effect Transistor), este realizată în tehnologia siliciului, cu o “aşchie” de grafenă transportată şi depusă pe bioxidul de siliciu ce acoperă substratul de siliciu. Contactele de sursă şi drena, oxidul şi contactul de poartă (gate) etc. sunt depuse şi configurate cu tehnologii standard.
Tranzistorul cu grafenă din Fig. 1 nu poate fi blocat, ceea ce împiedică construcţia unor comutatoare electrice, care sunt circuitele de bază ale actualelor scheme digitale. Se pot folosi fâşii de grafenă de lăţime foarte îngustă (de pildă, 10 nanometri), dar mobilitatea electronilor scade. Artificiile care permit realizarea unor comutatoare fac până la urmă tehnologia neatractivă.
|
|
Cercetarea s-a reorientat spre electronica analogică. Tranzistorul din Figura 2 (realizat la IBM Center, N.Y.) foloseşte grafena crescută CVD pe o folie de cupru şi transferată pe substrat DLC (diamond-like carbon). S-a demonstrat că frecvenţa de tăiere este invers proporţională cu lungimea canalului, fiind de 155 GHz pentru lungimea minimă de 40 nm. S-a renunţat la grafena depusă direct pe bioxidul de siliciu (ca în figura 1) deoarece aceasta din urmă influenţează negativ mobilitatea electronilor şi induce o neuniformitate la nivelul plachetei. Grafena s-a depus pe DLC, crescut pe bioxidul de siliciu. Toate procesele sunt standard.
|
|
Fotonica şi optoelectronica bazată pe grafenă
Proprietăţile mecanice şi optice ale grafenei sunt încă mai interesante decât cele electronice. Grafena este cel mai subţire material creat vreodată, dar şi cel mai rezistent mecanic (de 100 de ori mai bun decat oţelul). Se poate deforma fără să îşi modifice proprietăţile. Este aproape complet transparent, dar complet impermeabil (nu poate fi penetrat nici de către cel mai mic atom, cel de heliu).
Grafena este o alternativă viabilă la materialele convenţionale folosite în optoelectronică, plasmonică şi nanofotonică. Fiind aproape transparentă pentru practic orice lungime de undă şi fiind flexibilă (putând fi îndoită), grafena este ideală pentru conductori/contacte transparente. Este de aşteptat ca primele aplicaţii comerciale ale grafenei să fie legate de electrozii transparenţi, după cum urmează: (a) lăsând lumina să treacă la ecranele tactile (touch screens); (b) colectând curentul dat de celulele solare, fără a împiedica trecerea luminii care generează acest curent; (c) injectând curent în LED-urile organice de putere (OLED), lăsând în acelaşi timp fotonii să părăsească dispozitivul. În momentul de faţă, electrozii transparenţi sunt realizati din ITO (indium tin oxide, oxid de indiu şi staniu). Dar indiul este material deficitar şi preţul său creşte, iar ITO este fragil şi ca urmare trebuie depus pe un substrat rigid (de pildă sticlă), ceea ce impiedică realizarea unor componente flexibile.
Grafena se comportă, practic, la fel la orice lungime de undă, absorbind aceeaşi fracţiune a luminii incidente (aproximativ 2,3%) în întregul spectru, de la ultraviolet la infraroşul îndepărtat. Aplicaţiile în domeniul teraherzilor sunt deosebit de interesante: radiaţia penetrează o mare varietate de materiale, dar este neionizantă, ceea ce este un avantaj major (imagistică medicală, dar şi controalele de securitate şi senzorii de mediu). Detecţia în domeniul teraherţilor se bazează pe rezonanţă plasmonică (electronii din grafenă rezonează la o frecvenţă care corespunde lungimii de undă a luminii incidente), dar se poate dezvolta o întreagă componentistică bazată pe grafenă, nu numai la recepţie, cât şi la emisie.
Perspective
Răspunsul la întrebarea din titlu: grafena nu va înlocui tehnologia siliciului, ci va creşte potenţialul acesteia. Există însă şi alte exemple de utilizare. Grafena poate înlocui polimerul semiconductor în “electronica flexibilă”. Ea este foarte atractivă pentru construcţia de supercapacitori, datorită raportului mare suprafaţă / volum al electrozilor. Deşi explorarea proprietăţilor grafenei şi dezvoltarea aplicaţiilor va lua decenii, primele utilizări în produse comerciale vor apărea foarte curând. În linii mari, se aşteaptă până în 2016 un progres substanţial în tehnologie (materiale şi procese), după care accentul se va pune pe componentistică, iar după 2020 “ştafeta” o va prelua integrarea în sisteme. Se prefigurează succesiv (printre altele) electronica şi optoelectronica flexibilă; truse medicale “de reparaţie”; imagistică în domeniul THz; circuite logice ultra-rapide de mică putere; sisteme logice de tip “spintronică”.
---
Parerea ta conteaza: 
UE accelerează inovarea. Ce face România?
