GRAFEN. Zázračný. materiál. Žádný materiál na světě není tak lehký, pevný a propustný,

Transkript

1 VLASTNOSTI GRAFENU TLOUŠŤKA: Při tloušťc 0,34 nanomtru j grafn milionkrát tnčí nž list papíru. HMOTNOST: Grafn j xtrémně lhký. Kilomtr čtvrčný tohoto matriálu váží jn 757 gramů. PEVNOST: V směru vrstvy j grafn stjně pvný jako diamant. PRŮSVITNOST: Grafn j průhldnější nž sklo pohlcuj pouz 2,3 procnta procházjícího světla. ELEKTRICKÁ VODIVOST: Miliardkrát vyšší nž u obohacného křmíku používaného při výrobě počítačových procsorů. Zázračný matriál GRAFEN Pomocí sítě atomů uhlíku budou počítač pracovat rychlji. Grafn s bud brzy používat v řadě komponnt. MARKUS MANDAU Zabývá s výkonnostními limity současných počítačů. Věří, ž pokud by grafnová tchnologi fungovala, mohla by výrazně posunout výkon současné PC tchnologi. Žádný matriál na světě nní tak lhký, pvný a propustný, a přsto tak ohbný jako tn, ktrý běžně najdm na konci obyčjné tužky. Tuha j vyrobna z grafitu, tdy uhlíku v krystalické podobě. Při psaní s třním přnášjí jdnotlivé atomové vrstvy tuhy z špičky tužky na list papíru. Pokud s na papíru zachytí pouz vrstva o tloušťc jdnoho atomu uhlíku, vzniká vrstva grafnu. Grafn j xtrémně stabilní a zárovň vlic ohbný matriál. Stjně dobř, možná dokonc jště lép nž kovy dokáž vodit tplo i lktřinu a přitom propouští světlo lép nž sklo. Elktrony s grafnm pohybují téměř stokrát rychlji nž křmíkm, ktrý j dns základním matriálm pro výrobu polovodičů. Využití grafnu by přinslo ohromné zvýšní výkonu počítačových čipů. Grafn byl objvn přd dvíti lty. Fyzikové Andr Gim a Konstantin Novoslov odbírali za pomoci lpicí pásky postupně jdnotlivé vrstvy grafitu, dokud jim nzbyla posldní vrstva o tloušťc jdiného atomu. Za objv grafnu dostali v roc 2010 Noblovu cnu. Kvality grafnu jsou známé, otázkou zůstává, k čmu všmu by bylo možné tnto zázračný matriál využít. Odpověď na tuto otázku má pro Evropskou unii hodnotu miliardy ur. Přsně tolik pněz totiž hodlá EU běhm příštích dsti lt vložit do podpory výzkumných projktů souvisjících s využitím grafnu. Zkoumání vlastností a možností grafnu s však nvěnují pouz státy, al i vlké IT firmy, jako jsou Nokia nbo Samsung. Sotva přdstavitlný tchnologický skok Přdstava 100GHz procsoru nbo batrií, ktré by bylo možné dobít běhm několika skund, samozřjmě láká vědc i invstory po clém světě. Využít ohromný potnciál, ktrý díky svým vlastnostm grafn skrývá, al nní tak jdnoduché. Tnto matriál totiž vd lktrický proud příliš dobř na to, aby jj bylo možné použít na výrobu tranzistorů v podobě, v jaké j znám dns, takž by musla být jjich architktura pozměněna. Jdnoduššího využití s grafn můž dočkat při vývoji displjů, batrií, solárních buněk a dokonc sluchátk. Na násldujících stránkách vám ukážm řadu projktů, v ktrých hraj grafn hlavní roli. AUTOR@CHIP.CZ 42 08/2013 CHIP.CZ

2 VLASTNOSTI: Extrémně vodivý a odolný Elktrony probíhají grafnm mnohm rychlji nž křmíkm. Tnto matriál j navíc odolný, ohbný a propustný. Tajmství grafnu nám osvětlí jdiný pohld na jho atomovou strukturu. Síť šstihranných atomů uhlíku j vytvořna tak, ž tři z čtyř vnějších lktronů tvoří vazbu s okolními atomy uhlíku. Posldní, čtvrtý lktron s nachází na orbitu a j umístěn kolmo na plástv uhlíkové struktury. Svazky tří valnčních lktronů tvoří síť uhlíkových atomů a čtvrtý volný lktron dokáž vést lktrickou nrgii nbo tplo. Díky pvným vazbám mzi atomy uhlíku j vrstva grafnu stjně pvná jako diamant a lz ji poškodit pouz po vyvinutí vlic značné síly. Struktura sítě atomů grafnu j al zárovň dostatčně pružná a dokáž s roztáhnout až o 20 procnt. Konstantin Novoslov, ktrý za objv grafnu získal spolu s Andr Gimm Noblovu cnu, dál zjistil, ž za pomoci určitých katalyzátorů (palladium, nikl) a dostatčného množství náhradních uhlíkových atomů s poškozná struktura sítě grafnu dokáž sama opravit. Z hldiska vývoj počítačových tchnologií j zajímavý hlavně čtvrtý volný lktron, protož grafn má jdnu zajímavou vlastnost, a to ž nrgtická hladina lktronů, ktré s volně pohybují grafnm, a nrgtická hladina čtvrtého vnějšího lktronu s přkrývají. Díky tomu s skrz strukturu grafnu pohybují lktrony větší rychlostí a téměř bz odporu. Grafnové tranzistory, ktré by mohly tvořit základ budoucích procsorů, by mohly pracovat s vyšším kmitočtm nž tranzistory křmíkové, a přsto by s nijak nzahřívaly. Spolčnost IBM vyvinula v roc 2010 tranzistor, ktrý pracuj s kmitočtm 100 GHz. Obtíž s sériovou výrobou Vškré přísliby masového využití grafnu stojí a padají s možností hromadné výroby, ktrá zajistí jho cnovou dostupnost. V současnosti xistuj několik st patntovaných způsobů výroby grafnu, zmíním al pouz tři njznámější. Prvním j tzv. xfoliac, běhm ktré s z grafitu odštěpují vločky grafnu o délc jdnoho milimtru. Výtěžky tohoto procsu stačí pro výzkumné účly, al n pro sériovou výrobu. Grafn lz dál vyrábět rdukcí karbidu křmíku, tdy postupm, při ktrém s odpařuj křmík při tplotě okolo C, přičmž na povrchu vzniká vrstva uhlíku. Pokud s tato vrstva dostan do styku s plynm obsahujícím uhlík, tn s usadí v mzrách po křmíku. Touto mtodou s vyrábí wafry o průměru 50 mm, ktré obsahují vrstvu grafnu a podkladovou vrstvu z karbidu křmíku. Tyto wafry lz využít i pro výrobu tranzistorů, al povrch, na ktrém j grafn umístěn, zpomaluj tok lktronů. Pohyblivost lktronů v grafnu na takovém nosném povrchu j na úrovni cm 2 /Vs, což j sic víc nž u dopovaného křmíku (1 400 cm 2 /Vs), al mnohm méně, nž j tortický limit grafnu ( cm 2 /Vs). Při výrobě pomocí dpozic chmickým odpařováním (tdy tzv. CVD, Chmical Vapor Dposition) vzniká matriál s pohyblivostí lktronů cm 2 /Vs. Při výrobě mtodou CVD dochází k tvorbě grafnu rozkladm plynu obsahujícího uhlík na měděném povrchu při tplotě 900 C. Jlikož měď al nní vhodným nosným matriálm, j nutné ji odstranit a grafnovou vrstvu přmístit na křmíkový substrát. Mtoda CVD s zatím jví jako njlpší varianta pro sériovou výrobu. 08/2013 CHIP.CZ OD GRAFITU KE GRAFENU Grafn získám oddělním jdné atomové vrstvy z tak běžného matriálu, jako j grafit 1. Pod lktronovým mikroskopm 2 vidím pravidlnou šstiúhlnou strukturu grafnu. 1 SÍŤ ATOMŮ UHLÍKU V struktuř grafnu jsou tři vnější lktrony atomu uhlíku spojny s sousdícími atomy uhlíku, čtvrtý lktron zůstává nvázaný. Díky třm lktronovým vrstvám j grafn pvný a čtvrtý lktron zajišťuj jho vodivost. JÁDRO ATOMU ELEKTRON STRUKTURA GRAFENU SE DOKÁŽE SAMA OPRAVIT Na Manchstrské univrzitě zjistili, ž poškozná struktura grafnu s dokáž za pomoci katalyzátoru sama opravit. K opravě j třba jn doplnit potřbné množství náhradních atomů uhlíku. Grafn j stál poměrně drahý matriál. Čtyři malé dstičky grafnu umístěné na křmíkovém substrátu přijdou v intrntovém obchodě graphna.com na téměř 250 ur. 2 ATOM 43

3 TVORBA ZAKÁZANÉHO PÁSU U GRAFENU Křmíkové tranzistory pracují pouz thdy, pokud s lktrony nachází v vodivostním pásu. Pro přchod z valnčního pásu do vodivostního musí přkonat bariéru tzv. zakázaného pásu. Grafn zakázaný pás nmá, takž tranzistor s nustál nachází v spnutém stavu. ENERGIE KŘEMÍK Křmíkový tranzistor j spnutý, pokud jím prochází lktrický proud 1. V takovém případě s v substrátu otvírá kanál, ktrým protékají lktrony od mitoru do kolktoru 2. IZOLAČNÍ VRSTVA 1,1 V VALENČNÍ PÁS GRAFEN VODIVOSTNÍ PÁS ROZDÍL MEZI KŘEMÍKOVÝM A GRAFENOVÝM TRANZISTOREM 1 IONTY HELIA 2 BRÁNA OXID HRADLA Grafnový tranzistor potřbuj k spnutí dvě hradla. Struktura grafnových vazb j navíc narušna ostřlováním ionty hlia, díky ktrému vzniká zakázaný pás. GRAFENOVÁ PÁSKA 0,5 V Řšní: Zakázaný pás u grafnu lz podl zjištění vědců z Manchstrské univrzity vytvořit jho zvlněním do podoby tzv. grafnové pásky (Grafn Nano Ribbon, GNR). HRADLA TRANZISTORY: Grafnová architktura Přchod z křmíkových na grafnové tranzistory nbud snadný bud nutné poněkud změnit strukturu tranzistoru. Tranzistory jsou základními součástkami počítačů, protož každý z těchto miniaturních obvodů rprzntuj jdn bit. Dns jsou vyráběny z polovodivého křmíku, ktrý obsahuj čtyři valnční lktrony, jž jsou všchny propojny vazbami s sousdními atomy. Na rozdíl od grafnu s v něm nnachází volný lktron. Kanál křmíkového tranzistoru s otvírá poté, co j do tranzistoru přivdn proud a lktrony s v něm pohybují od mitoru (sourc) k kolktoru (drain), přičmž křmík tranzistoru j obohacn o atomy jiných prvků. Emitor a kolktor jsou například tzv. n-dopované a jsou do nich přidávány třba atomy arznu s pěti vnějšími lktrony. Přidáním atomů arznu k atomům křmíku dochází k obohacní o jdn volný lktron. Kanál tranzistoru j na druhou stranu p-dopovaný například bórm, ktrý má pouz tři vnější lktrony, to znamná, ž v své struktuř má volnou díru pro jdn lktron. Pohyb lktronů j vyvolán lktrickým proudm, jhož síla závisí na úrovni dopování použitého matriálu. Křmík má šířku zakázaného pásu 1,1 lktronvoltu (V), což j hodnota udávající množství nrgi potřbné k uvolnění vnějšího valnčního lktronu z valnčního pásu do pásu vodivostního. Tranzistor propouští lktrickou nrgii pouz pokud s nachází v vodivostním pásu a lktrony prochází od mitoru k kolktoru. Oproti tomu grafn nmá zakázaný pás a jho lktrony s nustál nachází v vodivostním pásu. Grafnový tranzistor j nustál vodivý, a to pokud do něj npřichází proud. Rformovaný grafn s stává polovodičm Aby bylo možné z grafnu vyrábět tranzistory, musí tnto matriál obsahovat zakázané pásmo lktronů. Výzkumníci upravili grafn pomocí tchnologi karbidu křmíku tak, ž obsahuj tzv. nanopásma. Úpravou grafnu do vlnovité podoby dosáhli vytvořní zakázaného pásma o šířc 0,5 V. Japonští vědci jsou jště o krok dál. Pomocí mtody CVD dokázali vyrobit grafnový tranzistor o rozměru 30 nm. Tato vlikost již odpovídá tchnologii 22nm tranzistorů Intl Tri-Gat. Japonský tranzistor používá s ohldm na omznou šířku zakázaného pásma k řízní průchodu lktronů dvě brány. Ty jsou vytvořny za pomoci ostřlování grafnu ionty hlia, ktré má za násldk narušní pravidlné struktury atomů grafnu. Japonský výzkum s nyní zaměřuj na možnost výroby grafnových wafrů obsahujících tyto tranzistory a v současnosti zkoumá použitlné tchnologi, ktré by dokázaly zajistit jjich dostatčně fktivní a konomickou výrobu. Možná al bud nutné při vývoji idálního grafnového tranzistoru opustit tradiční schéma této základní počítačové součástky. Výsldkm projktu Manchstrské univrzity j koncpt dvou grafnových vrstv vyrobných mtodou CVD, jž jsou oddělny vrstvou disulfidu wolframu (WS2), ktrá vytváří zakázané pásmo o šířc 2,1 V, jímž procházjí lktrony obou vrstv grafnu /2013 CHIP.CZ

4 PLACENÁ INZERCE

5 RYCHLÉ FLASHOVÉ BUŇKY S DLOUHOU VÝDRŽÍ Švýcarští vědci postavili flashovou buňku, ktrá dokáž uchovávat informac v plovoucí bráně vyrobné z grafnu. Díky kanálu z molybdnitu j rychljší a nrgticky výhodnější nž současné flashové buňky. IZOLAČNÍ VRSTVA PLÁNY BUDOUCÍHO VÝVOJE Tým fyziků, ktří úzc spolupracují s nositlm Noblovy cny Konstantinm Novoslovm, přdpokládá, ž první produkty z grafnu přijdou na trh již v dohldné době. Njprv jj najdm v displjích, poté v vysokofrkvnčních tranzistorch určných pro bzdrátovou komunikaci, a za nějakých dst lt bychom s mohli dočkat prvního grafnového procsoru s frkvncí okolo 100 GHz. DOTYKOVÉ DISPLEJE OHEBNÝ E-INK DISPLEJ OHEBNÝ OLED DISPLEJ SVĚTELNÝ SENZOR VYSOKO- FREKVENČNÍ TRANZISTOR LOGICKÝ TRANZISTOR (CPU) OVLÁDACÍ HRADLO DETEKTOR THZ ZÁŘENÍ GENERÁTOR THZ ZÁŘENÍ OXID HRADLA PLOVOUCÍ BRÁNA (MOLYBDENIT) OHYBNÉ DISPLEJE, DOKONALÁ SLUCHÁTKA Dokonalé vlastnosti grafnu lz využít i v počítačových prifriích. Díky průhldnosti a ohbnosti j idální pro výrobu ohbných displjů 1. Grafnové mmbrány mohou přinést dokonalou zvukovou rprodukci i do malých sluchátk VYUŽITÍ: Paměti, batri, displj Grafn má potnciál změnit clou řadu počítačových komponnt. Pravděpodobně al bud njprv využit v displjích. Vytvořní grafnového tranzistoru j prvním krokm k použití grafnu jak v modulch krátkodobé paměti, tak v flashových buňkách, ktré umožní dlouhodobý záznam dat. Flashová buňka pracuj jako tranzistor, takž j-li do ní přiváděn proud, lktrony cstují od mitoru do kolktoru. Jdiným rozdílm j, ž mzi ovládacím hradlm a kanálm j umístěna plovoucí brána. Paměťovou funkci vykonává plovoucí brána, protož jjí bitovou hodnotu při násldném čtní obsahu buňky určuj množství lktronů, ktré jí protč. Plovoucí brána j plněna za pomoci dostatčně vysokého kladného napětí o úrovni 10 V a vyprázdní s při použití odpovídajícího záporného napětí. Výzkumníci z švýcarského tchnologického institutu ETH sstavili flashovou buňku, jjíž plovoucí brána j vyrobna z grafnu. Kanál grafnové buňky j vyrobn z atomické vrstvy molybdnitu (MoS 2 ), v němž s lktrony pohybují stjně fktivně jako v grafnu a mají zakázaný pás o šířc 1,8 V. Grafnová buňka navíc vydrží víc zápisových cyklů nž klasické křmíkové buňky, jaké s používají v SSD nbo USB flash discích, a to proto, ž k jjímu vymazání stačí mnší napětí. Zárovň tak dosahuj i vyšších rychlostí čtní a zápisu. Grafn dokáž nahradit dražší matriály Vynikající vodivost přdurčuj grafn k použití v solárních buňkách a akumulátorch. Exprimnty provdné v Rnsslarském polytchnickém institutu ukázaly, ž díky grafnu lz zkrátit délku nabíjní akumulátorů z dvanácti minut na 90 skund. Díky tomu, ž j grafn njn xtrémně vodivým, al zárovň průhldným matriálm, idálně s hodí pro využití v displjích. Již v roc 2010 byly na Stanfordově univrzitě vyvinuty OLED diody s grafnovými lktrodami, v ktrých grafn nahradil drahou směs oxidu cíničitého a oxidu inditého, zvanou ITO, ktrá s rovněž používá v buňkách solárních panlů. Díky mchanickým vlastnostm, hlavně nízké hmotnosti a vysoké pvnosti a ohbnosti, přdstavuj grafn idální matriál pro výrobu mmbrán do sluchátk. Takovou mmbránu o průměru sdmi milimtrů ndávno vyrobili na univrzitě v Brkly. K jjímu ovládání postačí dvě křmíkové lktrody a kvalita vibrací a produkovaného zvuku j stjně vysoká jako u drahých high-ndových sluchátk. Ndokážm zatím říct, zda grafn splní všchna očkávání, ktrá do tohoto matriálu výzkumníci a výrobci vkládají. Hromadná výroba grafnu j stál v ndohldnu a tchnologi grafnových tranzistorů má pořád řadu nvyřšných problémů. Tým fyziků, ktří úzc spolupracují s nositlm Noblovy cny Konstantinm Novoslovm, zvřjnil plán budoucího vývoj, podl ktrého můžm něktré grafnové produkty, jako například OLED diody, očkávat již v dohldné době. Na grafnový procsor s frkvncí 100 GHz si však počkám jště minimálně dst lt. V každém případě jd al o splnitlný úkol, zatímco 100GHz křmíkový procsor by s sám roztavil /2013 CHIP.CZ