МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(государственный университет)
Кафедра: Микроэлектроника
«Графен»
Группа: A04-11
Подготовил: Титов Р. Е.
Преподаватель: Лапшинский В. А.
Дата: 18.03.2015
Москва 2015 г.
Содержание:
- Введение
- Графен в наноразмерном мире
- Атомы в графене
- Графеновая электроника
- Заключение
- Список использованной литературы
Список ключевых слов:
Графен, наноразмерный мир, электроника, графит, транзистор.
Введение
Причина выбора этой темы — привлечь внимание научно-педагогического сообщества, инженеров-естество-испытателей и учащихся к невероятному потенциалу графена, являющегося точкой роста новых научных направлений, конвергентных отраслей науки и экономики, инструментом построения новой реальности. Под новой реальностью мы понимаем складывающийся сейчас технологический уклад, шестой по счету. Для его обозначения используют аббревиатуру NBIC (NanoBioInfoCognito), символизирующую новую систему наукоемких производительных сил. Такая система включает в себя нанотехнологии, биотехнологии, информационные технологии и когнитивистику, нацеленную наразгадку великой тайны разума.
Нанотехнология — системообразующая основа перехода к шестому технологическому укладу. Нанофизика, нанохимия, нанобиология, наноматериалы, междисциплинарный комплекс когнитивных наук — это научная и культурная основа такого перехода. Процессы само-организации в живой и неживой природе — это примеры для подражания. Парадоксы квантового мира — это источник удивительных идей для развития науки и индустрии. Обращение к графену неизбежно связано с образами квантовых полей и электродинамики, молекулярной оптики, плазмоники и метаматериалов. Потребность в приложениях междисциплинарных знаний — естественный стимул для смиренного изучения новых фундаментов, смыслов, сведений, необходимых для конструирования будущего. Это изучение требует индивидуального переосмысления представлений линейной, спинорной и векторной алгебры, теории поля, освоения базисов, которые должны помочь понимать физические тексты.Желание разобраться потребует самостоятельного труда, работы мысли, изрядной перенастройки мозгов. Многоликий графен заслуживает таких усилий!
Рис. 1. Графен — совершенно новые технологии и возможности.
Графен в наноразмерном мире
Наноразмерный мир — это действительность, в которой формируется и самоорганизуется материя. Величие и недостижимость такого мира веками охранялись его масштабами, измеряемыми миллиардными долями метра. Например, для атома единицей такого масштаба является один ангстрем (1А = 0,1нм). В нанодиапазоне размеров (от 0 до 100 нм) проявляются необычные свойства частиц, их способности к взаимодействию, самоорганизации и развитию.
История науки демонстрирует стремление человека постичь великие тайны наномира. Древнегреческий философ Демокрит (V в. до н. э.) первым придумал понятие «атом» и на его основе создал свою атомистическую концепцию мироздания. Сэр Джозеф Джон Томсон открыл в 1897 г. электрон как часть атома и подготовил вместе со своим учеником Резерфордом революцию в физике, связанную с именами Эйнштейна, Планка, Шрёдингера, Дирака, Паули и других знаменитых ученых, создавших креативу квантового мира. Зондовая микроскопия и другие новейшие аналитические инструменты нашего времени превращают этот мир (живой и неживой) в нашу новую реальность. Графит, трехмерный (ЗD) аллотроп углерода, использовался, начиная с XVI в., для письма и рисования. Структура пишущих стержней демонстрирует, как мы знаем, слабую ван-дер-Ваальсову межслойную π-связь, поддерживающую слои графена на оасстоянии 0,335 нм друг от друга. Графен (англ. graphene) является двумерной (2D) аллотропной модификацией углерода. Слой графена состоит из атомов углерода, расположенных на расстоянии 0,142 нм друг от друга в узлах гексагональной решетки. При этом каждый атом связан с тремя соседними атомами ковалентными химическими σ-связями с sр2-гибридизацией, а четвертый валентный электрон включен в сопряженную π -систему графена. Таким образом, три связи, расположенные в плоскости, задают геометрическую структуру графена, а четвертая его уникальные электронные свойства (рис. 2.).
Рис. 2. Графеновые слои в графите.
В вышедших в 1935-1937 гг. работах Р. Е. Пайерлса и Л.Д.Ландау утверждалось, что строго двумерные (2D) кристаллы углерода термодинамически неустойчивы и не могут существовать. Умозрительная модель углеродного листа потребовалась (1947г.) для создания зонной теории графита. В 1962 г. эта 2D-модель была названа графеном. Термодинамическая стабильность реального графена (2004 г.) оказалась возможной из-за тепловых флюктуаций, создающих «рябь» - волнистость 2Б-поверхности высотой 0.5 нм (рис.3).
Рис. 3. Идеальная двумерная поверхность графена существует благодаря ее малой волнистости.
До создания реального графена оставалось 42 года; в течение этих лет предпринимались безуспешные попытки изготовления 2D-материала. Кристаллизация атомов «снизу вверх» не удавалась, поскольку при этом получались другие аллотропные модификации углерода (графит, алмаз, фуллерены, нанотрубки). Варианты химического расслоения графита (интеркаляции «сверху вниз») также не достигали цели.
Появление графена поразило научный мир своей внезапностью и изяществом. Научная сенсация состояла в получении графена прямым методом пилинга — микромеханического расслоения графита. Статья о получении моноатомной пленки графена на подложке из окисленного кремния была опубликована в 2004 г. В самом простом варианте суть метода отслоения (пилинга) сводится к трению графитового стержня о гладкую окисленную (SiO2) поверхность кремния. На такой поверхности остаются чешуйки графена, отщепленного от графита, и, даже если они имеют толщину в несколько атомных слоев, их можно наблюдать в оптическом микроскопе по интерференционной картине. При этом поверхность SiO2 механически стабилизировала моноатомные слои графена. Как оказалось, расслоение графита удается сделать также с помощью обычной липкой ленты — скотча. Для этого тонкую пластинку графита помещают между двумя скотч-лентами и, последовательно разъединяя отщепляют раз за разом тонкие пленки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой. После этого скотч прижимают к подложке из окисленного кремния. В результате на подложке среди чешуек могут попадаться однослойные пленки, которые и представляют интерес. Несмотря на свою простоту, такой метод расслоения позволяет получать образцы очень высокого качества, что дало возможность экспериментально продемонстрировать уникальные свойства графена.
Основные исполнители этой работы К. С. Новоселов и А. К. Гейм стали лауреатам Нобелевской премии по физике за 2010 г. Огромная научная активность позволила авторам быстро оценить перспективность графена и предопределила настоящий шквал исследований и публикаций. Только в 2010 г. в исследования по графеновой тематике были вовлечены свыше 300 компаний, а число исследовательских публикаций превысило 3000. За несколько лет, прошедших после открытия Гейма и Новоселова, ученые не только научились производить полупромышленные количества графена, но и обнаружили невероятно широкий набор свойств данного материала. А. К. Гейм охарактеризовал графен как «огромный спектр материалов, по разнообразию применений сравнимый с пластмассой». В самом деле, в сообщении Шведской академии наук о присуждении премии говорится, что в будущем из пластика с добавлением графена могут производиться спутники, самолеты и автомобили, необыкновенно легкие и прочные. Таким образом, появление реального графена явилось Революционным событием, открывшим беспрецедентные перспективы для развития технологий нового, Шестого Технологического уклада.
Рис. 4. Многоликий графен, находящий себе применение в различных областях науки и техники.
Атомы в графене
Каждый атом углерода в графене окружен тремя ближайшими соседями (рис.5) и обладает четырьмя валентными электронами. Три из них образуют sр2-гибридизованные орбитали, расположенные в одной плоскости под углами 120° и формирующие ковалентные связи с соседними атомами (рис. 5). За низкоэнергетические электронные свойства графена отвечает четвертый электрон, представленный ориентированной перпендикулярно этой плоскости 2рz-орбиталью.
Рис. 5. Кристаллическая решетка графена: а-гексагональные “пчелиные соты” являются совокупностью двух треугольных Подрешеток А и В; б-орбитали: три гибридизованные орбитали формируют ковалентные связи 2D-слоя; орбиталь 2pz перпендикулярна плоскости моноатомного слоя. Неоднородности в гексагональных сетках существенно изменяют свойства наноуглеродных структур. Например, узкий участок ленты (ribbon) графена («перешеек») превращает эту наноленту в полупроводник, формируя энергетический зазор — запрещенную зону.
Графеновые наноленты — узкие полоски графена с шириной порядка 10-100 нм. В отличие от более широких полосок наноленты обладают нелинейным законом дисперсии и полупроводниковыми свойствами из-за наличия запрещенной зоны, которая зависит от ширины ленты и расположения атомов на границах. С помощью электронной литографии можно сузить графеновые участки вплоть до 20 нм» В этом случае из-за квантово-размерного эффекта ширина запрещенной зоны при ширине ленты 20 нм составляет всего 28 мэВ. Зазор обратно пропорционален ширине наноленты, уменьшая которую можно увеличить зазор. Современная электронная литография при 20 нм находится на пределе разрешения, поэтому был предложен химический метод, позволяющий создать наноленты шириной менее 10 нм без использования литографии и травления. Кромки гексагональных сеток. Существуют две базовые разновидности кромок, определяющих квантово-размерные эффекты и свойства графеновых лент: “кресло” и “зигзаг”. На рисунке 6. показано, как из бесконечного листа графена можно нарезать наноленты с разным расположением атомов на границах. Основной интерес при этом заключается в придании ленте различных, в том числе полупроводниковых, свойств. Оказывается, что зигзаг-ленты не имеют запрещенной зоны, то есть являются металлическими. Запрещенной зоной обладают наноленты типа ”кресло” в случае выполнения добавочного условия.
Рис. 6. Способы нарезки графеновой плоскости на наноленты: штриховые линии соответствуют центрам нанолент, красные границы соответствуют нехиральным нанолентам с границами типа “зигзаг”, а зеленые-нехиральным типа “кресло”; синяя (хиральная) нанолента имеет смешанный тип границы.
Графеновая электроника
Наномир в электронном чипе. Современный кремниевый чип (рис.7) аккумулирует важнейшие достижения технической цивилизации. Огромные диаметры пластин (200 и 300 мм), сверхмалые проектные нормы (0,18, 0,09, 0,045 мкм) и возможность интеграции 1 млрд компонентов в чипе обеспечили постиндустриальный технологический уровень, открывший невиданные ранее возможности для производств, науки, массового использования электроники в жизни людей. Стоимость массового производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) составляет 4 долл. на 1 см^2 площади-чипа при любой сложности СБИС. Каждый квадратный миллиметр чипа стоит 0,04 долл. СБИС-экономика создает новую, во многом уникальную ситуацию: реальность сверхсложных интеллектуальных систем (суперЭВМ, в том числе для использовав «облачных» вычислениях, персональных суперЭВМ массового применения) — с одной стороны, и массового применения однокристальных ”систем на кристалле” (SoС) для беспроводной техники «умных» вещей, идентификации, обеспечения безопасности, экологического контроля и т.д., — с другой. Вышеперечисленное обеспечит эволюционное развитие кремниевой электроники в период Шестого технологического уклада. Получат развитие и станут общеупотребительными Fabless — индустрия проектирования и аутсорсинг как составные части цикла электронного приборостроения и производства SоС. Персональные суперкомпьютеры станут массовыми, а облачные вычислительные сети — общедоступными. Встроенные беспроводные чипы и системы на кристалле обусловят новую архитектуру межприборных соединений в авиационных и ракетно-космических устройствах, комплексах логистики, обеспечения безопасности, экологического контроля и мониторинга техно- и экосистем. «Умные» вещи станут повседневными.
Рис.7. Структура современного МДП-транзистора: при минимальных топологических размерах в 90 нм реализуются активные зоны л-каналов толщиной 1,4 нм.
Миллиметры и терагерцы. Миллиметровый диапазон длин волн соответствует спектру частот 30 (10 мм) — 300 ГГц (1 мм). Этот гигагерцевый КВЧ (ЕНF) участок спектра освоен мало. Первые графеновые транзисторы оказались работоспособными в этом участке спектра, положив начало прорыва в миллиметровый диапазон. Терагерцевый (инфракрасный, ИК) диапазон, расположенный между микроволнами и видимым участком спектра оказался частотной областью, в которой графен проявляет свойства материала.
Графеновые транзисторы — база миллиметрового прорыва. Перспектива такого прорыва базируется на использовании рекордно высокой подвижности носителей заряда в графене. При осаждении графена из паровой фазы на подслой меди и перенесении подслоя на диэлектрическую подложку из алмазоподобного углерода удалось получить транзисторы с предельной частотой ~ 155 ГГц. Совершенствование таких транзисторов требует как уменьшения контактного сопротивления между электродами и каналом, так и уменьшения длины L канала, поскольку f ~ 1/L. Существенно, что f почти не изменяется при охлаждении от 300 К до 4,2 К. Это важно для ВЧ-транзисторов на космических аппаратах. Первые разработки графеновых СВЧ-транзисторов открывают дорогу в миллиметровый диапазон волн. Свертонкий (0,65 нм) монослой молибденита (МoS2) является полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ. Транзистор на МоS2 имеет ток покоя, меньший в 100000 раз по сравнению с кремниевым прототипом, и может рассматриваться как реальный конкурент графену в сфере микромощных СВЧ-чипов для связной и вычислительной техники.
Заключение
Графен предопределяет развитие новых высокотехнологичных сфер научной и промышленной деятельности, например, в терагерцевой электронике, в электродинамике моноатомных метаматериалов, в технологии резонансных поглотителей энергии, в частности фотопреобразователей для солнечной энергетики. Эти пути обеспечат фундамент конвергентной индустрии будущего. Научная база такой индустрии будет развиваться на основе открываемых графеном возможностей управления квазичастицами, фильтрации электронов, распознавания информационных сигналов живого мира, скоростного секвенирования ДНК и т. д. Предложения о системном, конвергентном развитии этих направлений активно обсуждаются научным сообществом.
Список использованной литературы:
1. Drissi L. B., SaidiE.H. and Bousmina M. Graphene and Cousin Systems, 2011, http://arxiv.org/pdf/1108.1748.pdf
2. Jean-Noel Fuchs Mark Oliver Goerbig. Introduction to the Physical Properties of Graphene. Lecture Notes 2008, http: / /chercheurs. lps. upsud .f r/GOERBIG/CoursGraphene 2008.pdf
3. Eric Plum. Chirality and Metamaterials. Extended Edition, February 2010, http://www.orc.soton.ac.uk/publications/ theses/4781_ep/4781_ep_A.pdf
4. Michael A.Morrison, Homer L.Dodge. The Delights of the Appendices to The Joy of Quantum Physics, August 3, 2010, http://eg.bucknell.edu/ koutslts/Ph332/Text/JQP_Appendices_on. pdf.
| 
