Содержание
Введение
1. Россия на пороге нового технологического уклада
2. Графен и будущее электроники
3. Поиск альтернативных двумерных материалов
4. Фосфорен, силицен, станен
5. Выводы
Заключение
Список литературы
«Никто, кроме нас»
В.Ф. Маргелов
Введение
Вот уже более 10 лет у всех на слуху термин "нанотехнология". В разных областях науки и техники он может
принимать разные формы, размер которых не должен превышать сотню нанометров. Здесь под формой будем
понимать работу со структурами, будь то элементарные наночастицы либо молекулы и другие. Область, в которой
мы будем рассматривать достижения и перспективы нанотехнологий – не так нова, поскольку в современном её
понимании имеет вековую историю. Электроника, пожалуй, единственная наука, которая испытала на себе огромное
количество научно-технических революций, пройдя путь от ламп до транзисторов, от "аналога" к "цифре", а сейчас –
от "мини-" и "микро-" – к наноэлектронике. Как отметил господин Фейнман в известной своей работе "Там внизу –
полным-полно места", но на эти слова хочется ответить, что там внизу –море самых сложных задач, решение которых,
будучи найденным, откроет человечеству океан новых возможностей. О небольшой части этих задач, как решенных,
так и не решенных – будет написано далее.
1. Россия на пороге нового технологического уклада
В разрезе времени развитие наноэлектроники кажется вполне закономерным – об этом нам говорят циклы Кондратьева,
периодические циклы сменяющихся подъёмов и спадов современной мировой экономики, предположительно связанные
со сменой технологических укладов (рис. 1).
Рисунок 1 – Циклы Кондратьева
Согласно этим циклам, мир в настоящее время находится на стадии перехода к новому технологическому укладу. Яркое
тому подтверждение: военные конфликты в Африке, на Ближнем Востоке, на Украине. Нежелание России слезать с нефте-
газовой иглы – во многом оправдано с точки зрения поддержания бюджета, однако подливает масла в огонь в военные
конфликты в Сирии и Донецкой и Луганской областях Украины. Из-за слабой интеграции российской экономики во всемирную,
последствия мирового экономического кризиса 2009 года наша страна ощутила только сейчас. Падения курса рубля, спад
производства и массовая безработица на фоне огромных вливаний в войну – конец этой истории известен. Наследие советской
эпохи мало-помалу потрачено, а нового ничего не создано. Какая сейчас доля России в сфере нанотехнологий? Никакая.
Неумелая политика РОСНАНО и Фонда Сколково дискредитировала себя, а заодно и слова "инновация", "нано" и прочие.
Гигантские по масштабам и по вложениям, но убогие по содержанию выставки типа "Open Innovations" или МАКС, демонстрирующие
"новинки" с десятилетним опозданием и любые другие светодиодные безделушки – наглядный показатель.
2. Графен и будущее электроники
Открытие графена породило новую надежду для разработчиков на качественный переход к новой технологической платформе.
Сам факт возможности использования моноатомного слоя углерода, не принимая во внимание великолепные электро-физические
свойства, уменьшал габаритные размеры одного элемента на треть (рис. 2)!Такая возможность продлила бы жизнь закону Мура
на десяток лет. Известно, что при стремительном уменьшении микроэлектронных систем переход от нано к субатомным структурам
сопровождается непреодолимыми трудностями[1]. По моему мнению, электронная промышленность сумеет наладить единичный
выпуск субатомных электронных компонентов к 2030 году и на этом стремительное восхождение на Олимп Мура завершится (рис. 3).
В подтверждение этому предлагаю любопытную публикацию, где крупнейший производитель процессоров Intel откладывает выход
на рынок следующего поколения процессоров Intel Core Skylake на полгода, что впервые за всю историю существования компании
нарушит закон Мура [2].
Рисунок 2 – Трехмерное представление чешуйки графена
Рисунок 3 – Наглядное представление логического конца закона Мура
Не вызывает сомнений исчерпанность кремния как основной платформы. Арсенид галлия и алмаз так и не стали материалами для
универсальных платформ субатомной электроники. Если в части размеров отдельных элементов развитие наноэлектроники вплотную
подошло к субатомным размерам, то «конструкции» остаются жесткими, «неорганическими», прошедшими при изготовлении
высокотемпературные и агрессивные стадии [3].
Не так давно был получен чистый контакт графенового листа (рис. 4) с металлом путём инкапсуляции графена в нитрид бора, после
чего протравлялся край графеновой пленки. Затем на кромку напаивается металл для создания электрического контакта. При этом
контактное сопротивление достигало всего 100 Ом на микрон ширины контакта, что значительно меньше значения сопротивления
при подсоединении к графену сверху.
Рисунок 4 – Иллюстрация электрического контакта углерода с металлом
Предсказанный китайскими учеными металлический углерод так и вовсе может убрать проблемы разного рода контактов,
поскольку электроника станет абсолютно углеродной. Кристаллическая решетка металлического аллотропа углерода состоит
из шестиугольных элементов, расположенных в перпендикулярных плоскостях (рис. 8). Расчеты ученых предсказывают
стабильность такой конфигурации и проявление у нее характерных металлических свойств. Ученые предполагают, что новый
легкий металл можно будет синтезировать химическим путем, ведь предсказанные ранее аллотопы углерода (фуллерен, графен
и углеродные нанотрубки) были получены на практике и являются перспективными материалами для использования в электронной
промышленности [22]. Оптимистичный график на рисунке 5 предсказывает рост рынков печатной и углеродной электроники на фоне
угасающей кремниевой.
Рисунок 5 – Возможные варианты развития электроники
Необходимо отметить, что печатная (струйная) технология (представленная на графике) в настоящее время интенсивно
разрабатывается в ряде стран. Преимущества: повышение технологичности создания элементов электронных устройств любого
назначения, практически полное исключение высокотемпературных стадий, использование стандартного оборудования, возможность
использования в качестве подложек легкоплавких материалов таких как полимеры, бумага и т.п. В качестве материалов для создания
токопроводящих структур могут иcпользоваться как наночастицы металлов, так и ранее упомянутый графен.
Рисунок 6 – Процесс струйной печати и гибкая печатная плата
Так что, с высокой долей вероятности могу предположить, что основным механизмом развития углеродной электроники будет
струйная печать (рис. 6) , а черная и розовая кривые на графике (рис. 5) рано или поздно сольются воедино.
Все это делает не менее актуальным поиск иных платформ, на основе которых можно было бы создать универсальные субатомные
информационные нанотехнологии будущего.
3. Поиск альтернативных двумерных материалов
Открытие графена безусловно сказалось на деятельности многих ученых. Тех кого это открытие зацепило, как в старой сказке,
разбросало на три стороны. На одной стороне оказались исследователи, поверившие в новый материал как в мессию и т.н. углеродные
шовинисты [7] – благодаря им число статей ( читай – "положительных отзывов") с каждым днем растет как на дрожжах. Благо есть
где графен применять.
По другую сторону расположились исследователи, критично отнесшиеся к новинке. Основную массу их составляют химики-теоретики,
от которых можно услышать что-де графен это обычная молекула, а вовсе не кристалл (т.н. молекулярная теория графена) и многое другое.
Основные выводы базируются на теории спин-орбитального взаимодействия атомов[8, 9] и, безусловно, имеют право на жизнь.
Третью же сторону составили те, кто по проторенной дорожке решил заняться поиском и синтезом моноатомных слоёв из других
элементов Периодической системы. Не так давно учеными было предсказано существование около 92 претендентов на замену графена [16].
За прошедшие несколько лет им удалось подтвердить или опровергнуть многие из ранее предсказанных двумерных материалов [17].
Именно этим материалам и будет посвящена оставшаяся часть реферата. Основной акцент, естественно, был сделан на материалы, так
или иначе применяемые при производстве электроники.
4. Фосфорен, силицен, станен
Физики изучают черный фосфор – материал, состоящий из слоев, удерживаемых вместе слабыми химическими связями – с 60-х
годов прошлого века, но лишь в прошлом году предприняли попытки изолировать отдельные слои. Двумерная аллотропная модификация
фосфора – фосфорен, которая получается как раз из черного фосфора разделённого на моноатомные слои [14, 15] . Структура
фосфорена (рис. 7) похожа на более известное соединение – графен, что нашло отражение в названии. В отличии от графена фосфорен
является полупроводником с запрещённой зоной равной 1,75 эВ [13]. Впервые фосфорен получен в 2014 году методом механического
расщепления[11, 12].
Графен и фосфорен единственные стабильные простые вещества которые можно получить расщепляя трёхмерные кристаллы [11].
Рисунок 7 – Структура фосфорена
Полупроводниковая промышленность возлагала большие надежды на новый суперматериал – силицен, который представляет собой
моноатомный слой кремния (рис. 8). Но ученые из Университета Твенте (Нидерланды), заснявшие образование силицена методом
газофазного осаждения, камня на камне не оставили от этих надежд: силицен оказался нестабильной структурой [19].
Новый материал впервые был синтезировал в 2010 году. Как и графен, он состоит из однослойной пленки атомов, упорядоченных
подобно сотам (только из атомов кремния, а не углерода).
Рисунок 8 – Структура силицена, процес осаждения атомов кремния и СЭМ изображение слоёв
Дело в том, что кристаллическая структура кремния с энергетической точки зрения более благоприятна, чем сотовая (силицена), и
поэтому более стабильна. Ученым не удалось покрыть силиценом всю поверхность серебра (максимум 97%), и, главное, создать
многослойную пленку. Иными словами, как только поверхность практически до конца закрыта силиценом, материал "кончает жизнь
самоубийством" и на его месте остается обычный кремний. Даже если поменять тип поверхности, иного результата ожидать не стоит,
пишут ученые: воздействие субстрата на образование второго слоя силицена пренебрежимо мало [20]. Данное явление относится не
только к кремнию, так как любое эпитаксиальное выращивание в известной мере неуправляемый процесс и вырастить слой толщиной
в один атом – задача не из легких. По части влияния подложек ученые ошиблись, поскольку есть достаточно публикаций по успешному
выращиванию силицена на иных субстратах. Работы над силиценом не завершились и в 2015 году был сделан очередной прорыв –
был получен полевой транзистор (рис. 9) на его основе [21].
Рисунок 9 – Транзистор на основе силицена
Станен представляет собой атомный слой олова. И именно эта особенность позволяет станену обладать теми удивительными
свойствами, которыми не может обладать графен – 100-процентной проводимостью [23,24].
Рисунок 10 – Атомная структура станена на подложке из Bi2Te3, виды сверху и сбоку
Впервые станен был описан в 2013 году стэндфордским ученым Су Чон Чаном, чья лаборатория специализируются, помимо прочих
вещей, на предсказании свойств материалов, таких как станен. Согласно их модели, станен является топологическим изолятором.
Другими словами, внутри он является диэлектриком (изолятором), а снаружи может проводить электрический ток (рис. 10).
Если предсказанные свойства станена действительно окажутся верными, то этот материал будет способен совершить революцию
в создании микрочипов практически для всех использующихся сегодня устройств. Во-первых, чипы смогут стать гораздо мощнее [25].
Возможности современных чипов на основе кремния, как уже было отмечено ранее, ограничены объемом выделяемого электронами
тепла – чем быстрее они работают, тем горячее становятся чипы. Станен же, обладая способностью 100-процентной проводимости,
будет лишен этого недостатка.
5. Выводы
Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро
разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, дали свои плоды в 2015. Как было сказано
ранее, удалось получить одноатомные слои кремния – силицен – и германия – германен, а также многих других.
Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны.
Теоретически, более интересным кандидатом является станен, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной.
Получение новых материалов, состоящих из одного слоя атомов различных веществ, стало в последние годы одним из заметных направлений
в материаловедении. Сферы применения довольно обширны и в каждой из них найдется место новому наноматериалу. Учёные же окрестили
эту эпоху «постграфеновой эрой».
Исторический опыт учит нас: России не нужно (и даже вредно) кого-либо догонять в любой форме. Быть на шаг впереди, разрабатывать
оригинальные проекты (в тесном взаимодействии с мировой наукой) – вот наш путь к успеху.
Заключение
Советский Cоюз в свое время проспал компьютерную революцию. Нынешней России совершенно недопустимо оказаться в стороне от
столбовой дороги развития электронизации общества – полностью углеродной наноэлектроники. Активное участие в реализации такого
Проекта [3] позволит России оставаться в числе ведущих научных держав мира. Делать это нужно именно на самых ранних стадиях,
когда ещё слабо просматриваются перспективы реализации результатов и сама возможность прорыва в электронику будущего.
Необходимо разработать серию проектов, при выполнении которых Россия заведомо не окажется на обочине научно-технического прогресса.
Заложить основы нового углеродного (и не только) уклада в индустрии и оборонных отраслях: приборно-материальной базы информационных
технологий, производстве критических материалов, биомедицинской инженерии[3, 4]. Добившись успехов в реализации данного проекта, мы
вернём самоуважение нашему народу, которого он лишился после распада СССР.
В своей работе я умышленно не стал рассматривать все существующие двумерные материалы с целью соблюсти формат реферата, но
заострил внимание на важнейших, по моему мнению, вещах. Хотел бы выразить благодарности своему научному руководителю С. П. Губину
за предоставленные материалы и направление для исследований, а также доценту В. А. Лапшинскому– за терпение, курс лекций и
полезнейший ресурс valinfo.ru.
Список литературы
- Korkin A, Rosei F, eds. Nanoelectronics and Photonics: From Atoms to Materials, Devices and Architectures. NY,
Springer, 2008, 453 p.
- Intel впервые нарушит закон Мура. Электронный ресурс. Режим доступа: http://lenta.ru/news/2015/07/16/intel/
- Губин С.П. Полностью углеродная наноэлектроника (проект) РЭНСИТ, 2011, 3(1):47-55
- Губин С.П., Ткачев С.В. Графен и материалы на его основе. РЭНСИТ, 2010, 2(1-2):99-137.
- Губин С.П., Ткачёв С.В. Графен и родственные наноформы углерода. М., Либроком 2011, 104 c. ISBN 978-5-397-02076-3.
- Inkjet Printing of High Conductivity, Flexible Graphene Patterns. Ethan B. Secor, Pradyumna L. Prabhumirashi, Kanan Puntambekar, Michael L. Geier and Mark C. Hersam. dx.doi.org/10.1021/jz400644c | J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1347−1351
- Углеродный шовинизм. Электронный ресурс. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродный_шовинизм
- E.F.Sheka. Molecular theory of graphene. M. Hotokka et al. (eds.), Advances in Quantum Methods and Applications in Chemistry, Physics,
and Biology, Progress in Theoretical Chemistry and Physics 27, 249-284 (2013).
- Giant Rashba splitting in graphene due to hybridization with gold D. Marchenko, A. Varykhalov, M.R. Scholz, G. Bihlmayer, E.I. Rashba,
A. Rybkin,4, A.M. Shikin & O. Rader, Nature Communications 3, Article number: 1232 doi:10.1038/ncomms2227 2012
- Lin Y-M, Dimitrakopoulos C, Jenkins KA, Farmer DB, Chiu H-Y, Grill A, Avouris Ph. 100-GHz Transistors from Wafer-Scale Epitaxial Graphene. Science, 2010, 327(5966):662.
- Xia F., Wang H., Jia Y. (2014). «Rediscovering black phosphorus as an anisotropic layered material for optoelectronics and electronics».
Nature Communications 5. DOI:10.1038/ncomms5458.
- Liu H., Neal A. T., Zhu Z., Luo Z., Xu X., Tománek D., Ye P. D. (2014). «Phosphorene: An Unexplored 2D Semiconductor with a High
Hole Mobility». ACS Nano (journal) 8 (4). DOI:10.1021/nn501226z.
- Li P., Appelbaum I. (2014). «Electrons and holes in phosphorene». Phys. Rev. B 90 (11): 115439.DOI:10.1103/PhysRevB.90.115439.
- Как графен, только из фосфора. Электронный ресурс. Режим доступа:http://geektimes.ru/post/212045/
- Фосфорен — суперматериал пост-графеновой эпохи. Электронный ресурс. Режим доступа:
http://scientificrussia.ru/articles/phosphorus-supermaterial-era-post-graphene
- Two-Dimensional Materials from Data Filtering and Ab Initio Calculations. S. Lebègue, T. Björkman, M. Klintenberg, R. M. Nieminen,
and O. Eriksson. Phys. Rev. X 3, 031002 – Published 8 July 2013
- Elemental Analogues of Graphene: Silicene, Germanene, Stanene, and Phosphorene. Sivacarendran Balendhran, Sumeet Walia,
Hussein Nili, Sharath Sriram and Madhu Bhaskaran. Small 2014, DOI: 10.1002/smll.201402041
- Zhong CM, Duan CH, Huang F, Wu HB, Cao Y. Materials and Devices toward Fully Solution Processable Organic Light-Emitting
Diodes. Chem Mater. , 2011, 23(3):326-340.
- Увы, чудо-материал силицен кончает жизнь самоубийством. Электронный ресурс. Режим доступа:
http://nauka21vek.ru/archives/55424
- The instability of silicene on Ag(111) A. Acun1, B. Poelsema1, H. J. W. Zandvliet1 and R. van Gastel. Appl. Phys. Lett. 103, 263119 (2013)
- Silicene field-effect transistors operating at room temperature. Nature Nanotechnology. Li Tao, Eugenio Cinquanta, Daniele Chiappe, Carlo Grazianetti, Marco Fanciulli, Madan Dubey, Alessandro Molle and Deji Akinwande. Published online: 2 february 2015 |
doi: 10.1038/nnano.2014.325
- Stable three-dimensional metallic carbon with interlocking hexagons. Shunhong Zhanga, Qian Wanga, Xiaoshuang Chenc, and Puru
Jenab. PNAS, vol. 110 no. 47 /doi: 10.1073/pnas.1311028110
- Will 2-D tin be the next super material?. Phys.org. 21 November 2013. Retrieved 2014-01-10.
- Group IV graphene- and graphane-like nanosheets. Garcia, J. C.; de Lima, D. B.; Assali, L. V. C.; Justo, J. F. (2011). J. Phys. Chem.
C 115: 13242. doi:10.1021/jp203657w.
- "Tin could be the next super material for computer chips". Singh, Ritu (November 24, 2013). Zeenews.
- Epitaxial growth of two-dimensional stanene Feng-feng Zhu, Wei-jiong Chen, Yong Xu, Chun-lei Gao, Dan-dan Guan, Can-hua Liu,
Dong Qian, Shou-Cheng Zhang & Jin-feng Jia. Nature Materials 14, 1020–1025 (2015) doi:10.1038/nmat4384
- Xia F, Farmer DB, Lin Y-M, Avouris Ph. Graphene Field-Effect Transistors with High On/Off Current Ratio and Large Transport Band
Gap at Room Temperature.Nano Lett. , 2010, 10(2):715-718.
- Liao L, Bai J, Cheng R, Lin Y-C, Jiang S, Qu Y, Huang Y, Duan X. Sub-100 nm Channel Length Graphene Transistors. Nano Lett. ,
2010, 10(10):3952-3956.
- Stampfer C, Schurtenberger E, Molitor F, Guttinger J, Ihn T, Ensslin K. Tunable Graphene Single Electron Transistor. Nano Lett.,
2008, 8(8):2378–2383.
- Ji Y, Lee S, Cho B, Song S, Lee T. Flexible organic memory devices with multi-layer graphene electrodes. ACS Nano, 2011, 5(7):
5995-6000.
- Akasaka T, Wudl F, Nagase S, eds. Chemistry of Nanocarbons. Hoboken, Wiley, 2010, 526 p.
- Prezhdo OV, Kamat PV, Schatz GC. Virtual Issue: Graphene and Functionalized Graphene. J.Phys.Chem. C, 2011, (115):3195-3197.
- Kamat PV. Graphene-based Nanoassemblies for Energy Conversion. J. Phys. Chem. Lett., 2011, (2):242-251.
|
