Прошло десять лет с момента экспериментального открытия графена, первого и, пожалуй, самого яркого представителя нового класса материалов — двумерных кристаллов.
Графен представляет собой кристаллическую пленку углерода, толщиной всего в один атом. В первую очередь он привлек к себе внимание физиков как новый объект в физике твердого тела, который обладает уникальными электронными свойствами — электроны в нем подобны безмассовым релятивистским частицам и описываются законами квантовой электродинамики.
Оказалось, что графен обладает целой совокупностью интересных свойств, перспективных для различных приложений. Это высокая проводимость, прозрачность для света, способность к механическому растяжению, химическая инертность. Однако его применение связано не только с потенциальной возможностью реализации того или иного физического эффекта на практике, но и с экономической целесообразностью. Необходимо, чтобы существовали достаточно разработанные технологические методы, которые позволят выпускать графен в промышленных масштабах с приемлемым уровнем затрат на производство. И сейчас такие методы изготовления графена уже появились. Современные технологии позволяют получать многометровые рулоны, изготовленные из графена, и переносить пленку на требуемую подложку.
Графен является высокопроводящим материалом, почти прозрачен и поглощает около 2% света, причем в широком оптическом диапазоне — от ультрафиолета до инфракрасного.
Поэтому графен можно использовать в жидкокристаллических дисплеях, солнечных батареях или фотоэлектронных датчиках в качестве хорошо проводящего и прозрачного внешнего электрода. Довольно ограниченный ряд материалов обладает одновременно и хорошей проводимостью и прозрачностью. Сейчас в основном для этих целей применяют ITO (оксид индия-олова). Причем, если требуется повысить проводимость материала (скажем, для увеличения быстродействия), вам приходится для этого пожертвовать степенью его прозрачности. Графен превосходит традиционные сегодня материалы по соотношению таких параметров, как проводимость, прозрачность, химическая инертность. Необходимое качество графена для подобных устройств уже фактически достигнуто, и вопрос состоит только в том, когда будет пробита граница себестоимости, при которой его использование станет целесообразным.
Технологи прогнозируют, что это произойдет уже в течение 1-2 лет.
Еще одно важное свойство графена состоит в том, что его можно растягивать чуть ли не на 20%. Это позволит делать гибкую или изогнутую электронику и будет актуально для различных гаджетов. Для примера — представьте себе планшет, экран которого по команде сворачивается в трубку диаметром в пару сантиметров.
Кроме того, графен и графено-подобные материалы химически инертны, имеют разветвленную поверхность и максимальное отношение поверхности к объему, поэтому их перспективно использовать в газовых датчиках и в аккумуляторных батареях и суперконденсаторах. Ожидается, что использование графена или графено-подобных материалов позволит уменьшить вес или увеличить емкость накопителей энергии — аккумуляторных батарей и суперконденсаторов. По тем же причинам графен перспективен для газовых датчиков. Было экспериментально показано, что газовые датчики из графена способны реагировать на единичные акты адсорбции/десорбции молекул — фактически достигнута предельная чувствительность таких устройств.
Еще одно интересное применение — использование графена в качестве эталона сопротивления (наряду с эталонами длины, массы и т. д.). Для эталона сопротивления планировалось использовать квантовый эффект Холла в полупроводниках. Это квантовый эффект, и в традиционных полупроводниках его можно наблюдать только при очень низких температурах, а это дорогостоящий процесс. В графене же вследствие его линейного закона дисперсии расстояние между квантовыми уровнями существенно больше, чем это можно реализовать в полупроводниках. Поэтому многие квантовые эффекты «доживают» вплоть до комнатных температур. Стандарт сопротивления из графена вряд ли обеспечит требуемую точность буквально при комнатной температуре, но тем не менее графеновые датчики смогут работать при существенно более высоких температурах, чем полупроводниковые, и этим сейчас занимаются метрологические лаборатории разных стран.
Самое привлекательное приложение, наверное, — это использование графена в быстродействующей микроэлектронике. Вряд ли он полностью заменит кремний, ввиду дешевизны и разработанности технологии последнего. Но графен может занять определенную нишу, существенно расширяя возможности кремниевой электроники.
Традиционные кремниевые микросхемы уже подошли близко к пределу, который ограничен фундаментальными законами физики.
Для дальнейшего развития понадобятся новые материалы или приборы с новой архитектурой, работающие на иных физических принципах. Одним из таких кандидатов в материалы для пост-кремниевой электроники является графен. В частности, рекордная подвижность носителей тока в графене делает его вероятным кандидатом в качестве основы устройств, работающих при терагерцевых частотах.
Говоря о будущих применениях графена в электронике, невозможно не упомянуть о том, что традиционный полевой транзистор на графене нельзя полностью запереть. На его основе можно построить достаточно эффективный быстродействующий аналоговый усилитель, но его недостаток будет заключаться в довольно высоком тепловыделении. Но если в аналоговых схемах с этим еще можно как-то мириться, то в цифровых схемах графеновый полевой транзистор в традиционной геометрии оказывается непригоден в силу того, что он не может обеспечить достаточное отношение сопротивлений транзистора в открытом и закрытом состояниях. Другими словами, этого отношения будет недостаточно, чтобы всегда безошибочно различать «0» и «1» в цифровой логике. Но и эту проблему удалось решить с применением новых материалов и новой архитектуры.
В последнее время активно исследуются двумерные кристаллы из различных материалов, не только на основе углерода. А спектр таких материалов достаточно широк — от полуметаллов до полупроводников и диэлектриков. Уже стало возможным реализовать заманчивую идею — получить новые кристаллы, не существующие в природе, «по заказу» располагая единичные атомные плоскости из различных материалов друг на друге. Таким образом, можно было бы сочетать электрические свойства одних с оптическими свойствами вторых и с механическими свойствами третьих материалов.
Одним из первых достижений в этом направлении стали слоистые структуры на основе двумерных кристаллов графена, нитрида бора и дисульфидов некоторых металлов. Такие структуры позволили сконструировать транзистор, работающий на основе туннельного эффекта, причем из-за специфики электронных свойств графена этим туннельным током можно эффективно управлять. В таких транзисторах уже получено отношение сопротивления в закрытом и открытом состоянии, превышающем миллион, что достаточно для надежной работы цифровой электроники. Можно сказать, что с появлением таких гетероструктур на основе графена открывается его путь в традиционную цифровую электронику.
Как быстро дойдут до практики те или иные применения, сильно зависит от технологической проработки и себестоимости процессов. Безусловно, различные приложения предъявляют различные требования к качеству материалов. Если использование графена в жидкокристаллических дисплеях или в аккумуляторных батареях, по-видимому, перспектива уже завтрашнего дня, то использование графена в традиционной микроэлектронике произойдет, видимо, в более отдаленной перспективе и потребует еще много усилий.
