211service.com
Tranzystory grafenowe, które mogą pracować z zawrotną prędkością
IBM stworzył tranzystory grafenowe, które pozostawiają krzemowe w kurzu. Prototypowe urządzenia, wykonane z arkuszy węgla o grubości atomu, działają z częstotliwością 100 gigaherców, co oznacza, że mogą włączać się i wyłączać 100 miliardów razy na sekundę, około 10 razy szybciej niż najszybsze tranzystory krzemowe.
Szybkie przełączniki: Te macierze tranzystorów, wydrukowane na płytce z węglika krzemu, działają z prędkością 100 gigaherców.
Tranzystory zostały stworzone przy użyciu procesów, które są kompatybilne z istniejącą produkcją półprzewodników, a eksperci twierdzą, że można je rozbudować do produkcji tranzystorów do wysokowydajnego obrazowania, radarów i urządzeń komunikacyjnych w ciągu najbliższych kilku lat, a do szybkich procesorów komputerowych w ciągu dekady lub tak.
Badacze już wcześniej wytwarzali tranzystory grafenowe przy użyciu pracochłonnych metod mechanicznych, na przykład poprzez odłupywanie arkuszy grafenu z grafitu; najszybsze tranzystory wykonane w ten sposób osiągnęły prędkość do 26 gigaherców. Tranzystory wykonane podobnymi metodami nie dorównały tym prędkościom.
Uprawa tranzystorów na wafelku nie tylko prowadzi do lepszej wydajności, ale jest również bardziej opłacalna komercyjnie, mówi Phaedon Avouris , lider grupy naukowo-technologicznej w nanoskali w IBM Watson Research Center w Ossining, NY, gdzie prowadzono prace.
Ostatecznie grafen ma potencjał, by zastąpić krzem w szybkich procesorach komputerowych. Ponieważ komputery z roku na rok stają się coraz szybsze, krzem coraz bardziej zbliża się do swoich fizycznych granic, a grafen stanowi obiecujący potencjalny zamiennik, ponieważ elektrony poruszają się przez materiał znacznie szybciej niż przez krzem. Nawet bez optymalizacji projektu tranzystory te są już 2,5 razy lepsze niż krzem, mówi Yu-Ming Lin , inny badacz z IBM Watson, który współpracował z Avouris.
Inni badacze stworzyli bardzo szybkie tranzystory przy użyciu drogich materiałów półprzewodnikowych, takich jak fosforek indu, ale urządzenia te działają tylko w niskich temperaturach. Teoretycznie grafen ma właściwości materiałowe potrzebne do pracy tranzystorów z prędkością terahercową w temperaturze pokojowej.
Badacze IBM wyhodowali grafen na powierzchni dwucalowego wafla krzemowo-węglikowego. Proces rozpoczyna się, gdy podgrzewa się wafel, aż krzem wyparuje, pozostawiając cienką warstwę węgla, znaną jako grafen epitaksjalny. Ta technika była już wcześniej wykorzystywana do wytwarzania tranzystorów, ale zespół IBM ulepszył proces, używając lepszych materiałów do innych części tranzystora, w szczególności izolatora.
Właściwości grafenu są bardzo wrażliwe na jego środowisko, mówi Lin. Dlatego grupa IBM skupiła się na zaprojektowaniu nowej warstwy izolacyjnej – tej części tranzystora, która zapobiega zwarciom. Odkryli, że dodanie cienkiej warstwy polimeru między dielektrykiem a grafenem poprawiło wydajność. Praca jest opisana w tym tygodniu w czasopiśmie Nauka .
Walter de Heer , profesor fizyki w Georgia Tech w Atlancie, który był pionierem metod stosowanych do pracy z grafenem epitaksjalnym, mówi, że urządzenie IBM jest kamieniem milowym ze względu na swoją szybkość i ponieważ zostało wykonane przy użyciu praktycznych technik produkcyjnych. To nie jest ciasto na niebie, to jest prawdziwe, mówi. Ten rozwój naprawdę niedługo zmieni się w narzędzie komunikacji.
Można zastosować te same technologie przetwarzania, aby zbliżyć się do produktu, mówi Avouris. W zeszłym roku ta sama grupa IBM i niezależna grupa w Laboratoria HRL w Malibu w Kalifornii obaj wykonali 10-gigahercowe tranzystory grafenowe przy użyciu zaangażowanej metody zwanej eksfoliacją mechaniczną. Proces ten polega na odrywaniu warstw z małego kawałka grafitu, aż pozostanie pojedynczy arkusz grubości atomu, a następnie ułożeniu go na podłożu i wyrzeźbieniu go w celu utworzenia tranzystora. Problem z tym podejściem polega na tym, że pogarsza ono właściwości elektryczne grafenu i nie jest skalowalny komercyjnie, mówi Avouris.
Pierwszymi zastosowaniami tranzystorów grafenowych będą prawdopodobnie przełączniki i wzmacniacze w analogowej elektronice wojskowej. Rzeczywiście, prace grupy IBM są częściowo wspierane przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony. Ale naukowcy twierdzą, że minie lata, zanim firma rozpocznie komercyjny rozwój elektroniki węglowej.
De Heer zauważa, że urządzenia IBM nie wykorzystują jeszcze pełnego potencjału grafenu. Starannie kontrolując warunki wzrostu, jego grupa stworzyła grafen, który przewodzi elektrony 10 razy szybciej niż materiał używany przez zespół IBM. Ten grafen o wyższej jakości teoretycznie mógłby zostać wykorzystany do wytwarzania tranzystorów, które osiągają prędkości terahercowe, chociaż de Heer mówi, że wiele rzeczy może pójść nie tak podczas zwiększania skali.
Avouris twierdzi, że zespół IBM będzie pracował nad poprawą szybkości tranzystorów poprzez ich miniaturyzację. Te, które do tej pory wyprodukował, mają długość 240 nanometrów, co jest stosunkowo dużym rozmiarem – krzemowe elementy elektroniczne mają długość do około 20 nanometrów. Avouris uważa również, że ich wydajność można poprawić, zmniejszając grubość warstwy izolacyjnej. Następnym krokiem jest próba zintegrowania tych tranzystorów w naprawdę działający obwód, mówi.