Приложение на графена в микроелектронните устройства

Цифрови интегрални технологии
(Реферат)

Студент:

Поставена тема:

СЪДЪРЖАНИЕ
I. Графен – Същност, Откриване, Свойства и Получаване ……………..…. 3
II. Приложение на Графена в микроелектрониката ……………...………… 9
III. Приложение на Графена в други области ………………………...…… 15
IV. Бъдещето на материала и неговите приложения …...…………...……. 19
Използвани източници ………………………………………………...…… 20

1. Същност – Графенът представлява равнинен лист въглеродни атоми - една от алотропните форми на въглерода (двумерен вариант на тримерния графит- sp2- конфигурация). При образуване на sp2- конфигурацията е необходимо графена да бъде съставен от шестоъгълни клетки, тъй като петоъгълните и седмоъгълните клетки дават предпоставки за дефекти. При наличие на една изолирана петоъгълна клетка е възможно равнината да се изкриви в канонична форма. При наличие на 12 петоъгълника се образува ново съединение фулерен. Аналогично е и при седмоъгълна клетка, която ще придаде на равнината седловидна форма (фиг. 1).

Най- точната формулировка за това, какво всъщност представлява графена може да бъде дадена от един от откривателите му – Константин Новоселов:
„Графенът е името, дадено на единичен слой въглеродни атоми, свързани нагъсто в структура от бензенови пръстени, и широко се използва за свойствата на много въглеродно- базирани материали, включително и графита, големи флуорени, нанотръби и т.н. (напр. въглеродните нанотръби обикновено се смятат за графенови листи, навити в цилиндри с нанометричен размер). За самия равнинен графен се е смятало, че не може да съществува в свободно състояние, защото е нестабилен по отношение на образуването на огънатите структури като сажди, флурени и нанотръби.“
(Цитат от списание Science)
Терминът graphene за първи път е споменат от Ханс-Петер Боехм през 1962, като произлиза от graphite (графит) с наставката – ene (термин от органичната химия, описващ съединение, съставено само от въглерод).
2. Откриване – Интересът към двумерните материали се засилва през 40- те години на XX век, но тогава е смятано, че е теоретично невъзможно да се получи обект, съставен само от две измерения или поне достатъчно тънък, за да се смята за двумерен материал. През 2002 г., Андре Гейм – учен от Университета в Манчестър, проява интерес към получаването на графен и поставя задача на студент по докторантура да полира графит до колкото е възможно по- малко слоеве. Първоначалните опити на студента успели да изтънят материала до 1000 слоя, но това било твърде далеч от поставените от Гейм 10 - 100 слоя.
Андре Гейм решава да опита друг подход – С помощта на тиксо залепено върху графитен блок отделял няколко слоя графит, след това повтарял процедурата с друго парче тиксо върху предишното, като успява да достигне до материал с дебелина само от 10 слоя.
Към Гейм се присъединява Константин Новоселов, като двамата работят върху усъвършенстване на метода за получаване на графен и така през 2004 успяват да достигнат до 1 единствен слой.
За своето откритие Андре Гейм и Константин Новоселов получават Нобелова награда за физика през 2010 г (фиг. 2).
3. Свойства на Графена – Материалът е водещ в много от класациите. Заради двумерния си характер, той е най- лекия материал познат на човечеството (0.77 mgr/m2).
a) Химически свойства – За разлика от други въглеродни материали, графенът гори при много ниска температура – 260 оC. През 2013 г. учени от

Фиг. 2 Андре Гейм и Константин Новоселов
(Източник:)
Станфорд установяват, че един слой графен е 100 пъти по- реактивен от други пластове на вещества, които са с по- малка дебелина.
б) Електрически свойства – Графенът е полупроводник с нулева пропускливост. Електро проводимостта също е много висока, заради едноатомната структура, което го прави конкурент на някои от най- мощните диелектрици, феромагнити и супер кондензатори. За разлика от други материали, които се подчиняват на Уравнението на Шрьодингер (използван във физиката на кондензираната материя), при графена се наблюдава изпълнението на безмасовото релативистично Уравнение на Дерак с различен коефициент - c (скоростта на светлината е заменена с 106 m/s). Предполага се, че електроните на веществото се държат до голяма степен като фотони спрямо тяхната подвижност заради липсата на маса. Електроните на графена могат да изминават малки разстояние (няколко микрометра) без да се разпръсват, ефект, познат във физиката като балистичен транспорт.
в) Оптични свойства – Въпреки своята дебелина от 1 атом, графенът притежава силни светло абсорбиращи свойства като може да абсорбира 2,3% червена и 2,6% зелена светлина (фиг. 3).
Фиг. 3 Слой графен с дебелина само от един атом. Графенът е видим с просто око заради абсорбираща му способност (Източник: )
г) Стабилност – Химически изследвания показват, че Графенът е термодинамично непостоянен, когато площта му е по- малка от 20 nm, като по- нататъшните изследвания показват, че графенът е най- нестабилното вещество при наличие на 6000 атома или по- малко. За стабилен фулерен можем да говорим само при наличие на поне 24 000 атома.
д) Термични свойства – Графенът притежава много по- голяма топлопроводимост от графита (5300 W.m-1K-1 спрямо 2000 W.m-1K-1 за графита).
е) Механични якост – Дължината между въглеродните атоми в графена е само 0,142 нанометра, като при графита това разстояние между отделните пластове достига 0,3335 nm. Това превръща графенът в най- силния материал, който някога е тестван с вътрешна якост на опън от 130 GPa и модул на Йонг (коравина) от 1,1TPa. По време на получаването на Нобеловата си награда, Андре Гейм, казва че един квадратен метър от материала може да издържи котка с тегло от 4 килограма, въпреки че самия лист ще тежи само колкото един от мустаците на котката (~ 0,77 mg). Спрямо устойчивостта му на счупване, в началото се е смятало, че графенът е относително крехък (с коефициент от 4MPa, което е много под 15-50 MPа, стойност характерна за стоманени материали). По- късно през 2014 г. се установява, че материалът показва по- голяма способност да разпредели силата от удар, отколкото всеки известен материал (приблизително 10 пъти по- голяма от тази на стоманата за единица тегло). Към механичните свойства може да се причисли и голямата степен на еластичност, която притежава.
ж) Магнитни свойства – Графенът проявява и магнитни свойства, като при намагнитването не се оказва негативно влияние върху електрическите свойства.
4. Получаване на графен – Един от основните проблеми пред широкото използване на графена е трудния начин на извличане. Съществуват няколко различни начини за изолиране на материала, като най- известен към момента е CVD процеса.
a) CVD (Chemical Vapor Deposition) – При CVD метода се използва метален субстрат, който се нагрява в пещ при нисък вакуум до 100 oC. Топлината закалява метала и следователно се увеличава големината на домените й. След това в пещта започва да се подава метан и водород. Водородът катализира реакцията между метана и повърхността на металния субстрат, което кара въглеродните атоми от метана да се отложат върху повърхността на метала чрез химична адсорбция (Фиг. 4). Пещта се охлажда бързо, за да се запази отложения слой въглерод от образуването на графит, като накрая се получава цялостен слой графен върху повърхността на метала.

Фиг. 4 Образуване на въглероден слой върху метален слой (Източник: )
б) Ексфолиране – Един от основните методи за получаване на графен, довел и до неговото откриване. “Scotch tape method” както е по- познат, представлява отделяне на графит с помощта на тиксо. След това ново-полученият слой се притиска към друг слой субстрат и се отлепя. Люспи графен с дебелина около 50 микрометра остават върху субстрата с парчета графит и остатъци от лепилото (Фиг. 5).

Фиг. 5 Ексфолиране на графен (Източник: )
Съществуват още няколко начина за получаване на графен, като:
в) Разтопяване на соли (литиев хлорид);
г) Електрохимичен синтез;
д) Хидротермално отлагане;
е) Химическо отлагане чрез изпарения;
ж) Лазерно облъчване на графитни пръчки.
Въпреки разнообразните методи все още производството на 1 килограм графен е един от най- скъпите процеси по добив на определен материал.

1. Същност – Заради нехарактерните си електрически свойства, графенът има огромен потенциал да стане основен материал при производството на батерии, суперкондензатори и чипове, тъй като притежава 10 пъти по- добра проводимост от силиция.
2. Въглеродни нанотръби – Сам по себе си графененият лист няма как да се използва пряко в създаването на кондензатор, но въглеродните тръби, които представляват макромолекули с цилиндрична форма, са изградени от един лист графен и се смятат за бъдещето на кондензаторите. На дължина въглеродните нанотръби могат да достигнат няколко милиметра. Начинът, по който се навива графенът, за да образува въглеродната нанотръба, се описва с теория на графеновата наноелектроника (Фиг. 6).

Фиг. 6 (Източник: )
Създаването на въглеродни нанотръби е сложен процес, при който атомите на графена трябва да съвпадат от двете страни на цилиндъра по време на навиването. Едностенните тръби могат да бъдат както метали така и полупроводник. Нанотръбите предоставят надлъжна балистична проводимост, висока химична инертност, висока електронна емисионност и възможност за превръщането им в химични и биологични сензори. Притежават висока механична здравина и са ефикасни топлопроводници със стойности достигащи 6600 Wm-1 K-1.
Заради специфичните свойства на графена въглеродните нанотръби могат да бъдат използвани и като микроелектромеханични системи (MEMS). Като може да намерят приложения в системи за измерване на налягане, температура, влажност и др.
Освен за физични изменения, нанотръбите могат да се използват и като сензори на химически вещества или биосензори. Въглеродни нанотръби се използват в газови, електрохимически и химични сензори, които се прилагат в индустрията, биомедицината, фармацията и други области. Сензорите изградени от нанотръби, изпълняват основните характеристики - да са високо чувствителни и стабилни. Засичането и възстановяването на сензора е от порядъка на няколко секунди. Биосензорите могат да бъдат използвани за определяне на концентрацията на замърсяване. През последните години се работи и върху разработката на биороботи, които могат да следят кръвната захар. Други експериментални изследвания са насочени към диагностицирането и откриването на инфекциозни заболявания.
Заради огромната си устойчивост на натиск, която е от 500 до 600 пъти по- голяма от тази на стоманата, въглеродните нанотръби могат да бъдат използвани и при строителството на сгради, изграждането на летящи апарати като самолети и ракети, производството на кабели, радарни приложения и много други области.
3. Супер проводник - Основната причина да се смята графена за „супер проводник“ е нулевото съпротивление, което се наблюдава при два слоя от материала положени един върху друг при които е приложен така нареченият „магически ъгъл“ - усукване от 1.1 градуса спрямо централната ос на двата листа.
Графеновите проводници ще намерят своето приложение при производството на процесори и други микроелектронни компоненти. Основната причина за това е Законът на Мур, който гласи че броят на транзисторите в чиповете се увеличава двойна за период от 18 до 24 месеца заради намаляване на размера и разстоянието между тях, наближава своята горна граница и възможността да се разположат все повече и повече транзистори върху чипа намалява. Това довежда до търсене на нови алтернативи за развитието на процесорите и тяхната мощ. Един от възможните подходи е замяната на материала, от който се изграждат транзисторите. Учени изследователи от MIT успяват да докажат теоретично, че процесор изграден от графен може да вдигне границата на тактовата честота от 500 GHz до 1000 GHz заради нулевото съпротивление и съответно съкратеното време за изчисление.
Друга причина за използването на графена в електрониката е високата степ на топлоотдаване, която притежава (по- добра от златото) и високата степен на шумоустойчивост, която позволява по- добро предаване на сигнала с много по- нисък ко