“Grafēns varētu noteikt toni elektronikā.” Zinātnieki atklāj pirmo grafēna pusvadītāju, kas ļautu elektroierīcēm darboties jaudīgāk un paātrinātu kvantu datoru radīšanu 32
Pirmais grafēna pusvadītājs paver ceļu uz jaudīgākiem datoriem. Pētnieki ir nodemonstrējuši pirmo funkcionāli darboties spējīgu grafēna pusvadītāju. Atklājums varētu uz visiem laikiem mainīt skaitļošanas tehniku un elektroniku. Zinātnieki ir panākuši izrāvienu elektronikā, izgatavojot pasaulē pirmo funkcionālo grafēna pusvadītāju,— tas ir materiāls, kas pazīstams kā izturīgs, elastīgs, viegls un ar augstu pretestību, tā vēstīja ārvalstu medijs “Deutsche Welle“.
Viņu atklājums notiek laikā, kad tāda materiāla, no kura tiek izgatavota gandrīz visa mūsdienu elektronika, – silīcija izmantošanas iespējas ir sasniegušas savas galējās robežas. Zinātnieki ir sacentušies, lai izstrādātu grafēna pusvadītājus, jo tiem salīdzinājumā ar silīciju ir lielāks darbības ātrums un augstāka energoefektivitāte.
Pētījums, kas publicēts žurnāla “Nature” 3. janvārī, demonstrē funkcionālu grafēna pusvadītāju, kas ir piemērots izmantošanai nanoelektronikā. Autori teica, ka atklājums varētu būt nozīmīgs solis ceļā uz nākamās paaudzes skaitļošanas tehnikas izstrādi, paverot durvis jaunam elektronikas uzbūves veidam.
“Mēs nezinām, ar ko tas beigsies, bet mēs zinām, ka atveram durvis lielai paradigmas maiņai elektronikā,” paziņojumā presei sacīja vadošais autors Valters de Hērs no ASV Džordžijas Tehnoloģiju institūta. “Grafēns ir nākamais solis. Kas zina, kādi būs nākamie soļi vēl pēc tam, taču domājams, ka pastāv liela iespējamība, ka grafēns varētu noteikt toni elektronikā vismaz nākamos 50 gadus,” teica viņš.
Klasiskajos datoros, piemēram, mikroshēmās viedtālrunī vai klēpjdatorā, tiek izmantota elektrība, kas plūst caur silīcija slēdžiem, tādējādi radot vieniniekos un nullēs apzīmētu informācijas plūsmu — tos sauc arī par bitiem.
“Pusvadītāji ir būtiski, lai visi datori varētu darboties. Tie ļauj mums izveidot sīkus slēdžus, kurus var ieslēgt un izslēgt, lai nodrošinātu elektrības plūsmu. Tieši šī elektrība, kas plūst pa elektriskām ķēdēm, ļauj datoriem veikt aprēķinus,” tā sacīja Apvienotās Karalistes Nacionālā grafēna institūta materiālu profesore Sāra Heiga (Sarah Haigh).
Mēs izmantojam silīcija pusvadītājus katru reizi, kad lietojam kredītkarti, iedarbinām automašīnu, atveram durvis autobusos un vilcienos un, protams, lietojam viedtālruni vai klēpjdatoru. Taču silīcija pusvadītāju izmantošanai ir savas robežas, kas lika zinātniekiem meklēt jaunu materiālu. “Uz silīcija pusvadītājiem bāzētajai elektronikai ir nepieciešams diezgan liels jaudas un enerģijas daudzums, tostarp enerģija, kas nepieciešama, lai atdzesētu elektroniku, novadot tās darbības rezultātā radīto siltumu,” tā “Deutshe Welle” sacīja Heiga.
Viena no zinātniekiem pieejamām alternatīvām bija grafēns. Grafēns ir oglekļa viena atoma biezuma slānis, kas veidots ar sp2 starpatomu saitēm heksagonālā divdimensiju kristāliskajā režģī, būtībā tas ir grafīta viens slānis, kas atdalīts no kopējā kristāla, tas ir 2D materiāls, kuru kopā satur spēcīgākās līdz šim novērotājām ķīmiskajām saitēm.
Tas ir neticami izturīgs materiāls — apmēram 200 reizes stiprāks par tēraudu. Tas ir tik spēcīgs, ka jūs varat noturēt futbola bumbu gaisā izmantojot tikai vienu grafēna atomu slāni.
Grafēns ir arī neticami elastīgs materiāls padarot to ideāli piemērotu izmantošanai elektriskās ierīcēs un akumulatoros, to iespējams uzdrukāt arī uz stikla, plastmasas vai auduma. Bet tieši grafēna potenciāls tā izmantošanai ātrāka un energoefektīvāka pusvadītāja lomā ir tas, kas visvairāk ir sajūsminājis zinātniekus.
“Iespēja saglabāt grafēna elektronu vadītspējas efektivitāti un milzīgo darbības ātrumu, pie tam nepatērējot lielu enerģijas daudzumu, piedāvā mums milzīgu potenciālu, lai tos izmantojot varētu radīt “ārpus silīcija” elektroniku, respektīvi vidi, kurā darbojoties datori būs ātrāki un patērēs mazāk enerģijas,” teica Heiga. “Kau arī zinātnieki ir mēģinājuši realizēt grafēna izcilo vadītspēju elektroniskajās shēmās vairāk nekā desmit gadus, līdz šim tam bija lieli trūkumi, kas mums neļāva to izmantot,” piebilda viņa.
De Hēra vadītā komanda izdomāja, kā audzēt grafēnu uz īpašām silīcija karbīda plāksnītēm. Pētījums ilga 10 gadus, jo komanda pilnveidoja materiālus un mainīja grafēna ķīmiskās īpašības, līdz tika sasniegta ideāla struktūra. Tā rezultātā grafēns ir ieguvis spēju darboties kā augstākās kvalitātes pusvadītājs, kas ir konkurētspējīgs arī ar tādu materiālu kā silīcijs.
“Grafēna labā lieta ir tā, ka jūs varat ne tikai padarīt lietas mazākas un ātrākas un ar mazāku siltuma izvadi, bet arī faktiski izmanto tādas elektronu īpašības, kas, izmantojot silīciju, nemaz nav pieejamas. Tātad šī patiešām ir paradigmas maiņa — tas ir atšķirīgs veids kā turpmāk darboties ar elektroniku,” sacīja de Hērs.
Eksperti saka, ka inovācijai ir milzīgs potenciāls elektronikas nozarē. Pirmkārt, tas varētu ļaut mums izveidot jaunus grafēna pusvadītājus, kas ir daudz jaudīgāki, bet patērē daudz mazāk enerģijas nekā silīcija pusvadītāji. “Grafēna elektronika ir efektīvāka, jo tās ieslēgšanai un izslēgšanai ir nepieciešams mazāk enerģijas. Tā arī nodrošina elektronu plūsmu, neradot daudz lieka siltuma, kas pēc tam ir jāatdzesē ar ventilatoriem [kuru darbināšanai atkal ir nepieciešama enerģija],” sacīja Heiga.
“Tas nozīmē to, ka mūsu viedtālruņi varēs darboties nedēļām ilgi bez nepieciešamības to atkārtoti uzlādēt, samazinot ikdienas enerģijas patēriņu visās mūsu dzīves jomās, un tādējādi samazinot arī mūsu izmaksas, kā arī fosilā kurināmā radīto piesārņojumu,” viņa piebilda.
De Hērs sacīja, ka viņa atklājums varētu mainīt elektronikas nākotni. Pirmkārt, jaunie grafēna supravadītāji varētu būtiski paātrināt kvantu skaitļošanas tehnoloģiju attīstību, raksta “Deutsche Welle”. Kvantu datori var dažu sekunžu laikā atrisināt problēmas, kuru izskaitļošanai parastajiem superdatoriem būtu nepieciešami tūkstošiem gadu. Taču šie datori joprojām ir tikai sākotnējās izstrādes stadijā. Eksperti saka, ka grafēna pusvadītāji varētu palīdzēt pārvarēt daudzas līdz šim konstatētās kvantu datoru radīšanas problēmas.
