ПОЛНОСТЬЮ УГЛЕРОДНАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА (проект)

• ВВЕДЕНИЕ
• ГРАФЕН – ПЛАТФОРМА ПОЛНОСТЬЮ УГЛЕРОДНОЙ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
• ТРУДНОСТИ И НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
• ВИДИМЫЕ УЖЕ СЕЙЧАС ПРЕИМУЩЕСТВА
• ПРИНЦЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ НАД ПРОЕКТОМ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

Известно, что при дальнейшей миниатюризации микроэлектронных систем переход от нано к субатомным структурам встречает непреодолимые трудности [1]. Исчерпанность кремния как платформы ни у кого не вызывает сомнений. GaAs, алмаз - несмотря на возлагавшиеся на них большие надежды - 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.

При функционировании таких систем проблема отвода тепла остается одной из самых трудно решаемых. Стремление перейти на гибкие платформы, уйти от жестких пластин, приблизить по возможности устройство к тому, что постоянно делает природа, наталкивается на непреодолимые трудности. Попытки имплантации отдельных элементов «классических» интегральных схем в живые системы часто сопровождаются отторжением. Непревзойдённые информационные возможности разнообразных живых систем постоянно привлекали внимание специалистов в области информатики в широком смысле этого слова. Задачей недавно возникшей нейроинженерии стало создание биосовместимых интерфейсов – гибридных систем из живых и неживых элементов. Всевозрастающий интерес к биологическим носителям информации и системам передачи импульсов в живых организмах с одной стороны, и работы по развитию нейронных систем и сетей – с другой, при существующих технологиях не находят перспективного продолжения. Интенсивное развитие молекулярной электроники и некоторые полученные весьма перспективные результаты оказалось невозможным совместить с традиционной кремниевой платформой. Несмотря на то, что в последние 20 лет были затрачены значительные усилия и вложены немалые средства в исследования углеродных нанотрубок (УНТ), они пока не создали мейнстрим в наноэлектронике; уникальные свойства УНТ, как элементов субатомных электронных приборов «повисли в воздухе» – совмещение их с кремниевой технологией (встраивание в существующие технологии) оказалось проблематичным.

Все это делает актуальным поиск иных платформ, на основе которых можно было бы создать универсальные субатомные информационные нанотехнологии будущего. Открытие графена и первые исследования его свойств дают основания надеяться, что такая платформа может быть найдена [2]. Можно полагать, что графеновые листы большой площади позволят при формировании элементов использовать хорошо отработанные парадигмы современной микроэлектроники для тонкоплёночных технологий, разновидности нанолитографии и принтерной печати; это даст возможность реализовать требуемую сегодня (и завтра) плотность расположения элементов и создавать «мягкие» приборы и устройства высокой эффективности.

Главный результат работ Новосёлова и Гейма, нобелиатов 2010 года – появившаяся у научного сообщества надежда, что рано или поздно (лучше – рано) можно будет создать полностью углеродную наноэлектронику, где все функции будут выполнять материалы на углеродной основе, без традиционных полупроводников и металлов [3] Эта великая цель вдохновляет многих исследователей, работающих в этой области. Советский союз в свое время «проспал» компьютерную революцию. Сегодняшней России совершенно недопустимо оказаться в стороне от столбовой дороги развития электронизации общества - полностью углеродной наноэлектроники. Активное участие в реализации такого Проекта 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. Именно в этом проявляется зрелость страны и мудрость её руководства, понимание научной элитой глобальных тенденций развития науки. Добившись успехов в реализации данного Проекта мы вернём самоуважение нашим гражданам, которого они лишились 20 лет назад.

Графен является самым тонким материалом и при этом, наиболее прочным. Он совершенно прозрачен и является отличным проводником с высокой подвижностью носителей тока при комнатной температуре. Прежде всего, графен может проявлять металлическую проводимость (являться полуметаллом) и тем самым использоваться в качестве подводящих электродов. Частично меняя структуру графенового листа, можно получить материал с полупроводниковыми свойствами, что является основой создания аналогов полевых транзисторов. Гидрирование или фторирование графена приводит к получению диэлектрического слоя, который можно использовать в качестве подложки. Наиболее революционной является идея создания полностью углеродной высокоскоростной электроники, где все элементы (элементная база) будут изготовлены на основе графена и его производных. Графен рассматривается как единственный перспективный материал для наноэлектроники будущего как в виде продолжения «классической» микроэлектроники, так и в варианте спинтроники, нейросетей, квантовых компьютеров и т.п. Считается, что полностью углеродная электроника будет избавлена от ряда трудноразрешимых проблем современной сверхплотной электроники, таких как отвод тепла, увеличение быстродействия, достижение атомных размеров элементов и т.п. Исследования в области построения электронных устройств на основе графена ведутся достаточно интенсивно. Процессоры на кремниевых транзисторах выполняют определенное количество операций в секунду, сопровождающееся выделением большого количества тепла. В графене электроны перемещаются практически без сопротивления, выделяя при этом очень мало тепла. Помимо этого, графен – хороший тепловой проводник, что позволяет быстро рассеивать избыточное тепло. Из-за этих и других факторов электроника на основе графена, может работать на гораздо более высоких частотах. Поэтому графен рассматривается как перспективный материал для наноэлектроники, несмотря на то, что у него ширина запрещенной зоны E_g = 0 и поэтому он не может использоваться впрямую, например, для создания биполярных транзисторов с комнатной рабочей температурой. Это ограничение, как будет показано ниже, не распространяется на полевые и одноэлектронные транзисторы. На основе графена созданы первые лабораторные полевые транзисторы, которые, как предполагается, могут совершить прорыв в наноэлектронике [4]. Для изготовления транзистора несколько капель дисперсии, содержащей графеновые листы, наносили на кремниевую подложку, покрытую слоем SiO₂ толщиной 200 нм, а также тонкими золотыми полосками-электродами, отстоящими друг от друга на расстоянии около 1 мкм. В результате испарения растворителя отдельные чешуйки графена попадали в промежуток между электродами, что приводило к образованию двухконтактного, либо трехконтактного полевого транзистора; в качестве запирающего электрода использовалась тыльная сторона кремниевой пластины. Сообщается о создании действующего транзистора на основе бислойного графена с высокими параметрами [5]. Более того, в дальнейшем было показано, что графен может быть использован для решения проблем терагерцевой электроники. Так, сконструированный в [6] на основе графена прибор представлял собой высокоскоростной (120–200 fs) транзистор, работающий с частотой 700-1400 GHz.

Показано, что можно использовать графеновые островки небольших размеров в качестве основы одноэлектронных транзисторов [7], что открывает возможности для создания электронных устройств с использованием «квантовых точек» на основе графена.

Сообщается о разработанной технологии формирования электронных схем с использованием протяжённой графеновой плёнки, полученной методом spin-coating дисперсии графена в растворителях с последующей лазерной печатью без использования каких-либо масок. Для демонстрации возможностей этой технологии авторы создали работающий прототип гибкой ячейки памяти типа WORM (многократной записи и считывания); плотность записи 500000 бит/см² – и это не предел, плюс высокое быстродействие.

Уже созданы элементы памяти, мягкие, полностью углеродные (WORM memory devices) с вполне приемлемыми характеристиками [8], логические элементы, инверторы, работающие при обычных условиях. Для создания элементной базы углеродной электроники необходимы квазиодномерные нанопровода, проявляющие квантовые свойства проводимости при комнатной температуре и позволяющие создавать наноконтакты между элементами электронных схем. В дополнение к углеродным нанотрубкам уже полученные и исследованные полоски графена обладают свойствами квантовых проводов.

Таким образом, идея создания полностью углеродной высокоскоростной электроники, где все элементы (элементная база) будут изготовлены на основе графена и его производных: активные и пассивные элементы, интегральные схемы, теплоотводящие подложки, проводники, полупроводники различных типов, транзисторы, переключатели и т.п. имеет реальную основу. Считается, что дешевые и гибкие полностью углеродные интегральные схемы на основе графена можно будет производить с помощью интенсивно разрабатываемой в настоящее время нанолитографии и принтерной технологии.

В то же время, на пути создания безкремниевой полностью углеродной электроники стоит ряд проблем. Необходимо научиться делать протяжённые бездефектные плёнки однослойного графена на гибких полимерных подложках. Имеющиеся экспериментальные результаты показывают, что сделать это не просто.

Существует определённый скепсис в отношении возможности использования графена в электронике в цифровых устройствах (но не в аналоговых). Видимые на сегодняшний день трудности – отсутствие у подвешенного однослойного графена запрещённой зоны и, следовательно, слишком большие токи утечки в неработающем состоянии и т.п. – не должны нас смущать; ведь и чистый кремний (без легирования) малопригоден в электронике. Интенсивно разрабатываются пути устранения этих препятствий. Графен – химически реакционноспособная полимерная молекула; на ряде примеров это уже показано. Функционализация УНТ разнообразными органическими молекулами достаточно хорошо разработана [9]. Аналогичные исследования графена только начинаются, но не просматривается серьёзных препятствий для того, чтобы не иметь возможность привить на поверхность графена те или иные функциональные молекулы. Показано, что в структуре графена реализуются локальные sp3-дефекты при взаимодействии с солями диазония и другими активными группировками [10]. Ясно, что органическая химия графена – это своеобразный «Клондайк» для химиков–синтетиков. В скором времени на поверхности графена можно будет создавать разнообразные по своей электронной природе рисунки – линии, окружности и т.п. На этой основе может быть разработана единая технология, которая позволит «рисовать» структуры разной природы (проводники, полупроводники, изоляторы) на листе графена, т.е. локально создавать и изменять ширину запрещённой зоны отдельных участков поверхности графена. Будут разработаны методы прививки к поверхности графена молекул различной степени сложности – органических и биомолекул – и тем самым созданы локальные участки наноразмеров с разнообразной функциональностью и физическими характеристиками. Модельные элементы (устройства) молекулярной электроники до сих пор было трудно совмещать с традиционной кремниевой технологией, а также металлическими электродами и прозрачными проводящими слоями типа ИТО - покрытий. Но если полностью перейти на С-электронику, то известные объекты молекулярной электроники с ней легко полностью совмещаются путём прививки на поверхности графена. Т.е. появляется возможность использовать всё то, что было наработано в молекулярной электронике с элементной базой наноэлектроники.

Перспективны «гибкая» электроника, т.е. электроника на гибких носителях – полимерных подложках различного состава вплоть до бумаги, и «печатная» электроника, элементы которой изготавливаются методами принтерной печати чернилами различного состава и функционального назначения. Хорошо известно, что УНТ и графен легко диспергируются в жидкостях с образованием устойчивых дисперсий – чернил. Аналогично ведут себя наночастицы углерода и наноалмаза, что позволяет использовать их для создания рисунков любой топологии методом принтерной печати на любых подложках, в том числе – на гибких полимерных. На этой основе можно создавать электроды (в том числе – прозрачные), полевые транзисторы, сенсоры (и биосенсоры).

Например, на сегодняшний день можно получить устойчивую дисперсию однослойного графена в ряде растворителей и использовать её в качестве чернил для печати наноэлектронных устройств. Однако проводимость и подвижность зарядов таких материалов будет на порядки ниже, чем у подвешенного однослойного графена. Несмотря на это, в таком графене подвижность носителей заряда в худшем варианте в разы больше, чем в кремнии, а в лучшем – в сотни раз. Несмотря на это, многие авторы выражают уверенность в возможности создания полностью углеродной наноэлектроники.

В то же время имеется ряд оригинальных применений, для которых не требуется высокое совершенство структуры графенового листа – это фотоника, сенсоры, прозрачные проводники, полевые эмиттеры и т.п.

Например, в современном мире пристальное внимание уделяется созданию и функционированию гигантских суперкомпъютеров. Они остро необходимы не только для обороны, но и для решения ряда научных задач, для развития деятельности глобальных корпораций и постиндустриального общества в целом. В настоящее время в мире их существует не более 10-ти. Основные проблемы при их эксплуатации – значительное электропотребление (~2МВт) и гигантское тепловыделение – на охлаждение расходуется ~5МВт. Такая ситуация резко повышает интерес к углеродной элементной базе, использование которой заведомо приведёт к намного меньшим энергозатратам и существенному снижению тепловыделения.

Один из важнейших параметров – быстродействие. Средства обработки информации бытового назначения должны быть лёгкими, мобильными, с высокой степенью надёжности, массовыми и дешевыми. Они должны решать задачи в реальном масштабе времени – времени реакции человека, в интервале 1.0–0.1 сек. По-существу, те же требования предъявляются и к автономным системам наведения. Современные технологии создания электронных схем позволяют формировать чипы, на которых одновременно размещаются многочисленные инверторы и логические схемы на их основе, трансформеры, детекторы, датчики, преобразователи, усилители, контроллеры и другие приборы, а также средства связи между ними. Всё это можно реализовать на углеродной основе и повысить быстродействие на порядки.

Преимущества углеродной элементной базы:

• При переходе от современных интегральных схем к углеродным структурам должно произойти существенное сокращение числа стадий их производства, которое должно быть ещё более автоматизировано.
• Плотность элементов увеличится на порядки, а энерговыделение уменьшится.
• Увеличится быстродействие отдельных элементов, что позволит увеличить на несколько порядков производительность обработки информации.

Особенности строения и свойств графенового листа открывают перед конструкторами электронных устройств такие возможности, которые не находили решения при использовании традиционных материалов современной электроники. Например, для индустрии солнечных батарей нового поколения очень важно найти замену ИТО-покрытию из-за его дороговизны и ограниченности ресурсов индия. Прозрачные электроды на основе графена вполне могут заменить ИТО. При этом технология высокотемпературного напыления ИТО заменяется простым вальцеванием графена при комнатной температуре. Имеется множество идей изготовления прозрачных графеновых электродов для светодиодов и солнечных батарей [11], а также утилизации и сохранения энергии в аккумуляторах и суперконденсаторах полностью на углеродной основе [12]. На пути создания полностью углеродных светоизлучающих диодов методом принтерной печати достигнуты впечатляющие результаты. Светоизлучающие диоды на основе УНТ с хорошими характеристиками уже созданы; они исключают использование ИТО и другой неорганики [13].

Имеется ряд других не менее интересных областей применения графена на пути создания полностью углеродной наноэлектроники.

Особенностью данного направления является его чрезвычайно высокая наукоёмкость и отчётливый междисциплинарный характер: ни одна существующая область науки не может заявить свой приоритет в развитии этого направления. Отсюда – необходимость собрать «под одной крышей» специалистов разного профиля. Сегодня в России научно-инновационная деятельность настолько забюрократизирована, что серьёзные исследователи шарахаются от любых крупных Проектов, предпочитая участвовать в небольших разработках.

В то же время нужда в крупных Проектах очевидна. В России сегодня есть много небольших научных групп, объединяющих специалистов высочайшего уровня в области естественных и технических наук. Их неформальное (а в перспективе – может быть и организационное) объединение вокруг Проекта уровня Атомного проекта 40-60-х годов или Космического проекта 60-70-х годов или на худой конец – Проекта типа высокотемпературной сверхпроводимости 80-90-х годов прошлого века – вполне актуальная и, по-видимому, реальная задача. Высококвалифицированные специалисты не видят такого Проекта среди той суеты, которая идёт вокруг нанотехнологий или Сколково и поэтому чураются каких-либо шагов в этом направлении. Все эти лоты и программы Миннауки, Роснано, Ростехнологии, Росатома и т.п., многостраничные анкеты из 60–70-ти пунктов, заполнение разнообразных форм, поиск мифических частных инвесторов и т.п. – воспринимаются как безумные бюрократические игры.

Работа должна вестись так, как был организован Атомный проект, с одной стороны, и как сегодня работает американское агентство DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)[14], с другой. Поскольку ожидать рождения у нас новой формы общения государства и научно-инженерного сообщества, какой является DARPA, не приходится, то оптимальным, по-видимому, было бы возвращение к «хорошо забытому старому» - системе Атомного проекта СССР 40-60-х годов. Предлагаемый Проект – задача того же уровня на сегодняшний день. Это задача стратегического масштаба. Безопасность, обороноспособность страны, интеллектуальный уровень и комфорт ее людей определяется мощью её экономики. Мощь современной экономики определяется степенью её насыщения микропроцессорами и электроникой, которыми теперь пронизано все живое и неживое. Современная электроника подошла к очередному своему рубежу – необходимости перехода на новую платформу – углеродную. Этот переход в условиях нашей страны представляется возможным только на государственной основе.

Т.е. должен найтись кто-то, который, как когда-то Флеров Сталину, объяснит популярно руководству страны суть и значимость проблемы. Руководство страны поняв, что углеродная электроника - неизбежная реальность ближайшего времени – будут вынуждены принять радикальные решения по перестройке всей элементной базы информационных технологий ближайших десятилетий, как военных, так и бытовых. Все эти судорожные попытки «возродить» великолепную электронную промышленность 70-ых – 80-ых годов, создать собственное производство электронного кремния в Усолье Сибирском и т.п. шаги сразу теряют всякий смысл. Необходимо не догонять, а сразу перепрыгнуть через несколько ступеней и активно включиться в создание основ элементной базы информационных технологий второй половины 21-го века.

Нужно отдавать себе отчёт в том, что сколь бы энергично и быстро мы не взялись за реализацию такого Проекта, придётся работать в условиях жесточайшей конкуренции. Ведущие транснациональные корпорации в области информационных технологий уже начали бег на этой дистанции и с каждым днём будут его ускорять. Число публикаций (и патентов) по графеновой тематике удваивается каждые 1,5 месяца.

Поэтому должен быть создан «мозговой центр» из 7-10 специалистов высшей квалификации, работающий над Проектом на постоянной основе – «законодательный орган». Он формулирует перечень проблем как перечисление узких мест на пути создания того или иного прибора или изделия, как части решения общей задачи, а также форсирует решение той или иной частной исследовательской задачи. Рассматривает варианты, если надо – привлекает независимых экспертов и затем поддерживает 2–3 наиболее удачные решения, постоянно следя за ходом работ. При этом «прибыль», «отдача» и прочие подобные чиновничьи радости должны быть безусловно выведены за рамки работ по данному Проекту.

В придачу к Мозговому центру должен быть исполнительный орган, с бюджетом и руководителем – очередным «Берией», т.е. человеком, облечённым неограниченными полномочиями, способным преодолевать любые барьеры (в первую очередь – таможенные). С его помощью должен реализоваться принцип: учёным, работающим над этим Проектом, нужен прибор (реактив, изделие, биообъект и т.п.) – необходимо срочно (в течение 2-х недель) обеспечить. Это должно быть законом. Финансировать такой Проект безусловно должно Государство – это его престиж, его место среди ведущих научных держав. Ведь в конечном итоге все информационные (и не только) технологии середины 21-го века будут создаваться на этой основе и вопросы безопасности, обороноспособности страны, интеллектуального уровня и комфорта граждан напрямую будут связаны с успехами в этой области.

Вопрос об участии частного капитала должен решаться в каждом конкретном случае при появлении отдельных результатов (разработок), пригодных для быстрой реализации в виде сопряжённых субпроектов.

В сочетании с хорошими электрофизическими и механическими характеристиками, а также химической и термической стабильностью графен является перспективным материалом для будущих наноэлектронных устройств высокой информационной ёмкости и скорости обработки информации, для которых одно из основных ограничений связано с необходимостью эффективного теплоотвода. Все элементы современной наноэлектроники можно реализовать на основе графена и УНТ. Графен может служить единой платформой для наноэлектроники и нанооптики в разных вариантах совмещения. Преимущество состоит в том, что их можно сочетать с элементами оптоэлектронных схем, что нельзя реализовать на кремнии. На графене можно реализовать все достижения современной электроники в самом широком смысле этого слова.

Актуальность этой реализации достигла в настоящий момент предельной остроты. Возможности остаться на уровне мировых достижений в этой области имеются при условии, что Проект по созданию полностью углеродной электроники, будучи государственным, приобретет всероссийский размах. Кроме прочего, в таком Проекте, если он будет запущен, каждый участник самореализуясь, решая свои личные научные, карьерные, финансовые и другие задачи, всегда будет чувствовать, что он участвует в большом и важном, нужном деле. Последнее исключительно важно для научной молодёжи, в силу возраста всегда более склонной к романтике больших дел.

Вынесенная в эпиграф сентенция отражает вполне реальное состояние нашего научного сообщества. Подковать эту блоху – создать такую электронику как базу экономики страны – альтернативы этому нет, если надежды на возрождение страны еще теплятся.

• Korkin A, Rosei F, eds. Nanoelectronics and Photonics: From Atoms to Materials, Devices and Architectures. NY, Springer, 2008, 453 p.
• Губин СП, Ткачев СВ. Графен и материалы на его основе. РЭНСИТ, 2010, 2(1-2):99-137.
• Губин СП, Ткачёв СВ. Графен и родственные наноформы углерода. М., Либроком 2011, 104 c. ISBN 978-5-397-02076-3.
• Weiss PS. A Conversation with Phaedon Avouris, Nanoscience Leader of IBM. ACS Nano, 2010, 4(12):7041-7047.
• 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, 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.
• Губин СП и др. Углеродный суперконденсатор. Заявка на изобретение (ИЗ) RU № 2011129188, приоритет 14.07.2011. Заявитель ООО «АкКоЛаб».
• 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.