Nowe materiały zapewnią rozwój elektroniki w zastosowaniach specjalistycznych

Nanorurki, fullereny, a zwłaszcza grafen, to stosunkowo „młode” materiały, a ich właściwości są dopiero poznawane i ciągle zaskakują naukowców. Ze wszystkich wymienionych odmian węgla zdecydowanie najlepiej poznaną jest diament – prace nad jego wykorzystaniem na masową skalę w komercyjnych układach elektronicznych trwają już od ponad 15 lat.

Diamenty

Ze względu na bardzo dużą przewodność cieplną diamentu od dawna prowadzone są badania nad zastosowaniem tego materiału do zwiększenia możliwości odprowadzania ciepła w układach elektronicznych. W miarę wzrostu gęstości upakowania układów elektronicznych cieplne właściwości tlenków krzemu stosowanych w tradycyjnych strukturach SOI (Sillicon on Insulator) okazują się niewystarczające. Dlatego wprowadzane są modyfikacje, w których używane są płytki diamentowe.

Rys. 1. Układ scalony w technologii SOD. Przewodność cieplna powłoki diamentowej o grubości kilkunastu μm jest 2–3 razy większa niż miedzi i 10 razy większa niż krzemu

W powstałej w ten sposób technologii krzemu na diamencie (Silicon on Diamond, SOD) zamiast izolacyjnej warstwy tlenku na podłoże krzemowe nanoszona jest warstwa diamentu (rys. 1), która znacznie lepiej rozprasza ciepło wydzielane w złączu, obniżając jego temperaturę. Testowane są także same podłoża diamentowe w połączeniu z półprzewodnikami takimi jak np. arsenek galu, których cechy nie zawsze są w pełni wykorzystywane ze względu na słabe właściwości termiczne tradycyjnych podłoży.

Naukowcy pracują też nad urządzeniami elektronicznymi opartymi na syntetycznych diamentowych półprzewodnikach, czemu sprzyja postęp w zakresie produkcji diamentów, a w szczególności technologii CVD (Chemical Vapour Deposition). Z drugiej jednak strony ciągle problemem pozostaje domieszkowanie diamentów ze względu na brak odpowiednich domieszek. Kłopotliwe jest zwłaszcza uzyskanie półprzewodników typu n, a ponadto domieszkowane regiony diamentu mogą przekształcać się w grafit.

Mimo to niektórym firmom udaje się te przeszkody omijać. Przykładem są ultrananokrystaliczne diamenty firmy Advanced Diamond Technologies. Domieszkowanie tego naturalnego izolatora azotem pozwala uzyskać dużą przewodność. Ponadto domieszki nie są w tym przypadku wprowadzane bezpośrednio do sieci krystalicznej, ale są umieszczane między nanocząstkami ziaren węgla i dzięki temu nie ulegają przemianie w grafit. Domieszkowanie oraz modyfikacje tego procesu pozwalają zmieniać przewodność elektryczną ultrananokrystalicznych powłok diamentowych o kilka rzędów wielkości.

Nanorurki węglowe pod mikroskopem elektronowym

Mimo że budowane są już tranzystory diamentowe, które mogą być w przyszłości wykorzystane np. w samochodowych radarach antykolizyjnych pracujących w wysokich temperaturach lub w komputerach kwantowych, obecnie diamentowe płytki są używane głównie w układach MEMS. Decydują o tym przede wszystkim mechaniczne i termiczne właściwości diamentów. Na przykład duża wartość modułu Younga pozwala rezonatorom MEMS na bazie diamentu pracować w zakresie częstotliwości gigahercowych. Dodatkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej zapewnia odpowiednią stabilność temperaturową, twardość chroni przed zużywaniem, a dobra smarowność zmniejsza tarcie.

Fullereny

Fullereny to cząsteczki złożone z parzystej liczby atomów węgla, tworzących układ sprzężonych pierścieni składających się z pięciu lub sześciu atomów. Najbardziej znaną strukturą fullerenową jest bryła w kształcie dwudziestościanu ściętego, zbudowana z 60 atomów węgla (C60). Inne popularne odmiany to np. C70 i C76, chociaż spotykane są też fullereny zbudowane z 28 lub nawet 600 atomów węgla. Od momentu odkrycia w 1985 roku fullereny budzą spore zainteresowanie świata nauki i techniki.

Charakteryzuje je wytrzymałość na wysokie temperatury i ciśnienie, a domieszkowanie pozwala uzyskać fullereny o elektrycznych właściwościach izolatorów, półprzewodników, przewodników, a nawet nadprzewodników. Fullereny domieszkowane metalami alkalicznymi, np. rubidem, stają się przewodnikami, z kolei domieszkowanie potasem, w zależności od jego ilości, sprawia, że fullereny uzyskują właściwości nadprzewodnictwa lub stają się izolatorem. Dzięki temu fullereny znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach elektroniki.

Dotychczas wykorzystano je np. w połączeniu z polimerami w ogniwach słonecznych, w ogniwach paliwowych oraz urządzeniach optoelektronicznych. Na bazie fullerenów zbudowano także tranzystor. W 2007 roku naukowcy z Georgia Institute of Technology wyprodukowali wysoko sprawny tranzystor FET, używając cienkowarstwowych powłok C60.

Zespół naukowców z Georgia Institute of Technology, którzy zbudowali tranzystor z fullerenów

Najważniejszym osiągnięciem w tym przypadku było to, że tranzystor, w którym udało się uzyskać dużą ruchliwość elektronów, znacznie przekraczającą ruchliwość nośników w amorficznym krzemie, wyprodukowano w temperaturze pokojowej. Mimo że tranzystor w tym przypadku zbudowano na krzemowym podłożu, możliwość produkcji takich układów na bazie fullerenów w temperaturze pokojowej pozwala też brać pod uwagę inne podłoża, np. elastyczne, z tworzyw sztucznych. Tego typu elastyczne organiczne tranzystory mogą znaleźć zastosowanie w szeregu aplikacji, w których wykorzystanie krzemowych tranzystorów CMOS nie jest opłacalne.

Nanorurki

Nanorurki węglowe, czyli struktury w kształcie pustych grafitowych walców o średnicy w granicach kilku nanometrów odkryto nieco później niż fullereny, bo w 1991 roku. Początkowo były to struktury wielowarstwowe (wielościenne), ale w 1993 roku odkryto też nanorurki jednowarstwowe. Nanorurki są lekkie i jednocześnie ekstremalnie wytrzymałe mechanicznie – ich wytrzymałość na rozciąganie jest kilkadziesiąt razy większa niż stali.

Właściwości elektryczne zależą od ich struktury: średnica i stopień skręcenia decydują o tym, czy nanorurka jest metalem, czy półprzewodnikiem. Ponadto nanorurki charakteryzuje bardzo dobra przewodność cieplna. Z punktu widzenia zastosowania nanorurek w elektronice kluczowa okazuje się jednak zdolność do przewodzenia prądów o bardzo dużych gęstościach, znacznie przekraczających możliwości innych przewodników.

Tranzystor FET z fullerenów

W nanorurkach nie występuje zjawisko elektromigracji, a ciepło generowane w wyniku przepływu prądu stanowi jedynie 1% ciepła wydzielanego np. w miedzi. Dlatego zdaniem naukowców nanorurki węglowe mogą wkrótce zastąpić metale używane dziś w elektronice (np. miedź) i prawdopodobnie w przyszłości będą głównym materiałem, z którego będą wykonywane połączenia w obrębie układów scalonych.

Ostatnie badania dowiodły kolejnej zaskakującej właściwości nanorurek węglowych, którą już wcześniej naukowcy przewidywali na podstawie obliczeń teoretycznych i symulacji. Okazało się, że w metalowych nanorurkach nie występuje efekt termoelektryczny. Oznacza to, że zmiana temperatury stykających się powierzchni nie będzie skutkować przepływem prądu. Kolejną ciekawą właściwością nanorurek metalowych jest to, że wszystkie elektrony poruszają się w nich z jednakową prędkością, na którą nie wpływa zmiana temperatury.

Ważną cechą nanorurek jest też zdolność do emisji elektronów przy stosunkowo niskim napięciu, co wykorzystano w produkcji kolorowych wyświetlaczy FED (Field Emission Display). Ze względu na swoje właściwości nanorurki od momentu odkrycia interesują naukowców i są testowane pod kątem zastosowania w urządzeniach elektronicznych, takich jak tranzystory, ogniwa paliwowe, czujniki, superkondensatory, przezroczyste powłoki przewodzące i inne (patrz: ramka).

Nanorurki w różnych aplikacjach Pamięć z nanorurek Rys. 2. Tranzystor z nanorurkami (źródło: PhysOrg.com) Na początku 2009 roku naukowcy z Uniwersytetu Helsińskiego zbudowali z tranzystorów nanorurkowych pamięć o parametrach porównywalnych z Flash. Nie jest to pierwsza nanorurkowa pamięć, jednak w porównaniu do wcześniejszych modeli ten układ jest około 100 tys. razy szybszy, a parametry zachowuje przez około 10 tys. cykli zapis/kasowanie. Podstawą układu są tranzystory FET z jednowarstwowymi nanorurkami węglowymi. Pojedynczy tranzystor składa się z krzemowego podłoża, na które naniesiono warstwę dwutlenku hafnu o grubości 20nm, następnie pokrytą roztworem z nanorurek o średnicy 1,2–1,5nm i długości 100–360nm. Naukowcy, wykorzystując mikroskop sił atomowych, zidentyfikowali odpowiednio ułożone nanorurki, które nadawały się do budowy tranzystorów. Każdą nanorurkę połączono z elektrodami źródła i drenu, wykonanymi z palladu. Nanorurki w elastycznych, przezroczystych superkondensatorach Rys. 3. Schemat superkondensatora (źródło: USC) Naukowcy z USC (University of California) zbudowali superkondensator o gęstości energii i pojemności znacznie większej niż w kondensatorach wykonanych w tradycyjnej technologii. Do jego budowy wykorzystano połączenie nanokabli (nanowires) z tlenku indu oraz nanorurek węglowych. Z tych materiałów uformowano niejednorodne powłoki, które następnie połączono z podłożem z tworzywa sztucznego, tak by uzyskać elastyczne oraz przezroczyste elektrody superkondensatora. Baterie z nanorurkami Rys. 4. Matryca nanorurek w powłoce z tlenku manganu na podłożu ze złota (źródło: Rice University) Naukowcy z Rice University zaproponowali wykorzystanie nanorurek do konstrukcji elektrod w bateriach litowo-jonowych. Zgodnie z ich koncepcją rolę elektrod pełniłyby matryce zbudowane z rurek z powłoką wykonaną z tlenku manganu i rdzeniem z nanorurek. Naukowcy w ten sposób chcą jednocześnie wykorzystać zalety i ominąć wady obu materiałów: dużą przewodność elektryczną nanorurek, które niestety pochłaniają lit oraz gorszą przewodność tlenku manganu, który jednak znacznie zwiększa pojemność baterii. Zdaniem naukowców połączenie obu materiałów będzie skutkować zwiększeniem liczby cykli ładowania baterii oraz ich większą pojemnością. Trójwymiarowe ogniwa słoneczne z nanorurek Przekrój przez pojedynczy element ogniw słonecznych 3D: nanorurki węglowej pokrytej powłoką z tellurku kadmu Naukowcy z Georgia Tech Research Institute zbudowali trójwymiarowe ogniwo słoneczne, które składa się z matrycy struktur przypominających miniaturowe wieże o wymiarach 100μm na 40μm na 40μm, rozmieszczonych w odstępie 10μm. Produkcja rozpoczyna się od przygotowania krzemowej płytki podłożowej. Następnie wykorzystując proces fotolitografii, na podłoże nanosi się odpowiedni wzór z żelaza. Tak przygotowana płytka jest wygrzewana w piecu o temperaturze 780°C, do którego wprowadza się węglowodór. Następnie w procesie CVD na wzorze z żelaza osadzane są wielowarstwowe nanorurki węglowe. Kolejnym etapem jest pokrycie nanorurek fotowoltaicznymi powłokami z tellurku kadmu i siarczkiem kadmu. Ostatnią warstwą jest cienka powłoka z przezroczystego tlenku cynowo-indowego, która służy jako górna elektroda ogniwa. W tak przygotowanej strukturze nanorurki pełnią funkcję nanowsporników i jednocześnie są kanałem przewodzącym między fotowoltaicznymi materiałami i krzemowym podłożem. W ogniwach słonecznych wykonanych w tradycyjny sposób, część padającego światła ulega odbiciu. Naukowiec z prezentuje ogniwo słoneczne z nanorurkami Wykorzystanie wież z nanorurek w konstrukcji zaproponowanej przez uczonych z Georgia Tech Research Institute pozwala przechwytywać i pochłaniać światło padające pod różnymi kątami. Znacznie zwiększa to sprawność ogniw, zwłaszcza w sytuacji, gdy źródło światła nie znajduje się bezpośrednio nad nimi. Dzięki temu nowe ogniwa 3D nie wymagają stosowania mechanicznych układów śledzenia słońca, co w wielu zastosowaniach może znacznie uprościć konstrukcję całego systemu słonecznych baterii.

Grafeny

Naukowcy z uniwersytetu w Manchasterze pracują nad nowymi urządzeniami na bazie grafenu

Zdaniem naukowców spośród wszystkich odmian węgla najbardziej obiecującą dla elektroniki jest odkryty w 2004 roku grafen. Materiał ten jest formą grafitu, składającą się z pojedynczej warstwy atomów węgla tworzących sieć heksagonalną. Strukturę tę ze względu na to, że ma grubość jednego atomu, określa się jako dwuwymiarową.

Podobnie jak pozostałe odmiany węgla grafen jest dobrym przewodnikiem cieplnym i elektrycznym – nawet w temperaturze pokojowej ruchliwość elektronów w grafenie jest ponad 100 razy większa niż w krzemie. Ze względu na te właściwości od momentu odkrycia grafen cieszy się dużym zainteresowaniem świata nauki i przemysłu.

Pracą nad nowymi sposobami wykorzystania tego materiału w ciągu kilku ostatnich lat zajmowało się wielu naukowców i inżynierów. W efekcie udało się m.in. inżynierom z IBM zbudować tranzystor na bazie grafenu. O krok dalej poszli naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) – udało im się skonstruować powielacz (podwajacz) częstotliwości.

Układy tego typu są powszechnie stosowanie w telekomunikacji. Ich wadą jest jednak niska sprawność oraz wprowadzanie szumów do sygnału wyjściowego, wymagającego w związku z tym dodatkowego filtrowania. W powielaczu grafenowym tych problemów udało się uniknąć. Zdaniem naukowców w ciągu roku lub dwóch dostępna będzie komercyjna wersja tego układu.

Grafan i inne modyfikacje grafenu

Na początku 2009 roku naukowcy z uniwersytetu w Manchasterze udowodnili, że grafen reaguje z innymi substancjami, tworząc nowe struktury o właściwościach szczególnie użytecznych w elektronice. W ten sposób udało im się uzyskać nowy materiał – grafan, będący modyfikacją grafenu powstałą w wyniku jego połączenia z wodorem. Uzupełnienie sieci atomów węgla atomami wodoru nie zmieniło tak charakterystycznej dla grafenu dwuwymiarowej struktury, jednak diametralnie zmieniło jego właściwości.

Naukowcy z uniwersytetu w Manchasterze pracują nad nowymi urządzeniami na bazie grafenu

Nowy materiał, w przeciwieństwie do dobrego przewodnika, jakim jest grafen, stał się izolatorem. Oprócz efektu w postaci nowego materiału odkrycie grafanu dowiodło, że grafen można modyfikować chemicznie na różne sposoby, co w przyszłości może zaowocować odkryciem wielu nowych materiałów. Mimo że grafen w czystej postaci jest doskonałym przewodnikiem, to możliwość wpływania na jego właściwości elektryczne metodami chemicznymi jest olbrzymią zaletą i w przyszłości znacząco ułatwi konstruowanie urządzeń elektronicznych.

Inny sposób na kontrolowanie właściwości grafenu na początku bieżącego roku odkryli też naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute z USA. Na podstawie prowadzonych na wielką skalę symulacji w zakresie mechaniki kwantowej badaczom udało się ustalić, że na przewodnictwo grafenu wpływa rodzaj podłoża, na którym jest on osadzony. Okazało się, że grafen naniesiony na materiał utleniony wykazuje właściwości półprzewodnika, natomiast na materiale uwodornionym ma właściwości metalu.

Otwiera to zupełnie nowe możliwości w zakresie modyfikacji właściwości grafenu w zależności od potrzeb. Jest to o tyle interesujące, że w tradycyjnej metodzie produkcji nanostruktur grafenowych nie zawsze udaje się uzyskać materiały o identycznym przewodnictwie w ramach jednej partii materiału, a ewentualne rozdzielenie różnych obszarów jest niemożliwe. Metoda przedstawiona przez amerykańskich naukowców może się okazać w tym przypadku bardzo użyteczna.

W przyszłości grafen będzie prawdopodobnie podstawowym materiałem do budowy superszybkich układów scalonych. Zdaniem naukowców z MIT wykorzystanie grafenu umożliwi produkcję układów pracujących w zakresie częstotliwości od 500 GHz do 1 THz. Aktualnie uczeni pracują głównie nad metodami wytwarzania tego materiału, które można wdrożyć w masowej produkcji, najlepiej wykorzystując technologie już znane i używane w przemyśle półprzewodnikowym, co ograniczyłoby koszty wdrożenia.

Podsumowanie

Analitycy przewidują, że w ciągu kilku najbliższych lat technologie przetwarzania węgla zostaną rozwinięte na tyle, by dostępne stały się materiały na bazie odmian tego pierwiastka. O tym jednak, jak szybko materiały te zostaną wykorzystane w rzeczywistych urządzeniach, trudno spekulować. Śledząc informacje o odkryciach w zakresie technologii węglowych dla elektroniki, można odnieść wrażenie, że jak dotychczas nowymi materiałami interesują się głównie uczelnie i ośrodki badawcze. O problemach z wejściem na rynek urządzeń bazujących na nowych materiałach węglowych informują firmy komercyjnie zajmujące się tą tematyką. Trudno oczekiwać, że sytuacja ta szybko ulegnie zmianie, zwłaszcza w czasach, gdy przemysł elektroniczny zmaga się z kryzysem.

Monika Jaworowska