Плоскость успеха

Сколько денег тратится впустую в науке? Наверное, никто и не пытался сосчитать. Но недаром же ученые любят повторять, что в науке отрицательный результат - это тоже результат.

Во многих учебниках по рекламе приводится шутка одного американского бизнесмена: "Я точно знаю, что половину денег на рекламу я трачу впустую. Вот только не знаю, какую половину". А сколько денег тратится впустую в науке? Наверное, никто и не пытался сосчитать. Но недаром же ученые любят повторять, что в науке отрицательный результат - это тоже результат. Вот и сейчас совершенно неясно, удастся ли фотонике или спинтронике потеснить электронику и когда это произойдет. Какие технологии придут на смену сегодняшним кремниевым чипам: органические молекулярные вычислители, углеродные нанотрубки или графен? А может быть, появится нечто принципиально новое? Множество исследований идет параллельно, и в этих скачках продолжительностью несколько десятилетий ставки весьма высоки.

Судя по публикациям, в явные фавориты в последние годы выходит графен. Благодаря его плоской структуре, для изготовления схем можно использовать хорошо отработанную фотолитографию и другие известные методы. К плюсам стоит отнести сравнительно высокую прочность и теплопроводность графена. Кроме того, подвижность электронов в нём на два порядка выше, чем в кремнии. Замечательно и то, что электроны в этом материале ведут себя как частицы без массы, то есть во многом подобно фотонам. И хотя скорость электронов в графене много меньше скорости света, она не зависит от их энергии, как у фотонов.

"Отсутствие массы" у электронов в графене приводит к целому ряду замечательных эффектов, которые наверняка найдут применение. Например, в магнитном поле из-за действия силы Лоренца классическая заряженная частица может двигаться по окружности (её диаметр определяется энергией частицы), лежащей в плоскости, перпендикулярной направлению поля. В микромире возможные значения энергии частицы в магнитном поле квантуются подобно допустимым уровням энергии электронов в атоме (их называют уровнями Ландау, в честь знаменитого советского физика). В обычном металле уровни Ландау находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Но если у частицы нет массы, то величина приращения энергии между уровнями начинает изменяться, и появляется дополнительный уровень с нулевой энергией.

В Технологическом институте Джорджии недавно удалось непосредственно наблюдать этот эффект. Уровни Ландау измерили с помощью сканирующего туннельного микроскопа в образце графена, выращенном на подложке из карбида кремния. Полученные результаты прекрасно совпали с предсказаниями теории. А поскольку уровни Ландау весьма чувствительны к качеству самого графена и его взаимодействию с атомами подложки, теперь в руках ученых есть новый мощный метод исследования графеновых чипов.

Важных успехов в трудном деле изготовления больших листов графена добились специалисты из Техасского университета в Остине. Тут заманчивой целью является получение бездефектного листа графена диаметром тридцать сантиметров на стандартной кремниевой подложке, использующейся на современных фабриках. Тогда можно будет задуматься о массовом производстве графеновых чипов, тем более что опытные образцы графеновых транзисторов, ячеек памяти и других компонентов схем делать уже научились (см. "КТ" ##733, 761, 767).

Однако сегодня размеры лучших образцов графена не превышают нескольких микрон. Их получают отшелушиванием одноатомных слоев углерода от куска графита с помощью клейкой ленты, похожей на скотч. При таком способе о получении больших образцов не приходится и мечтать. Исследуются весьма нетривиальные химические методы получения графена (см. "КТ" #759). Но и тут размер образца в несколько десятков микрон пока считается рекордным, а количество примесей и дефектов слишком велико.

В Техасском университете графен пытались выращивать на тонкой металлической фольге, химически осаждая атомы углерода. Их получали из нагретой до тысячи градусов смеси метана и водорода. Было перепробовано много металлов, но всё безуспешно. Проблема в том, что обычный металл состоит из множества по-разному ориентированных микрокристалликов. На их границах атомы углерода могут глубже проникнуть в металл. Поэтому вместо одноатомного слоя вырастает сразу несколько слоев углерода. Но в случае меди (в которой углерод плохо растворяется) удалось получить одноатомные слои графена площадью один квадратный сантиметр!

Около пяти процентов листа всё же имеют несколько слоев графена, да и над уменьшением количества примесей и дефектов ещё предстоит поработать. Но самая большая трудность заключается в переносе нежного графенового листа с медной фольги на подложку из диэлектрика. С грехом пополам это уже научились делать, используя водоотталкивающие свойства графена, но пока результаты скромные. Несмотря на трудности, специалисты уверены, что медная технология имеет неплохие перспективы.

А пока одни ученые пытаются сделать хороший сплошной лист графена, чтобы травить из него проводники и транзисторы, две группы из Стэнфордского университета и Университета Райса избрали другой путь. Там научились разными способами разрезать углеродные нанотрубки вдоль так, чтобы получать полоски графена. А уже из них можно будет делать проводники, переключатели, ячейки памяти и пр. Только углеродную нанотрубку сначала придется как-то расположить в нужном месте чипа. Но это уже другая история...

Из еженедельника "Компьютерра" № 20 (784)