У матеріалі на основі вуглеводню нещодавно відкрито унікальні властивості, що знаменують початок принципово нової електроніки.

Століття електроніки почалося з винаходу 1904 року англійцем Джоном Флемінгом електронної лампи з термокатодом. 1919 року Вільям Іклс дав пристрою назву «діод», утворену від грецького коріння: «di» – два і «odos» – шлях. 1906 року американський винахідник Лі де Форест увів у діод третій електрод – сітку, що дало можливість підсилювати електричний сигнал. Свій винахід він назвав аудіон, який був удосконалений іншим американським винахідником, Едвіном Армстронгом. До речі, Лі де Форест увів термін «радіо», оскільки йому дуже не подобалася назва «бездротовий телеграф».
Електронні лампи дозволили принципово змінити не лише засоби зв’язку як дротові, так і бездротові. Вони фактично створили технологічну основу телебачення, а потім і комп’ютерів.
Винахід і подальше упровадження транзисторів досить швидко привело сучасну техніку до того стану, який ми спостерігаємо сьогодні. Важко уявити, який ефект на сучасників мала поява переносних радіоприймачів і магнітофонів. На зміну рахівницям із кісточками на дротах і механічним арифмометрам, винайденим ще у XVII ст. Блезом Паскалем, прийшли калькулятори.
Переможна хода транзисторів відбувалася у двох напрямах. Були створені напівпровідникові прилади для комутації і перетворення великих струмів, що істотно змінило електроенергетику, передачу великих потужностей на значні відстані, управління агрегатами, наприклад, у металургії або хімічній промисловості, авіації і ракетній техніці.
Разом із силовою електронікою ще швидшими темпами розвивалася напівпровідникова техніка малих сигналів. У 1958 році американці Роберт Нойс і Джек Колбі незалежно один від одного створили майже ідентичну модель інтегральної мікросхеми. Так почалася ера мікроелектроніки. Завдяки їй ми маємо сьогодні настільні комп’ютери, ноутбуки, iPad, iPhone, пристрої для читання книг в електронній формі, мобільний зв’язок і, нарешті, Інтернет. Навесні минулого року корпорація Altera встановила новий галузевий рекорд: її фахівці спроектували інтегральну мікросхему, що складається з 3,9 млрд транзисторів. Вона дозволяє створити устаткування для комп’ютерних магістральних мереж з пропускною спроможністю 100 Гбіт/с.
При всіх успіхах мікроелектроніки вже очевидні межі, яких вона може досягти. Наближається квантово-механічний бар’єр. Він обмежує подальше збільшення числа компонентів у мікросхемі і тактову частоту її роботи. А від неї значною мірою залежить швидкодія, зокрема комп’ютерів. Крім того, це обмежує обсяг обчислень у прийнятний час. Точніший прогноз погоди, моделювання в мікробіології у пошуку вакцин проти СНІДу і грипу та й багато інших наукових завдань вимагають проведення величезного обсягу обчислень, які б не розтягувалися на десятиліття. Звичайно, є апаратні й алгоритмічні способи розв’язання таких завдань, але вони не вирішують проблему, а лише пом’якшують. Оскільки там теж виникають об’єктивні труднощі. Розвиток сучасної електроніки стоїть перед необхідністю технологічного прориву. Пошук його відбувається за різними напрямами. На одному ми спинимося детальніше.
У 2010 році лауреатами Нобелівської премії з фізики і хімії стали два колишніх радянських учених Андрій (Андре) Гейм і Костянтин (Костя) Новосьолов. Зараз вони працюють в університеті Манчестера у Великобританії. Премія була присуджена вченим за дослідження графену – найтоншого у світі матеріалу, завтовшки усього в один атом. Цей матеріал поєднує в собі унікальні властивості: він надтонкий, майже прозорий, володіє високою міцністю і хорошою теплопровідністю. Фізично графен є двомірною решіткою, що складається з одинарного шару атомів вуглецю.

	Якщо на поверхню графену нанести металеві контакти, а потім опромінити його світлом, можна мати електричний струм. Такий пристрій є простим елементом прямого перетворення світла на електричний струм, своєрідний сонячний елемент

Цікаво, що за успіхи у вивченні графену Андре Гейм і його учень і друг Костянтин Новосьолов (аби не утрудняти британців складними для них російськими іменами, він підписується зменшеним «Костя») отримали від британської королеви Єлизавети II звання лицаря-бакалавра. Це звання, відоме з XIII століття, з часів правління короля Генріха III, більш древнє, ніж навіть орден Підв’язки (вищий орден Великобританії, заснований королем Едуардом III 1348 року. – Авт.), дає їм право додавати до імені почесний титул «сер», а в кінці підпису букви kt. (англ. knight – лицар).
За два роки після присудження премії обидва вчених досягли вражаючих результатів у вивченні графену. Ще на стадії фундаментальних досліджень унікальних фізичних властивостей і явищ, що спостерігалися у графені, стало зрозуміло, що велике майбутнє чекає використання цього матеріалу в оптоелектроніці і фотоніці. Зокрема, група фізиків з дослідницького центру Томаса Джона Уотсона компанії IBM опублікувала 2009 року в журналі Nature Nanotechnology, а потім у 2010 році в Nature Photonics роботи, в яких описаний ультрашвидкий графеновий фотоелемент.
Якщо на поверхню графену нанести металеві контакти, а потім опромінити його світлом, можна отримати електричний струм. Такий пристрій є простим елементом прямого перетворення світла в електричний струм, своєрідний сонячний елемент. Особливістю його є дуже висока швидкодія, що в сотні разів перевершує традиційні напівпровідникові аналоги. Це пов’язано з дуже високою рухливістю і великою швидкістю носіїв заряду в графені.
Основною перешкодою на шляху використання цієї технології в реальних приладах залишалася дуже низька ефективність. Вдавалося використати усього близько 2% падаючого на нього світла, тоді як основна частина електромагнітних хвиль проникає крізь графен і не викликає генерування електричного струму. Кращі зразки сучасних фотоелементів у лабораторних умовах мали ККД до 43%.
Вихід був знайдений у суміжній галузі фізики – плазмоніці, в якій працює сусід Костянтина Новосьолова по університету в Манчестері на факультеті астрономії і фізики, доктор Олександр Григоренко.
Ефект плазмонного резонансу полягає у збудженні зовнішньою електромагнітною хвилею плазмона – квазічастинки, що відповідає за коливання вільних електронів у провіднику, і використовується для посилення електромагнітного поля на поверхні і збільшення світлопоглинання матеріалів. У статті в журналі Physical Review 2008 року, одним із авторів якої був Григоренко, описано плазмонну наноструктуру, яка за певних умов поводиться майже як абсолютно чорне тіло, поглинаючи до 99% падаючого на неї світла.
Для здобуття ефекту плазмонного посилення на поверхню графену нанесли поблизу мікроконтактів наноструктури з титану і золота за допомогою електроннопроменевої літографії. При опроміненні лазерним пучком в ділянці локалізації плазмонної наноструктури реєстрували фотострум, що значно перевищує аналогічні показники для графену, який не зазнав поверхневої модифікації. Величина ефекту залежала від довжини хвилі збуджуючого світла. Найсильніше збільшення, більше ніж у 20 разів, спостерігалося для довжини хвилі 514 нм (нанометр – одна мільярдна частина метра. – Авт.) на наноструктурі, що складається з металевих смужок завширшки 110 нм. Якщо у звичайному графеновому фотоелементі дія світла безпосередньо призводить до утворення у графені вільних носіїв заряду, які і створюють фотострум, то в модифікованому за допомогою плазмонної наноструктури вічку механізм більш складний. Світло збуджує плазму – електронний газ у металевих наночастках, її резонансні коливання генерують електромагнітне поле, що і призводить до утворення у графені додаткових вільних носіїв заряду.
Як вважає професор інженерного факультету Кембриджського університету Андреа Феррарі, «ці результати показують його (графену. – Авт.) величезний потенціал у галузі фотоніки і оптоелектроніки, де його унікальні оптичні й електричні властивості у комбінації з плазмонними наноструктурами можуть бути використані повною мірою... в усіляких корисних пристроях, таких як сонячні батареї і фотодетектори». Значення сонячних батарей для альтернативної енергетики вимагає окремого розгляду. Істотне збільшення, приблизно удвічі, ефективності фотоелементів може серйозно просунути цей вид енергетики. Доки ж лише відзначимо, що фотоелементи на графені можуть серйозно змінити такий знайомий прилад, як телевізор, а з ним і дисплеї комп’ютерів, мобільних телефонів і всіх пристроїв, у яких потрібне відтворення інформації в оптичному вигляді. Насамперед через високу швидкодію та істотне зниження маси і енергоспоживання, а також більшу незалежність від джерел зарядки акумуляторів. Адже сам графеновий екран і буде джерелом електричної енергії як для комп’ютера, так і для мобільного телефону. А ще вживання таких елементів у промисловості, медичній техніці, всього й не перерахувати.

У статті в журналі Physical Review 2008 року, одним із авторів якої був Григоренко, описано плазмонну наноструктуру, яка за певних умов поводиться майже як абсолютно чорне тіло, поглинаючи до 99% світла, що падає на неї

Як часто буває в науці, чим далі вчені заглиблюються у вивчення тієї або іншої її частини, тим поле відкриттів і використання отриманих знань збільшується.
Група Нобелівського лауреата Андрія Гейма опублікувала в авторитетному журналі Science статтю про намагнічення графену електричним струмом, тобто потоком електронів. При цьому використовується така характеристика частки, як спін (англ. spin – крутитися, обертання). Він представляє власний момент імпульсу елементарних часток, що має квантову природу і не пов’язаний із переміщенням частки як цілого. Будь-яка частка може володіти двома видами кутового моменту: орбітальним кутовим моментом і спіном. Перший пов’язаний із переміщенням або обертанням частки, другий має внутрішню природу і безпосередньо ніякого руху не викликає.
Попри те, що спін не пов’язаний із реальним обертанням частки, він породжує певний магнітний момент, а значить, призводить до додаткової (у порівнянні з класичною електродинамікою) взаємодії з магнітним полем.
Зараз управління спіном можливе лише для матеріалів, у яких відбуваються так звані спін-орбітальні взаємодії. У них дуже слабкі магнітні поля, створені ядрами, впливають на рух електронів через кристал. Сам ефект дуже слабо виражений, тому регулювати його дуже складно. Відповідно, практичне використання неможливе.
Водночас використовувати спін для зберігання і передавання інформації було б дуже вигідно. Адже на відміну від електронних пристроїв, де операції з інформацією відбуваються за допомогою керованої зміни заряду, а це вимагає певних енергетичних витрат, у спінтроніці використовується можливість зберігати і передавати інформацію за допомогою керованої орієнтації спіну. Одна проблема була на цьому шляху – навчитися керувати спіном електрона за допомогою електричного струму. Самим струмом ми керувати уміємо – на цьому заснована робота мікроелектронних пристроїв, напівпровідникових транзисторів. А ось далі...
Група Гейма виявила таку можливість у вигляді застосування відносно слабкого магнітного поля до графену. Таке поле створює потік спіну в напрямі, перпендикулярному потоку електричного струму, намагнічуючи графеновий шар. Якщо його розмістити на підкладці нітриду бору, то індукований магнетизм у такій системі поширюється на макрорівні без сильного згасання. Інакше кажучи, інформація зберігається. Змінюючи спін часток її також можна змінювати. При цьому спін частки залишається у такому стані без застосування зовнішньої дії, тобто не потрібно витрачати енергію на зберігання інформації.
Саме такі транзистори можуть стати основою принципово іншої електроніки – більш дешевих, надшвидких і економічних пристроїв обробки і зберігання інформації. Якщо транзистор спіну, що ефективно працює за стандартних умов і рентабельний у виробництві, буде створений, це буде нова технологічна революція, за масштабами порівнювана зі створенням класичного напівпровідникового транзистора у середині минулого століття.
«Це відкриття – початок нового розділу в багатій історії графену», – вважає Антоніо Кастро Нето, професор фізики з Університету Бостона, якого журнал Science попросив написати коментар до статті групи Гейма.
Нещодавно Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов здолали черговий бар’єр, що лежав на шляху до створення графенової електроніки. Їм удалося сконструювати на основі графену тунельний транзистор із характеристиками, що відповідають промисловому виробництву.
Тунельний ефект полягає у подоланні мікрочасткою потенційного бар’єра у разі, коли її повна енергія менша, ніж висота бар’єра. Цікаво, що подолання бар’єра відбувається без зміни енергії частки. У 1928 році тоді ще радянський, а з 1933 року американський фізик Георгій Гамов теоретично розробив теорію альфа-розпаду на основі тунельного ефекту.

	Олександр Григоренко працює в Манчестерському університеті на факультеті астрономії і фізики

Спрощено тунельний ефект можна пояснити співвідношенням невизначеностей. Він має імовірнісний характер і представляє вироблення середньоквадратичного відхилення координати частки на середньоквадратичне відхилення імпульсу, яке більше або дорівнює половині величини приведеної постійної Планка. При обмеженні квантової частки по координаті, тобто збільшенні її визначеності по координаті x, її імпульс p стає менш визначеним. Випадковим чином невизначеність імпульсу може додати частці енергії для подолання бар’єра. Таким чином, з деякою ймовірністю квантова частка може проникнути через бар’єр, а середня енергія частки залишиться незмінною.
У 1958 році японський фізик Лео Есакі, Нобелівський лауреат 1973 року, створив прилад, що використовує цей ефект – тунельний діод. Він широко застосовується в електроніці і радіотехніці для схем генерування сигналів. Характеристика тунельного діода має падаючу ділянку з так званим негативним диференціальним опором, що дуже зручно саме для таких схем. Проте тунельний діод не може підсилювати сигнал, це вже властивість транзистора.
Тепер Гейм і Новосьолов саме його і створили. Важливою перевагою є те, що тунельний ефект дає можливість зберігати інформацію на основі такого транзистора без істотних витрат енергії.
У тунельному транзисторі, на відміну від звичайного польового – активного елемента сучасних мікросхем – канал контролюється за допомогою квантового тунельного ефекту, а не інжекції заряду. При накладенні зовнішньої напруги електрони долають потенційний бар’єр зі значно більшою вірогідністю. Теоретичні розрахунки показують, що такий транзистор використовуватиме значно менші величини напруги для перемикання станів, а значить, різко знизить енергоспоживання мікросхем.
У чистому вигляді графен не має забороненої зони, тобто ділянки значень енергії, якої не можуть мати носії заряду. Саме наявність такої зони відрізняє напівпровідник від металу і робить можливим функціонування основних елементів інтегральних схем.
Аби обійти цю перешкоду, фізики створили на основі графену шарувату структуру з різних напівпровідників – гетероструктуру типу сендвіч. Як прокладку використовували моношари нітриду бору і дисульфіду молібдену. Пристрій виявився вельми перспективним, показавши відношення струмів увімкненого і вимкненого стану від 50 для прошарку нітриду бору до 10000 для прошарку з дисульфіду молібдену. Ці показники практично не залежали від температури, тобто технологія придатна для створення пристроїв, що працюють у звичайних умовах, а можливо, і з невеликим перегрівом. У будь-якому випадку, потужність вентилятора у комп’ютері істотно зменшиться, якщо він взагалі знадобиться.
Напівпровідникова електроніка, що почалася 1948 року винаходом Бардіним і Браттейном транзистора, була «століттям кремнію», оскільки цей елемент періодичної системи Менделєєва є основою сучасних мікросхем. Цілком можливо, що після відкриттів Гейма і Новосьолова починається «століття вуглецю». Хоча вже зараз з’являються й інші кандидати на цю роль. У будь-якому разі очевидно, що ми стоїмо на порозі нової технічної і технологічної революції, яка круто змінить наше життя. Вже забуваємо касетні магнітофони, скоро історією стануть настільні комп’ютери і навіть планшетники. Носитимемо їх у кишенях і сумочках, як записники.