Группа ученых из Стэнфордского университета разработала способ «выращивания» графеновых нанолент с помощью молекул ДНК. Это достижение может стать ключом к технологиям массового производства транзисторов на базе графена, которые имеют на порядок меньшие размеры, более высокие скоростные характеристики и требующие меньше энергии, нежели даже самые лучшие образцы современных кремниевых транзисторов (кратко об этом мы уже писали).

Производители электронных чипов каждый год инвестируют миллиарды на разработку и создание транзисторов, размеры которых немногим меньше транзисторов предыдущего поколения. Но даже и такого небольшого уменьшения размеров транзисторов достаточно для увеличения их производительности и снижения уровня требующейся им для работы электрической энергии.

Получаемые изменения могут показаться не очень значительными для каждого из транзистора в отдельности, но когда эти изменения начинают проявляться на уровне чипа, кристалл которого содержит миллионы транзисторов, они, эти изменения, приобретают немалый вес, позволяя закону Гордона Мура действовать дальше.

Развитие кремниевых транзисторов проделало очень длинный путь, и постепенно эти транзисторы приближаются к физическим пределам уменьшения их габаритов и увеличения быстродействия. После некоего предела выделяющееся на транзисторе паразитное тепло и токи собственной утечки станут непреодолимым препятствием дальнейшим совершенствованиям структуры кремниевого транзистора.

И приближение к вышеупомянутому пределу, которое наблюдается в последнее время, заставляет ученых постоянно изыскивать альтернативные типы транзисторов и методы их производства.

Рис. 1.

Графен, однослойный материал, состоящий только из атомов углерода, является самым перспективным материалом на сегодняшний день, который может быть использован в качестве материала транзисторов нового типа. Из-за его превосходной удельной электрической проводимости и ряда других уникальных характеристик, графен обладает потенциалом стать основным материалом высокоэффективных полевых транзисторов, размеры которых будут намного меньше размеров кремниевых транзисторов, которые будут иметь высокие скоростные и энергетические показатели, и что также немаловажно, будут недороги в производстве.

Графеновые транзисторы могут быть изготовлены из графеновых нанолент, шириной всего в 20–50 атомов. Но процесс изготовления таких нанолент, имеющий высокий процент повторяемости и малое количество брака, до сих пор не разработан, что приводит к тому, что графеновые транзисторы существуют сейчас только в виде опытных образцов, изготовленных в лабораториях научных учреждений.

Но, оказывается, что молекулы ДНК имеют размеры, приблизительно сопоставимые с размерами требующихся графеновых нанолент. Вместе с этим, в них заключено достаточное количество углерода, который является единственным элементом, из которого состоит графен. Все это дало группе ученых из Стэнфордского университета, возглавляемой Зэнэном Бао (Zhenan Bao), идею использовать короткие молекулы ДНК для производства графеновых нанолент с заранее заданными параметрами.

Рис. 2.

Применив достаточно распространенную технологию, ученые выпрямили молекулы ДНК, превратив их в относительно прямые линии. Полученные молекулы были обработаны раствором, содержащим одну из солей меди, что привело к поглощению молекулой ДНК ионов меди. После этого подготовленные молекулы ДНК были нагреты до высокой температуры в защитной газовой метановой среде. Воздействие высокой температуры привело к разложению молекулы ДНК и к тому, что оставшиеся атомы углерода, при участии меди в качестве катализатора, «собрались» в графеновые наноленты, повторяющие по форме форму изначальных молекул ДНК.

После успеха в экспериментах по созданию графеновых нанолент, ученые сделали шаг дальше и, используя разработанную ими технологию, изготовили графеновые транзисторы. Конечно, процесс изготовления графеновых транзисторов должен быть еще усовершенствован, в некоторых случаях атомы углерода, вместо того, чтобы сформировать лист одноатомной толщины, связываются между собой в другом порядке. Так что ученым еще предстоит вникнуть глубже в суть происходящих процессов, которые регулируют рост графеновых нанолент и разработать более совершенную технологию, позволяющую избежать возникновения дефектов.

Но в любом случае, работа Стэнфордских ученых является большим шагом к созданию масштабируемого, недорогого и точного метода производства графеновой электроники, что, в конечном счете, может привести к появлению электронных чипов нового поколения, в которых не будет использовано иных полупроводниковых материалов кроме графена.