Учёные Университета МИСИС, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова и Объединенного института ядерных исследований впервые изучили возможность формирования наноалмазов в многослойном графене, облучив его быстрыми тяжелыми ионами ксенона. В результате был получен ультрапрочный, стабильный и гибкий композит из графена и алмаза одновременно перспективный для электроники и защитных покрытий.

Источник изображения: МИСИС

Облучение образцов многослойного графена быстрыми и тяжёлыми ионами ксенона в диапазоне МэВ-энергий (мегаэлектрон-вольт) привело к образованию в углеродных плёнках алмазов размерами от 5 до 20 нм. Алмазы получились настоящие со всеми присущими им свойствами от высокой механической прочности до температурной стабильности. Графен при этом также сохранил свои качества в виде высокой электронной проводимости и прочих. Гибрид графена и алмаза сочетает лучшие стороны одного и другого, обещая стать базой для сверхпрочных материалов будущего.

Двумерные наноалмазы могут найти широкое применение в отраслях, где требуются прочные, проводящие и одновременно функциональные покрытия, в частности для покрытия деталей микросхем, имплантатов, создания чувствительных сенсоров и других технологических решений. Углерод — основа графена и алмаза — является биосовместимым материалом. В протезировании и хирургии костей и суставов новый материал может произвести революцию, включая также его очевидно интересные оптоэлектронные свойства.

О технологии производства нового материала учёные рассказали в журнале Carbon.

Учёные из Технологического института Джорджии утверждают, что создали «первый в мире функциональный полупроводник, изготовленный из графена». Созданный ими эпитаксиальный графен совместим с традиционными методами производства микроэлектроники, благодаря чему он может считаться реальной альтернативой кремнию.

Источник изображений: Georgia Tech

Технологические эксперты постоянно указывают на необходимость сохранения возможности использования закона Мура в вопросе производства электроники. Однако одна из ключевых проблем, с которой сталкиваются те, кто двигают индустрию производства полупроводников вперёд, заключается в том, что физические свойства кремния приближаются к своим пределам. С другой стороны, графен с момента его открытия в 2004 году постоянно рекламируется как чудо-материал, призванный решить все проблемы, связанные с производством полупроводников в будущем. Тем не менее, попытки его использования пока не способствовали какому-либо значительному или широко распространённому технологическому прорыву. Однако исследователи из Технологического института Джорджии, похоже, действительно совершили значительный шаг вперёд в этом вопросе, объединив очищенный эпитаксиальный графен с карбидом кремния в составе полупроводника.

Исследование ведёт группа учёных из США и Китая под руководством профессора физики из Технологического института Джорджии Уолтера де Хира (Walter de Heer). Де Хир работает над технологиями 2D-графена с начала 2000-х годов.

«Нас мотивировала надежда внедрить три особых свойства графена в электронику. Это чрезвычайно прочный материал, который может выдерживать очень большие токи, при этом не нагреваясь и не разрушаясь», — комментирует учёный.

Однако несмотря на эти три свойства ключевая полупроводниковая характеристика в материалах на основе графена до сих пор отсутствовала. «Давняя проблема в графеновой электроники заключается в том, что графен не имеет правильной запрещенной зоны и не может включаться и выключаться, то есть переходить из одного состояния в другое, с правильным соотношением», — отмечает специалист по наночастицам и наносистемам доктор Лэй Ма (Lei Ma), коллега де Хира из международного цента Тяньцзиньского университета, который также является соавтором работы «Сверхвысокомобильный полупроводниковый эпитаксиальный графен на карбиде кремния», опубликованной в журнале Nature.

Исследователи поясняют, что они нашли способ выращивать графен на пластинах карбида кремния с использованием специальных печей, получив в итоге эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния. Согласно официальному блогу Технологического института Джорджии, на совершенствование этого материала ушло десятилетие. Его нынешние испытания показывают, что полупроводниковый материал на основе графена демонстрирует в десять раз большую подвижность электронов, чем кремний.

«Иными словами, электроны в материале движутся с очень низким сопротивлением, что в электронике приводит к более быстрым вычислениям», — поясняется в пресс-релизе института.

Де Хир объясняет привлекательные свойства электроники на основе графена более простыми словами: «Это всё равно, что ехать по автостраде, а не по гравийной дороге. Он [материал на основе графена] более эффективен, не так сильно нагревается и позволяет электронам развивать более высокую скорость».

По словам учёных, их эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния, намного превосходит любые другие 2D-полупроводники, находящиеся в разработке. Профессор де Хир охарактеризовал прорыв его группы исследователей в области полупроводниковых материалов как «момент братьев Райт», а также подчеркнул совместимость материала с квантово-механическими волновыми свойствами электронов. Другими словами, он может сыграть важную роль в будущих достижениях в области квантовых вычислений.

Турецкие учёные создали нанотатуировку, которую можно подключить к расположенным поблизости электронными устройствами. При этом татуировке не требуется внешнее питание. Разработка принадлежит Кристену Белкастро (Kristen D. Belcastro), преподавателю Университета Едитепе (Турция, Стамбул) и Онуру Эргену (Onur Ergen), заместителю главы отдела исследований и разработок на факультете электроники и связи в Стамбульском техническом университете.

Источник изображений: spectrum.ieee.org

Изобретение поможет в дальнейшем развитии технологии биосенсоров, поскольку оно не предполагает громоздких элементов вроде традиционных модулей связи и аккумуляторов. Татуировка формируется двумя иглами, независимо подающими на кожу чернила на основе графенового аэрогеля в качестве основы и чернила на основе оксида цинка с нанопроволокой в верхнем слое.

Работа беспроводной связи обеспечивается за счёт пьезоэлектрического эффекта — в татуировке создаётся заряд при деформациях. Приёмником выступает смартфон с широкополосным модемом в качестве вспомогательного устройства. На демонстрации изобретения электронная татуировка использовалась для записи движения, но авторы проекта уверены, что ему найдётся множество других вариантов применения.

«Когда нанесённая метка получает радиочастотные сигналы, она отражает некоторые из них и устанавливает исходящую связь со считывающим компонентом смартфона, тогда как смартфон устанавливает входящую связь с меткой. По этим каналам связи смартфон может постоянно контролировать нанотатуировку и обрабатывать информацию с помощью алгоритмов искусственного интеллекта», — пояснили учёные принцип работы компонента. Такой способ связи, называемый обратным рассеянием, напоминает RFID, но имеет перед ним преимущества, поскольку не ограничивается заданным диапазоном частот: при помощи широкополосного модема авторы исследования произвели подключение на частотах 900 МГц и 2,45 ГГц.

В существующей версии питание элемента осуществляется за счёт пьезоэффекта, предполагающего механическое воздействие на нанотатуировку, например, сгибание части тела, на которую она нанесена. Но изобретатели считают, что в перспективе можно будет использовать и альтернативные подходы. И тогда подобные компоненты смогут применяться, например, в роли беспроводных датчиков для электроэнцефалографии.

Удивительно, но за 15 лет с момента открытия двухслойного графена и транзистора на его основе природа этого явления так и не была выяснена. Точку в понимании физических явлений в p-n-переходе графенового транзистора поставила группа учёных из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Российские учёные поставили эксперимент, который доказал квантовую природу графенового p-n-перехода.

Свинцов Д., глава лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. Источник: Сафрон Голиков/Цифровой океан

Как известно, p-n-переходы могут строиться либо на преодолении электронами энергетического барьера (внутреннего электромагнитного поля) на разделе двух полупроводников с разными примесями, либо на эффекте туннельного перехода, когда электроны проходят сквозь барьер за счёт квантовых явлений при гораздо меньших затратах энергии. Разобраться с физикой p-n-перехода в двухслойном графене мешало то, что энергия переключения состояния очень и очень маленькая, что не позволяло с достоверной точностью оценить, какой из эффектов присущ графеновому переключателю.

По исполнению графеновый p-n-переход из двухслойного графена (читай — транзистор) — это простой прибор. Переключаемый переход создаётся в виде разомкнутого двухэлектродного затвора, на которые подаётся два разных напряжения. Впрочем, графен должен быть без каких-либо примесей — максимально чистым. Отсутствие совершенно чистого графена мешало определить — работает ли электронный барьер (по аналогии с примесями в полупроводниках), или туннельный эффект. Два годна назад в МФТИ научились выпускать сверхчистый графен благодаря инкапсуляции его в нитрид бора, и этот материал был использован в эксперименте.

Учёные подвергли графеновый p-n-переход терагерцовому облучению — это сродни нагреву материала, что должно было повысить энергию электронов рядом с границей перехода. Согласно хорошо изученной физике, разогретые электроны легче преодолевали бы барьер, и это привело бы к снижению его сопротивления и увеличению тока через переход. Оказалось, что этого не произошло. Сопротивление перехода падало только в «темноте».

Источник изображения: Nano Letters

Подобное возможно только в том случае, если в основе явления лежит квантовое туннелирование. Для тоннельного перехода важно, чтобы энергетические уровни электронов по обеим сторонам перехода были примерно одинаковы, а «нагрев» вносил дисбаланс. Значит, в случае p-n-перехода из двухслойного графена мы имеем дело с туннельным переходом, а не с классическим преодолением энергетического барьера, о чём исследователи сообщили в статье в ведущем журнале Nano Letters.

Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, рассказал: «Обнаруженная нами ситуация оказывается очень перспективной для электроники. Во-первых, мы имеем высокую электронную подвижность в графене, что даёт возможность создания быстрых полупроводниковых приборов. Во-вторых, мы имеем туннельный характер транспорта, а это даёт возможность управлять током при малых напряжениях, то есть энергоэффективность. Подобной комбинации скорости и энергоэффективности было невозможно достичь в электронике на основе “классических” полупроводниковых материалов».

Графен представляется волшебным материалом для множества применений в электронике от производства аккумуляторов до выпуска чипов. Одной из таких ниш обещает стать оптоэлектроника. Использование графена в фотоприёмниках может значительно поднять скорость передачи данных, что актуально не только в перспективе для развития сетей 6G, но также в обозримом будущем для вывода оптического трафика на новый уровень пропускной способности.

Источник изображения: Pixabay

Современные фотодетекторы на основе полупроводниковых материалов неплохо справляются со своей ролью преобразовывать падающий свет в электрический сигнал. Однако для полупроводниковых материалов в силу их свойств (определённой ширины запрещённой зоны) есть ограничения. В частности, полупроводниковые фотодетекторы имеют обратную зависимость между полосой пропускания, чувствительностью и потреблением. Проще говоря, работающий на максимальной скорости фотопреобразователь потребует достаточно сильного входного сигнала, что увеличит помехи и потребление.

Графен как полуметалл свободен от таких ограничений полупроводников и обеспечивает широчайший спектр поглощения, включая тетрагерцовый, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый. У графена нет запрещённой зоны, и это обеспечивает ему уникальную возможность улавливать электромагнитные волны множества длин, а это путь к сверхширокополосным фотодетекторам.

Также графен обладает высокой подвижностью носителей, что реализуется как сверхбыстрое преобразование фотонов в электрический ток, а высокая теплопроводность обещает максимально снизить потребление фотоприёмников. Наконец, графен совместим с классическими КМОП-техпроцессами производства, что в перспективе обеспечит ему интеграцию в чипы кремниевой фотоники.

Самый быстрый на сегодня фотодетектор создали немецкие разработчики из Центра передовой микроэлектроники Аахена и компании AMO GmBH. Графеновый фотодетектор обладает полосой пропускания свыше 128 ГГц, что в теории обеспечит скорость передачи данных по оптическим каналам со скоростью свыше 180 Гбит/с. Подобного расширения ёмкости каналов связи может потребовать даже развитие сетей 5G, не говоря уже о внедрении сетей 6G к концу текущего десятилетия.

Для коммерциализации графеновых фотодетекторов компания AMO совместно с учёными создала в Германии компанию Black Semiconductor. Заявлено, что Black Semiconductor представит технологию массового производства гибридных кремний-графеновых фотонных платформ для любой электроники. У компании AMO достаточно наработок в этой сфере, которые она передала Black Semiconductor. Например, ещё в 2018 году AMO показала первый в мире полностью графеновый оптический кабель связи, который может достигать скорости передачи данных 25 Гбит/с на канал. Преобразование электрических сигналов в оптические и обратное преобразование в разъёмах кабеля выполняли графеновые схемы.

Научный и производственный багаж Black Semiconductor и AMO Germany позволили включить их в общеевропейский проект ULTRAPHO (Ultra-fast Graphene Photodetectors FTI) целью которого является революция на рынке фотонных коммуникационных устройств путем вывода на рынок революционной графеновой технологии. Перефразируя давнюю поговорку о том, что памяти много не бывает, можно смело утверждать, что трафика тоже не бывает много. Графен обещает стать тем решением, которое если не решит проблему с пропускной способностью, то хотя бы на годы её отодвинет.

Китайским учёным удалось создать притягивающий луч на базе лазера, способный перемещать объекты на макроуровне, не прикасаясь к ним. На первый взгляд устройство работает нелогично: вместо того, чтобы отталкивать предметы, лазер их притягивает. Сообщается, что при использовании лазера мощностью 90 мВт создаётся притягивающая сила около одного микроньютона.

Источник изображения: Star Trek

Устройство обманчиво просто. Это кусочек стекла с отражающим золотым покрытием, к которому приклеена чешуйка графена. На чешуйку графена одновременно направляются синий, голубой и зелёный лазеры. И объект начинает двигаться к источнику лазерного излучения.

В принципе, установка основана на известных явлениях. Оптические пинцеты и солнечные паруса также используют свет для перемещения предметов. Однако оптический пинцет обычно ограничивается объектами размером с одну молекулу, а в парусе используется давление солнечного ветра. «В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком мала, чтобы тянуть макроскопический объект, — сказал член исследовательской группы Лей Ван (Lei Wang) из Китайского университета науки и технологий Циндао. — С нашим новым подходом сила притяжения света на три порядка больше, чем световое давление на солнечный парус, использующий импульс фотонов для создания небольшой толкающей силы».

Устройство основано на уникальных свойствах графена. Графен — это один слой кристаллической решётки углерода толщиной в 1 атом. Уникальность данного материала в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводник. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97 % прозрачен. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Источник изображения: iLexx/Getty Images

Графен является оптически поглощающим, что означает, что он сохраняет некоторый процент энергии при бомбардировке фотонами и при этом эффективно проводит тепло. Поэтому, когда учёные направили лазер на сэндвич из графена, стекла и золота, графен передал эту энергию прямо на дальнюю сторону объекта. Из термодинамики известно, что горячие предметы излучают больше энергии, чем холодные, при прочих равных условиях. В лабораторных условиях этого дифференциального нагрева было достаточно, чтобы заставить объект двигаться.

Исследователи работали в строго контролируемой среде низкого давления. Это уменьшило оптическое рассеяние, которое могло бы исказить эксперимент. Это значит, что тяговые лучи могут оказаться наиболее полезными в космосе, как и мечтали когда-то мастера фантастики. «Наша методика обеспечивает бесконтактный метод притягивания объектов на большие расстояния, — сказал Ван. — Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации технологии, похожа на Марсианскую. И тут мы видим потенциал для управления транспортными средствами или самолётами на Марсе в отдалённом будущем».

Науке твистронике всего-то пять лет и как всё высокотехнологическое её, по определению Артура Кларка, сложно отличить от магии. В 2017 году учёные выяснили, что два наложенных друг на друга слоя графена при повороте на определённый «магический угол» начинают демонстрировать необычные свойства, которых нет у одиночных слоёв. Теперь учёные научились включать и выключать такие свойства простым электрическим импульсом — как лампочку выключателем.

Синим и фиолетовым обозначены слои нитрида бора, а графен между ними (и на врезке). Источник изображения: MIT

Термин «твистроника» (twistronics) родился в лаборатории Массачусетского технологического института, где первыми поставили целый ряд экспериментов с совмещением слоёв графена с поворотом на «магический угол» 1,1°. До недавних пор все эксперименты демонстрировали изменение проводимости в многослойном «магическом» графене от диэлектрика до проводника и сверхпроводника под воздействием внешнего электромагнитного поля и этому есть масса интересных применений.

Новое открытие позволяет управлять проводимостью графена с «магическим углом» буквально одним щелчком выключателя и эти состояния бистабильны — они сохраняются после исчезновения управляющего импульса. Фактически у нас появляется аналог транзистора, который по команде мгновенно переходит из закрытого или проводящего состояния в сверхпроводящее.

На этой основе можно построить сверхбыструю и экономичную электронику (сверхпроводимость не создаёт сопротивления перехода и рассевания тепла). Например, подобные ключевые элементы могли бы сыграть роль нейронов в искусственном мозге или нейроморфном процессоре, поскольку наподобие живых нейронов могли бы срабатывать при превышении заданного порога.

В основе переключаемого электрическими импульсами графена с «магическим углом» лежат предыдущие эксперименты, в которых было обнаружено, что при определённой ориентации графенового бутерброда из верхних и нижних изолирующих слоёв из нитрида бора составной материал приобретает свойства ферромагнетиков. Такие материалы сохраняют свои магнитные свойства даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Тем самым новому составному материалу не нужно внешнее магнитное поле. Оно у него уже есть в составе. Остаётся только активировать свойства материала, для чего оказалось достаточно подавать на него короткие импульсы.

Секрет чудесных свойств оказался в спланированной ориентации всех слоёв материала — как графена с «магическим углом», так и изоляторов (верхнего и нижнего). Двухслойный графен с повёрнутыми на 1,1° слоями выровняли по кристаллической решётке верхнего изолятора из нитрида бора, а нижний изолятор (тоже из нитрида бора) повернули на 30° по отношению к верхнему.

В ходе экспериментов выяснилось, что если подавать на такой материал напряжение заданной величины, то графен меняет свою проводимость с изолятора, на проводник и сверхпроводник. Более того, эти состояния оказались бистабильными и после снятия управляющего напряжения сохранялись.

«Люди пытаются создать электронные устройства, которые выполняют вычисления, вдохновляясь мозгом, — говорит глава группы исследователей. — В мозге есть нейроны, которые при превышении определенного порога начинают работать. Точно так же мы нашли способ для графена с магическим углом резко переключать сверхпроводимость за определенным порогом. Это ключевое свойство для реализации нейроморфных вычислений».

Выращенные из стволовых клеток ткани человеческого мозга имплантировали в мозг мыши, после чего учёные впервые смогли наблюдать за реакцией внешних раздражителей на вживлённые в чужеродный мозг искусственные ткани. Помогли в этом специальные графеновые электроды, которые сочетали прозрачность и электрическую чувствительность.

Источник изображения: David Baillot

Прогресс в исследованиях со стволовыми клетками дошёл до того, что учёные научились выращивать трёхмерные клеточные популяции, имитирующие настоящие органы человека. И хотя до выращивания полноценных органов ещё далеко, органоиды открывают возможность изучать влияние лекарств и процессов максимально близко к биохимическим процессам в органах живых людей без необходимости рисковать здоровьем пациентов в клинических испытаниях. По крайней мере, на раннем этапе испытания лекарств.

Ранее мы сообщали, что учёные провели ряд экспериментов с органоидом мозга человека — клеточной популяцией, выращенной из индуцированных стволовых клеток в примитивное подобие человеческого мозга. В Стэнфордском университете учёные не только смогли научить органоид мозга играть в компьютерную игру Pong, но также провели опыт по имплантации тканей органоида в мозг новорожденных крыс, где те успешно прижились.

Исследователи из Калифорнийского университета (UC) в Сан-Диего развили работу коллег, показав, что органоиды человеческого мозга, имплантированные мышам, способны реагировать на внешние раздражители. В частности, ткани органоида мозга были вживлены в зрительную кору мышей.

Для контроля над экспериментом поверх клеток органоида расположили прозрачный графеновый электрод. Прозрачный электрод позволил изучать ткани мозга на глубину с помощью двухфотонного лазерного микроскопа. Это позволило увидеть, как кровеносные сосуды мозга мыши проникают в органоид и начинают питать его всем необходимым для жизни клеток. Электрические датчики графенового электрода снимали активность нейронов в органоиде и в родной зрительной коре мозга мыши.

Опыт показал, что вспышки света перед глазами мыши сопровождались активностью тканей органоида. Проще говоря, ткани «человеческого» мини-мозга вжились в структуру мозга мыши и начали принимать участие в его работе по прямому назначению — реагировать на внешние раздражители. В данном случае — на свет, что позволило впервые уверенно сказать, что искусственный мозг ведёт себя как настоящий. На таком мозге возможно будет испытывать новые лекарства и проверять новые методики, а значит, дело с поиском средств для лечения множества опасных и даже смертельных болезней пойдёт намного быстрее.