Vědci sestavili tranzistor z uhlíkové nanotrubice. Čipy z uhlíku mají být výrazně výkonnější než křemíkové

Tým vědců z Wisconsinské univerzity v Madisonu a Wisconsinské univerzity v Platteville sestavil tranzistor z uhlíkové nanotrubice. Je rychlejší než klasické křemíkové tranzistory. Otevírá se tak cesta k překonání "křemíkové bariéry", tedy fyzikálních omezení, která bránící vývoji stále rychlejších čipů a výkonnějších počítačů.

"Tranzistor z uhlíkové nanotrubice, který je výkonnější než křemíkový, představuje obrovský předěl," tvrdí Michael Arnold z Wisconsinské univerzity v Madisonu. "Splnil se tak sen, o který lidé zabývající se nanotechnologiemi usilovali dvacet let."

Bojovníci za Moorův zákon

Růst výkonu počítačů se už celá desetiletí řídí Moorovým zákonem - který ve skutečnosti zákonem v pravém smyslu není. Roku 1965 inženýr Gordon Moore v jednom odborném časopise zveřejnil článek, v němž tvrdil, že počet tranzistorů na čipu i výkon čipu se budou zdvojnásobovat v pravidelných intervalech. Ty byly původně odhadnuty na rok, později se předpověď podle reality upravila na 18 měsíců.

Pro definování Moorova zákona nebyl žádný racionální důvod, a skeptikové proto už dlouho předpovídají neodvratný konec jeho vlády. Zatím nikdy jim to ale nevyšlo. Až v poslední době se zdálo, že se konečně dočkají, protože zmenšování tranzistorů na křemíkových čipech se začalo blížit mezím daným skutečnými fyzikálními zákony. Výkonný tranzistor postavený z uhlíkových nanotrubic ale dává Moorovu zákonu naději na další život.

"Já se vrátím, Dagu Badmane, a se mnou přijde Moorův zákon," mohli by konstruktéři uhlíkového tranzistoru parafrázovat hlášku filmového Limonádového Joea.

Uhlíkové nanotrubice jsou 50 000krát tenčí, než je průměr lidského vlasu. Kdyby měl lidský vlas stejný poměr délky k průměru, byl by 40 metrů dlouhý. Její stěny tvoří atomy uhlíků uspořádané do šestiúhelníků jako plástve včelího úlu. Vznikají tak jednoatomové vrstvy, kterým se říká grafeny. Atomy uhlíku jsou v tomto uspořádání navzájem spojeny extrémně silnými vazbami, což materiálu dává mimořádné vlastnosti.

Pro další vládu Moorova zákona je kromě velikosti a uspořádání atomové struktury důležité také to, že nanovlákna mohou fungovat stejně jako tranzistor, což znamená, že mohou nabývat dvou stavů. ­Buď jsou ve stavu "sepnuto", nebo ve stavu "vypnuto". A co je ještě důležitější, umí to lépe než tranzistory křemíkové. Mají totiž mnohem nižší elektrický odpor než měď a současně podstatně lépe odvádějí teplo. Počítačové simulace jejich vlastností ukazují, že tranzistory postavené na bázi uhlíkových nanotrubic by mohly spínat až pětkrát rychleji než křemíkové nebo při stejném výkonu spotřebovávat pětkrát méně energie.

Materiál snů

Grafeny a z nich svinuté nanotrubice představují v mnoha ohledech materiál snů. Grafenová vrstva je 100- až 200krát pevnější než ocel, přestože je současně lehčí než hliník. Uhlíkové nanostruktury tak například představují jedinou naději na realizaci kosmického výtahu. Náklady do vesmíru by už nedopravovaly rakety, ale lana spuštěná ze základny na geostacionární dráze. Uhlíková jednoatomová struktura je také dokonale průhledná a současně naprosto neprostupná pro plyny. A jaksi mimochodem také likviduje bakterie.

Pro konstrukci superpočítačů jsou stejně slibné elektrické vlastnosti uhlíkových nanostruktur. Díky nepatrné tloušťce se pohyb elektronů v nich řídí zákony kvantové mechaniky. Ty se zdánlivě vymykají zdravému rozumu. Kombinací grafenů s jinými atomy tak lze vyrobit takzvané balistické tranzistory, tedy tranzistory s mimořádně vysokou rychlostí sepnutí. Nepatrné rozměry a další vlastnosti grafenů pak nejspíš umožní skládat z nich supervýkonné, a přitom velmi malé počítačové čipy.

Tolik teorie. Její převedení do života ale naráží na řadu problémů. Zatím se daří vyrábět jen mikroskopické útržky grafenů a nanotrubic. Tyto produkty jsou navíc znečištěné nežádoucími příměsemi. Pro výrobu tranzistorů je naopak nutná vysoká čistota s přesným dávkováním dalších příměsí.

Tým Michaela Arnolda problém nečistot vyřešil tím, že vytváří uhlíkové nanotrubice v roztoku polymeru. Mohou přitom nejen eliminovat nečistoty, ale také řídit uspořádání atomů a přidávání požadovaných příměsí na přesně určená místa uhlíkové struktury.

"Získali jsme uhlíkové nanotrubice obsahující pouze 0,01 procenta kovových nečistot," konstatoval Michael Arnold. Proud v tranzistoru z uhlíkové nanotrubice byl téměř dvakrát silnější než v křemíkových tranzistorech.

Tým se nyní soustřeďuje na převedení svého postupu do podoby vhodné pro průmyslové využití.