Графен, необычная форма углерода, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом, обладает целым рядом уникальных свойств. Этот материал является одним из лучших проводников электрического тока за счет того, что «неуправляемые» электроны движутся в этом материале практически по прямой, не встречая препятствий, т.е. без электрического сопротивления. Это является одновременно и сильной и слабой стороной графена, ведь для использования материала в электронике требуются способы управления текущим через него электрическим током.

В настоящее время учеными уже была создана масса электронных устройств на основе графена, включая быстродействующие усилители, суперконденсаторы, проводники с низким удельным сопротивлением, чернила для печати гибких электронных схем. Но если появится возможность управления электрическим током через этот материал, то станет возможным создание графеновых транзисторов, способных работать на очень высоких частотах.

И обуздать «дикие» графеновые электроны получилось у ученых из университета Ратджерса и Нью-Брансвика, кроме этого, разработанный ими метод управления обеспечивает очень низкие потери энергии, что очень важно для некоторых областей применения, в том числе и электроники.

Группа профессора Евы И. Андрей (Eva Y. Andrei) для управления движением электронов использовала электрический потенциал, прикладываемый к поверхности графена наконечником туннельного сканирующего микроскопа, «заточенного» до атомарной толщины. Электрическое поле, создаваемое вокруг наконечника микроскопа, представляет собой нечто вроде ловушки для электронов, которая отклоняет траекторию их движения, подобно тому, как оптическая линза преломляет проходящий сквозь нее свет.

При помощи регулирования потенциала на наконечнике микроскопа «сила» ловушки для электронов может быть настроена так, что электроны будут или попадать в нее, или проходить сквозь нее беспрепятственно. Другими словами, электрическое поле обеспечивает надежное релейное (вкл/выкл) переключение электрического тока, протекающего через графен.

«В наших экспериментах мы показали, что можно обеспечить улавливание электронов в графене без необходимости устраивать специальные дефекты в этом материале» — рассказывает профессор Андрей — «Изменяя потенциал наконечника микроскопа, мы изменяем протекающий электрический ток. Другими словами, мы получили полностью работоспособный графеновый транзистор с очень низким переходным сопротивлением в открытом режиме».

Следующим шагом, который собираются сделать ученые, станет попытка замены наконечника туннельного микроскопа чрезвычайно тонкими нанопроводниками, которые будут размещены в непосредственной близости от поверхности графеновой пленки. Изменение электрического потенциала на этих нанопроводниках будет работать точно так же, как и изменение потенциала на наконечнике микроскопа, т.е. нанопроводники будут вступать в качестве управляющих электродов, затворов, графеновых транзисторов.

Исследователи из Центра нанотехнологий (Birck Nanotechnology Center) университета Пурду (Purdue University) разработали новый тип сверхэффективной системы охлаждения, предназначенной изначально для чипов радарных систем и суперкомпьютеров. В этой системе используется теплоемкий жидкий хладагент, протекающий по сетям микроканалов, толщиной в несколько микронов, специально созданных прямо в структуре чипов. И за счет этого новая система продемонстрировала рекордный на сегодняшний день показатель эффективности отвода тепла, который равен 1000 Вт на квадратный сантиметр площади охлаждаемого чипа.

В традиционных системах охлаждения используются металлические радиаторы, усеянные пластинами-теплоотводами, которые крепятся к поверхности чипа напрямую или через систему тепловых трубок. Такой подход позволяет отвести и рассеять в окружающее пространство тепло, выделяющееся при работе чипа, но эффективности такого метода бывает не вполне достаточно для охлаждения узлов высокочастотной и мощной электроники.

«Сейчас вы уже можете упаковать в пределы однокристальной схемы достаточно серьезные вычислительные мощности. Ситуация с охлаждением усугубляется еще тенденцией создания многослойных чипов, где каждый из слоев представляет собой отдельный «плоский» чип» — рассказывает Джастин А. Вейбель (Justin A. Weibel), профессор из университета Пурду, — «Для эффективного охлаждения таких чипов потребуется снабдить каждый слой своим отдельным теплоотводом, без этого невозможно будет использовать его полную мощность из-за проблемы перегрева».

Следует отметить, что новая система охлаждения была разработана в рамках программы, финансируемой Управлением перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA. Задачей этой программы является разработка системы охлаждения, которую можно интегрировать в структуру высокопроизводительных чипов, выделяющих при своей работе не менее киловатта тепла на квадратный сантиметр площади, приблизительно в 10 раз больше, чем выделяют процессоры современных компьютеров.

«Разработанная нами структура микроканалов и состав охлаждающей жидкости, которая не проводит электрический ток и имеет очень высокую теплоемкость, позволяют встроить новую систему охлаждения практически в любой полупроводниковый чип, независимо от количества слоев в его структуре» — рассказывает профессор Вейбель, — «Такой подход к охлаждению позволит кардинально уменьшить размеры современных радарных систем, создать более эффективные суперкомпьютеры и многое другое не только из военной, но и гражданской области применения».