Przemysł półprzewodnikowy stanowi fundament dzisiejszej gospodarki
opartej na nowoczesnych technologiach. Co więcej, na obszarze Europy
przemysł ten zapewnia w sposób bezpośredni ponad 100 000 miejsc pracy
oraz znacznie więcej w sposób pośredni. Powyższy stan rzeczy
zawdzięczamy między innymi nieustannej miniaturyzacji technologii CMOS
('Complementary metal-oxide-semiconductor'), opartej na krzemie. Jednak
technologia CMOS sprawdzi się jeszcze przez 10 do 15 lat.
Obecnie podstawowym wyzwaniem stojącym przed branżą TIK jest
znalezienie alternatywnych rozwiązań w zakresie przetwarzania i
magazynowania informacji, pozbawionych ograniczeń technologii CMOS.
Wiele wskazuje na to, że to właśnie grafen pozwoli sprostać powyższym
wyzwaniom. Co więcej, pomimo swej rewolucyjnej natury, grafen będzie
raczej uzupełnieniem tradycyjnych technologii CMOS.
Grafen stanowi przedmiot bardzo intensywnych badań naukowych od
czasu przełomowych eksperymentów, które przeprowadzili niespełna 10 lat
temu na Uniwersytecie w Manchester laureaci nagrody Nobla z dziedziny
fizyki z 2010 roku, profesor Andre Geim oraz Kostya Novoselov.
Imponujące właściwości elektryczne grafenu być może pozwolą sprostać
ograniczeniom fizycznym krzemu, pojawiającym się wraz z postępującą
miniaturyzacją tranzystorów. Istnieje zatem nadzieja, że to właśnie
grafen będzie rozwiązaniem "post-CMOS", niezbędnym w warunkach globalnej
konkurencji.
Projekt flagowy
GRAPHENE
(1), który zainaugurowano w październiku 2013 roku, obejmuje wiele
dziedzin nauki oraz ma na celu sprostanie szerokiej gamie wyzwań,
począwszy od zbadania fundamentalnych właściwości grafenu, aż po jego
produkcję. Potencjalne zagadnienia badawcze obejmują opartą na grafenie
elektronikę, fotonikę, plazmonikę oraz mechanikę.
W powyższym projekcie flagowym, kierowanym przez Jari Kinareta,
pracownika szwedzkiego Uniwersytetu Chalmers, uczestnicy 126 grup
akademickich i przemysłowych z 17 krajów Europy oraz 136 głównych
badaczy, w tym czterech laureatów Nagrody Nobla. Inicjatywa GRAPHEN,
początkowo zaplanowana na 30 miesięcy i wsparta kwotą 54 milionów euro,
obejmie dalsze 20-30 grup badawczych, w ramach
otwartego wezwania do składania ofert projektowych w listopadzie , wartego około 9 milionów euro.
"Centralnym aspektem naszych prac jest oczywiście produkcja
grafenu", stwierdził Jari Kinaret podczas inauguracji projektu.
Kluczowe, potencjalne zastosowania obejmą szybkie układy elektroniczne i
urządzenia optyczne, elastyczne mikroukłady, funkcjonalne i lekkie
podzespoły, a także zaawansowane baterie. Przykłady nowych produktów,
które prawdopodobnie bazować będą na grafenie, to między innymi giętkie i
wytrzymałe urządzenia z branży elektroniki konsumenckiej, takie jak
gazety elektroniczne oraz elastyczne, osobiste urządzenia komunikacyjne,
a także lżejsze i bardziej energooszczędne samoloty. W perspektywie
długoterminowej oczekuje się, że grafen otworzy drogę do nowych metod
obliczeniowych, a także sprawi, że pojawią się nowe rozwiązania
medyczne, np. sztuczna siatkówka.
Stawiając żagle: Grafen jako okręt flagowy FET
Projekty flagowe z zakresu "Przyszłych i wyłaniających się
technologii" ('Future and emerging technologies' - FET), opisane przez
wiceprzewodniczącą Komisji Europejskiej Neelie Kroes jako "ambitne
przedsięwzięcia", to wizjonerskie, wielkoskalowe, naukowe inicjatywy
badawcze, w ramach których stawia się czoła wyzwaniom
naukowo-technicznym z różnorakich dziedzin. Te nowe instrumenty
finansowania prac badawczych przez UE służą wspieraniu skoordynowanej
współpracy realizowanej w ramach unijnych oraz krajowych i regionalnych
programów badawczych, prowadzonych przez poszczególne państwa
członkowskie. Instrumenty te są także bardzo ambitne, gdyż bazują na
tworzeniu więzi pomiędzy wieloma dziedzinami, społecznościami oraz
programami, dlatego wsparcie oferowane jest na 10 lat. Po zakończeniu
pierwszego etapu prac, realizowanego w ramach obecnego, Siódmego
Programu Ramowego UE (7PR), które zaplanowano na marzec 2016 roku,
wysiłki będą kontynuowane w ramach programu "Horyzont 2020". Zakłada
się, że każdy projekt flagowy uzyska wsparcie w wysokości 50 milionów
euro na rok.
Inicjatywa GRAPHENE została wybrana jako projekt flagowy w
następstwie konkursu, w którym uczestniczyło sześć projektów
pilotażowych. Celem powyższych projektów było przeanalizowanie dziedzin
badawczych charakteryzujących się największym potencjałem w zakresie
zrównoważonych inwestycji. Jak powiedziała Komisarz Kroes: "To, czy
Europa stanie się super potęgą wiedzy, zależy od opracowywania
przełomowych rozwiązań oraz wykorzystywania najlepszych pomysłów. Jest
to wyścig o wiele miliardów euro, w którym nagradza się nowatorskie
badania i który dowodzi, że dzięki ambicjom Europa może być liderem w
tym zakresie".
W ramach projektu pilotażowego dotyczącego grafenu,
GRAPHENE-CA
(2), badano sposób, w jaki rozwój tego materiału, bazującego na węglu,
może przyczynić się do rewolucji informatycznej i przemysłowej. Podczas
prac projektowych stworzoną kompleksowy plan naukowo-technologiczny,
który ma stanowić podstawę strategii badawczej projektu flagowego
GRAPHENE. Powyższy plan obejmuje elektronikę, spintronikę, fotonikę,
plazmonikę oraz mechanikę, a także obszary takie jak produkcja i chemia
grafenu. Właśnie dlatego powyższy projekt pilotażowy stał się projektem
flagowym.
Obecnie projekt flagowy jest już realizowany i uczestniczy w
nim duży i bardzo urozmaicony zespół badawczy
. Wystarczy wymienić uniwersytety w Leuven w Belgii, Aalto w Finlandii,
Lille i Strasbourgu we Francji, Bremie, Chemnitz, Dreźnie i Hamburgu w
Niemczech, Janina w Grecji, Dublinie w Irlandii, Trieście we Włoszech,
Minho w Portugalii, Barcelonie oraz Kastylii-la Mancha w Hiszpanii,
Bazylei, Genewie i Zurichu w Szwajcarii, Delft oraz Groningen w
Holandii, a także w Cambridge, Manchesterze i Oksfordzie w Wielkiej
Brytanii. W pracach uczestniczą także politechniki oraz instytuty
techniczne z Austrii, Danii, Francji, Niemiec, Grecji, Włoch, Polski,
Hiszpanii, Szwecji oraz Szwajcarii. Co więcej, w projekt zaangażowani są
również partnerzy przemysłowi, tacy jak Nokia, Thales, Alcatel Lucent,
Philips Technology, Airbus oraz ST Microelectronics. Powyższa lista
obejmuje zaledwie część organizacji uczestniczących w inicjatywie
GRAPHENE.
Celem tych podmiotów jest przemienienie grafenu oraz powiązanych z
nim materiałów warstwowych z przedmiotu badań akademickich w produkty
użyteczne dla społeczeństwa, z nadzieją na zrewolucjonizowanie wielu
gałęzi przemysłu oraz stymulację wzrostu gospodarczego i stworzenie
nowych miejsc pracy w Europie.
"Zarówno Komisja Europejska, jak i partnerzy akademiccy i
przemysłowi inicjatywy GRAPHEN, posiadają wspólny cel. Jest to
wyjątkowe, długoterminowe zobowiązanie, z którym z pewnością wiąże się
wiele wyzwań", powiedział Carl-Christian Buhr, członek gabinetu Komisarz
Kroes. "Musimy stworzyć takie ramy współpracy przemysłowej, które
sprawią, że z pomysłów zrodzą się nowe produkty i nowe rynki. Właśnie
taka idea przyświeca projektom flagowym".
Osiągnięcie powyższego celu wymaga zrealizowania wielu wzajemnie uzupełniających się etapów, takich jak:
- inicjatyw typu ERA-NET, np. FLAG-ERA (3), których celem jest
wspieranie projektu flagowego w zakresie koordynacji krajowych inicjatyw
badawczych dotyczących grafenu.
- szeregu inicjatyw z zakresu upowszechniania wiedzy na temat grafenu. Przykładowo
Tydzień Grafenu
jest corocznym forum, w którym uczestniczą setki naukowców, dzielących
się swymi najnowszymi odkryciami z kolegami reprezentującymi przeróżne
gałęzie nauki. Najbliższy tydzień grafenu odbędzie się w czerwcu 2014
roku w Goteborgu (Szwecja). Wydarzenie to ma pełnić rolę miejsca spotkań
dla społeczności zaangażowanej w prace nad grafenem, umożliwiającego
dyskutowanie potencjalnych, ekscytujących zastosowań praktycznych
fundamentalnej nauki.
- Platforma
Graphene Connect
, ułatwiającej interakcję pomiędzy środowiskiem akademickim a biznesem,
której celem jest zachęcanie naukowców do myślenia w nieszablonowy
sposób, a przedstawicieli przemysłu do opracowywania produktów
konsumenckich bazujących na grafenie. W ramach platformy odbędzie się
szereg warsztatów przemysłowych, a także zostaną zorganizowanie sesje
przeznaczone dla aniołów biznesu, przedsiębiorców oraz osób oferujących
kapitał inwestycyjny. Powyższe sesje umożliwią omówienie potencjalnych
możliwości inwestycyjnych dotyczących grafenu.
- Europejskiej szkoły zimowej na temat grafenu
Graphene Study
, która przyczyni się do rozwoju nowego pokolenia naukowców zajmujących
się grafenem, a także ułatwi stworzenie bezpośrednich kanałów
komunikacji pomiędzy młodymi naukowcami a podmiotami reprezentującymi
środowiska akademickie i przemysłowe. Pierwsza z powyższych szkół
zimowych będzie mieć miejsce w Alpach austriackich w dniach 2-7 lutego
2014 roku.
Wczesne wyniki
Niektóre z wcześniejszych prac badawczych, sfinansowanych przez UE, przynoszą już owoce. Przykładem może być projekt
GRAND
(4), zakończony w grudniu 2010 roku, którego uczestnicy sprawdzali, czy
grafen zachowa swe unikalne właściwości jeśli stanie się częścią
bazującego na krzemie procesu CMOS.
Inicjatywa GRAND, której przewodziła niemiecka firma AMO, miała na
celu zweryfikowanie, czy grafen mógłby faktycznie wprowadzić tradycyjną
technologię półprzewodnikową w erę "post-CMOS". Członkowie konsorcjum
GRAND opracowali metody wytwarzania dwuwymiarowych nanostruktur
grafenowych, o szerokości zaledwie 5nm, z myślą o zastosowaniu ich w
podzespołach elektronicznych. Istotny element prac stanowiło
udowodnienie, że takie podzespoły będą funkcjonować oraz że będą mogły
być produkowane w sposób, który da się poszerzyć na skalę przemysłową.
Uczestnicy projektu zaprojektowali nowy rodzaj tranzystora, opisany
przez nich w prestiżowym czasopiśmie "Applied Physics Letters”, który
być może pozwoli otworzyć drogę do opartych na grafenie, szybkich
urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.
W ramach projektu GRAND grafen zintegrowano także z nieulotnymi
pamięciami, które można zminiaturyzować do rozmiaru cząsteczkowego -
pamięć grafenowa o wymiarach zaledwie 1x1 nm przechowuje zapisane
informacje nawet, gdy nastąpi przerwa w zasilaniu. Zespół projektowy
wytworzył ponad 10 takich urządzeń, dowodząc tym samym skalowalności
eksperymentu.
Z kolei uczestnicy inicjatywy
CONCEPTGRAPHENE
(5), której przewodził Uniwersytet Technologiczny Chalmers w Szwecji,
pragnęli uwolnić potencjał drzemiący w osadzaniu cienkich warstw grafenu
na podłożu z węgliku krzemu (SiC). Celem powyższych prac było
opracowanie skalowalnych rozwiązań elektronicznych, które potencjalnie
będzie można stosować w "spintronice" oraz w bardzo precyzyjnych
urządzeniach pomiarowych. Zespół projektowy opracowywał metody
wielkoskalowego wytwarzania "płytek" grafenowych, które prawdopodobnie
umożliwią produkcję urządzeń elektronicznych o dużej gęstości z
zastosowaniem pojedynczego podłoża krzemowego. Tego rodzaju technologie
będą niezbędne podczas przemysłowej produkcji komponentów i urządzeń
elektronicznych bazujących na grafenie w sposób kompatybilny z obecnymi
technikami przemysłowymi.
Po zakończeniu prac projektowych, które miało miejsce we wrześniu
2013 roku, uczestnicy inicjatywy CONCEPTGRAPHENE stworzyli firmę, która
będzie wytwarzać płytki grafenowe. Siedziba Graphensic AB znajduje się w
Linköping (Szwecja). Graphensic AB wywodzi się z Uniwersytetu w
Linköping i specjalizuje się w wytarzaniu jednolitych płytek grafenu o
wysokiej jakości, na podłożu z węglika krzemu, z zastosowaniem
opatentowanego procesu osadzania grafenu w wysokie temperaturze. Jest to
metoda, dzięki której powstają cienkie warstwy grafenu (nawet o
grubości zaledwie jednego atomu) na podłożu SiC.
Więcej przełomowych rozwiązań
Jednak grafen nie jest jedynym materiałem, który być może pozwoli zrewolucjonizować elektronikę. Uczestnicy projektu
2D-NANOLATTICES
(6), który zakończy się w maju 2014 roku, opracowują podobne do grafitu
struktury siatek cząsteczkowych, bazujące na innych pierwiastkach. W
tych "nano-sieciach" również drzemie duży potencjał w zakresie otwarcia
wrót do produkcji coraz mniejszych i coraz bardziej wydajnych urządzeń
nano-elektronicznych. Przykładowo, jeśli istnieje silicen (lub
"germanen"), czyli krzemowe oraz germanowe odpowiedniki grafenu, to być
może materiały te okażą się bardziej kompatybilne ze stosowanymi obecnie
procesami obróbki krzemu.
Pod przewodnictwem Krajowego Centrum ds. Badań Naukowych
'Demokritos' w Atenach (Grecja) uczestnicy projektu 2D-NANOLATTICES
pragną zbadać krzem i german, w celu udowodnienia, po raz pierwszy w
historii, że silicen istnieje. Dzięki naprzemiennym, luźno ze sobą
powiązanym warstwom, z których każda składałaby się z tylko jednej
warstwy atomów, ten nowy materiał być może znajdzie zastosowanie w
bramkach oraz w innych komponentach budujących nowe, zminiaturyzowane
półprzewodniki dwuwymiarowe.
Być może wciąż mamy do czynienia z wczesnym etapem prac, jednak
wydaje się, że stoimy u progu rewolucji w zakresie wytwarzania urządzeń
elektronicznych, a także w zakresie ich możliwości. Jeśli tak jest, to
podobna rewolucja czeka europejski przemysł nowoczesnych technologii
oraz europejską gospodarkę.
Projekty opisane w niniejszym artykule uzyskały wsparcie na rzecz badań naukowych w ramach Siódmego Programu Ramowego (7PR).
(1) "Grafenowe rewolucje w branży TIK oraz w innych dziedzinach" ('Graphene-based revolutions in ICT and beyond')
(2) "Urządzenia nano-elektroniczne oparte na grafenie" ('Graphene-based nanoelectronic devices')
(3) "Inicjatywa ERA-NET wspierająca projekt flagowy” ('A flagship-supporting ERA-NET')
(4) "Nowe koncepcje w elektronice: epitaksjalne płytki grafenowe" ('New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene')
(5)
"Działanie na rzecz koordynacji grafenowej rewolucji w dziedzinie TIK
oraz w innych branżach" ('Coordination Action for graphene-driven
revolutions in ICT and beyond')
(6) "Silnie anizotropowe, podobne do
grafitu półprzewodniki/dielektryki w formie dwuwymiarowych nano-sieci"
('Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D
nanolattices').
Hiperłącza do projektu w serwisie CORDIS:
-
7PR w serwisie CORDIS-
informacje na temat projektu flagowego GRAPHENE w serwisie CORDIS-
informacje na temat projektu GRAPHENE-CA w serwisie CORDIS-
informacje na temat projektu GRAND w serwisie CORDIS-
informacje na temat projektu CONCEPTGRAPHENE w serwisie CORDIS-
informacje na temat projektu 2D-NANOLATTICES w serwisie CORDIS
Odnośniki do stron internetowych projektów
-
strona interenetowa
projektu "Grafenowe rewolucje w branży TIK oraz w innych dziedzinach" -
'Graphene-based revolutions in ICT and beyond'-
strona
internetowa projektu "Działanie na rzecz koordynacji grafenowej
rewolucji w dziedzinie TIK oraz w innych branżach" - 'Coordination
Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond'-
strona internetowa projektu "Urządzenia nano-elektroniczne oparte na grafenie" - 'Graphene-based nanoelectronic devices'-
strona
internetowa projektu "Nowe koncepcje w elektronice: epitaksjalne płytki
grafenowe" - 'New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene'-
strona
internetowa projektu "Silnie anizotropowe, podobne do grafitu
półprzewodniki/dielektryki w formie dwuwymiarowych nano-sieci" -
'Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D
nanolattices'
Odnośniki do powiązanych wiadomości i artykułów:
-
'Prezentacje projektów - Poznajcie pionierów przyszłych i wyłaniających się technologii-
Komunikat prasowy KE: Projekty 'Graphene' oraz 'Human Brain' laureatami największej w historii nagrody za doskonałość naukową-
Komunikat prasowy dotyczących inauguracji projektu flagowego GRAPHENE
Inne hiperłącza:
-
strona internetowa Agendy Cyfrowej Komisji Europejskiej