Графен препятствует инженерам, но не запрещает одежде быть высокотехнологичной

N+1Hi-Tech

Гетероструктурные меньшинства

Как запрещенная зона графена препятствует инженерам, но не запрещает одежде быть высокотехнологичной

Кьяра Макиевская

0:00 /
1324.643

Графен раньше — теоретическая модель, реальное существование которой оспаривалось из-за бесконечного роста флуктуации параметра порядка вместе с ростом размера двумерного объекта. Графен сейчас — существующая двумерная аллотропная модификация углерода с рекордной теплопроводностью и подвижностью носителей заряда. Даже несмотря на отсутствие запрещенной зоны у графена, его можно использовать в нанотехнологиях в составе гетероструктур. Однако сейчас области применения графена не ограничиваются изготовлением транзисторов – его можно даже носить на себе. Об этом, а также о других двумерных материалах и их гетероструктурах N + 1 рассказывает вместе с KRAKATAU.

В 1935-1937 годах Лев Ландау и Рудольф Пайерлс, отцы-основатели современной теоретической физики, а позже и Дэвид Мермин и Герберт Вагнер математически показали неустойчивость существования одно- и двумерных кристаллов при конечной температуре. Согласно выкладкам ученых, в двумерных протяженных системах невозможно существование кристаллографического дальнего порядка из-за расходимости тепловых флуктуаций. Сейчас это утверждение известно как теорема Ландау-Пайерлса (Мермина-Вагнера).

Атомы в тонкой пленке не могут сформировать кристаллическую решетку, поскольку тепловые колебания — фононы — с большой длиной волны этот порядок разрушат. Проще говоря, кристалл не смог бы лежать в одной плоскости, он обязательно должен был бы смяться или свернуться в трубочку.

В 2004 году Андрею Гейму и Константину Новосёлову удалось экспериментально получить графен путем его отслаивания с графита при помощи простой липкой ленты. В 2010 году они были удостоены Нобелевской премии «за передовые опыты с двумерным материалом — графеном». Но значит ли это, что великие физики-теоретики ошибались?

Двумерный графен в трехмерном мире

Оказалось, что теорема Ландау-Пайерлса была выведена в гармоническом приближении. Более строгое рассмотрение вопроса о существовании дальнего порядка в двумерных системах показало, что с учетом ангармонических вкладов в таких системах может существовать квазидальний порядок. Из-за ангармонической связи изгибных колебаний и сжатия вдоль двумерной мембраны она не сминается, но на ней появляется рябь, своеобразные выпуклости, бугорки. В некотором смысле двумерные кристаллы все-таки находятся в трехмерном пространстве и благодаря этому остаются термодинамически стабильными.

Работа Гейма и Новосёлова пробудила новую волну интереса к двумерным материалам среди ученых всего мира. Оказалось, что кристаллы атомарной толщины, в первую очередь графен, обладают рядом интересных уникальных свойств, объясняемых особенностями строения на уровне атомов.

Лист графена очень напоминает плотно сомкнутые соты. Гексагональная решетка из атомов углерода возникает из-за того, что три из четырех электронов образуют соединение со своими «соседями». Орбиталь четвертого электрона перпендикулярна по отношению к плоскости графена. Связанные электроны обеспечивают прочность решетки, в то время как несвязанный электрон обеспечивает течение тока и, как следствие, придает графену высокую тепло- и электропроводность.

Самое удивительное свойство графена заключается в том, что электроны в нем подчиняются законам квантовой электродинамики, имеют нулевую массу покоя и подобны релятивистским частицам. Релятивистская физика имеет дело с частицами, имеющими околосветовые скорости. Но свойства графена обусловлены не столько околосветовыми скоростями, сколько симметрией кристаллической решетки. Из-за этого электроны в графене описываются уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера, традиционно рассматриваемого в твердотельной физике.

Дети кремниевой долины

Благодаря описанным свойствам графен может рассматриваться как перспективный материал для использования в наноэлектронике, в том числе как альтернатива кремниевым транзисторам. Вспомним принципы их устройства.

Физика твердых тел описывает материалы с помощью зонной теории. В каждом атоме есть валентная зона и зона проводимости. Когда эти две зоны пересекаются, электроны могут спокойно прыгать между уровнями, орбиталями и атомами — так получаются проводники. Когда между двумя зонами есть щель (запрещенная зона), электроны не могут двигаться. Материалы такого вида называются изоляторами (диэлектриками). Однако в случае, когда запрещенная зона небольшая, при определенных условиях электроны могут перемещаться на соседний атом. Такие материалы называются полупроводниками.

Транзисторы изготавливаются из полупроводников, например, кремния. Каждый атом кремния способен образовывать пару с четырьмя соседними атомами кремния, так как содержит четыре валентных электрона. Такая связь является ковалентной. Все электроны кремния находятся в своей валентной зоне. Электронам необходимо поглотить некоторое количество энергии, чтобы кремний мог проводить электричество.

Для повышения электропроводности полупроводников применяется метод легирования (не путать с лигированием – наложением лигатуры на кровеносные сосуды или же соединением двух молекул нуклеиновых кислот с участием фермента ДНК-лигазы). Заключается метод в введении небольших количеств примесей с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Я не хочу искать работу и менять свою жизнь Я не хочу искать работу и менять свою жизнь

Некоторые в разгар кризиса становятся бойцами движения сопротивления

Psychologies
Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies
Биоразлагаемая смазка для Севера Биоразлагаемая смазка для Севера

Создание биоразлагаемых материалов — важный шаг для экологии

Наука и жизнь
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

Как видеть в жизни хорошее, не вступая в противоречие со здравым смыслом

Psychologies
Что смотреть: лучшие фильмы и сериалы про офисную работу Что смотреть: лучшие фильмы и сериалы про офисную работу

Кино для тех, кто страшно соскучился по планктону и корпоративной рутине

Maxim
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
По сравнению со «сверстниками» Солнце оказалось намного слабее По сравнению со «сверстниками» Солнце оказалось намного слабее

Исследования показывают, что мы не так уж и хорошо знаем нашу собственную звезду

Популярная механика
К сексу нужно относиться с юмором К сексу нужно относиться с юмором

Богатый жизненный опыт «how to be playboy» Тимура Батрутдинова

Playboy
Без пятен и бледности: как носить «жидкие колготки» Без пятен и бледности: как носить «жидкие колготки»

Для тех, кто хочет «ножки как с обложки», придумали жидкие колготки

Cosmopolitan
6 ключей, чтобы продлить любовь 6 ключей, чтобы продлить любовь

Шесть моделей поведения, которые делают любовные отношения счастливыми

Psychologies
Почти леди. Норман Мейлер о Мадонне (отрывок из интервью) Почти леди. Норман Мейлер о Мадонне (отрывок из интервью)

Разговор с Мадонной о славе, одиночестве, контрацепции, порно и религии

Esquire
На вкус и цвет На вкус и цвет

Архитекторы из бюро «А+А» использовали цвет как инструмент создания интерьера

SALON-Interior
Фамильная ценность Фамильная ценность

Юная модель Стейнберг в самоизоляции времени даром не теряет

Vogue
Правила жизни сэра Пола Маккартни Правила жизни сэра Пола Маккартни

Правила жизни одного из основателей великой четверки The Beatles Пола Маккартни

Esquire
Как носить кожу летом и не париться (во всех смыслах) – рассказывает стилист Как носить кожу летом и не париться (во всех смыслах) – рассказывает стилист

Как носить кожу летом и не испытывать дискомфорт

Cosmopolitan
Как прекратить самобичевание Как прекратить самобичевание

Стоит совершить ошибку, и строгий внутренний голос начинает нас отчитывать

Psychologies
Алкогений: Уинстон Черчилль Алкогений: Уинстон Черчилль

Жизнь Черчилля — редкий пример счастливого и мирного алкоголизма

Maxim
Опасные связи Опасные связи

Декоратор превратила свою миланскую квартиру в филиал галереи дизайна

AD
История авантюриста Барта Тодда, который с помощью почтовых марок изменил экономику целой страны История авантюриста Барта Тодда, который с помощью почтовых марок изменил экономику целой страны

Как почтовые марки с помощью одного отчаянного туриста перевернули жизнь Бутана

Maxim
Ты в ритме танца! Live-сериал о самоизоляции Ты в ритме танца! Live-сериал о самоизоляции

Юлиана Бухольц заряжает свои ответы на сжигание лишних калорий

Cosmopolitan
Господин Плохие новости: как жил и работал Олден Уитмен, который десятилетиями писал некрологи для The New York Times Господин Плохие новости: как жил и работал Олден Уитмен, который десятилетиями писал некрологи для The New York Times

Каким был мастер составления некрологов Олден Уитмен?

Esquire
Как изменится туризм после пандемии: 8 прогнозов от тревел-экспертов Как изменится туризм после пандемии: 8 прогнозов от тревел-экспертов

Когда-нибудь мы вновь отправимся путешествовать, но немного по-другому

Playboy
Замена масла в АКП, вариаторе, «роботе». Почему это нужно делать Замена масла в АКП, вариаторе, «роботе». Почему это нужно делать

Для долгой работы коробок в «автоматах» нужно регулярно менять масло

РБК
Триумф аутсайдера: как пандемия сделала шахматы спортивным мейнстримом Триумф аутсайдера: как пандемия сделала шахматы спортивным мейнстримом

Шахматисты устроили два топ-турнира в онлайне, получив телеэфир

Forbes
Для вечеринок и секса: как креативная студия из Калифорнии создала защитный костюм для жизни после карантина Для вечеринок и секса: как креативная студия из Калифорнии создала защитный костюм для жизни после карантина

Micrashell — высокотехнологичный защитный костюм будущего

Forbes
Обувь победителя: что надо знать о паре Air Jordan 1 Майкла Джордана, проданной сегодня за 41 миллион рублей Обувь победителя: что надо знать о паре Air Jordan 1 Майкла Джордана, проданной сегодня за 41 миллион рублей

Почему Air Jordan 1 стали культовыми и чем заслужили такую ценность

Esquire
«Брэду Питту мы уже написали»: как инстаграм «Сказки на дому» за месяц превратился в международный проект с инвесторами «Брэду Питту мы уже написали»: как инстаграм «Сказки на дому» за месяц превратился в международный проект с инвесторами

Создатель «Сказки на дому» — о том, как искал команду, деньги и чтецов

Forbes
Липосакция — это раз и навсегда? Самые распространённые мифы об операциях Липосакция — это раз и навсегда? Самые распространённые мифы об операциях

Пластическая хирургия постоянно обрастает огромным количеством слухов и мифов

Cosmopolitan
«Даже худший сценарий — не катастрофа». Бизнес-гуру — о будущем после пандемии «Даже худший сценарий — не катастрофа». Бизнес-гуру — о будущем после пандемии

Что нас ждет в ближайшее время?

Reminder
Открыть в приложении