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

Одержимый царь Одержимый царь

Победа в Полтавской битве стала возможной только благодаря железной воле Петра I

Дилетант
Сибирь назвали центром происхождения многобугорчатых Сибирь назвали центром происхождения многобугорчатых

Таштыкию новую и тагарию древнюю нашли под Красноярском

N+1
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
«Я приду плюнуть на ваши мобилы»: история поселения на северо-востоке США, где запрещены вышки сотовой связи и Wi-Fi «Я приду плюнуть на ваши мобилы»: история поселения на северо-востоке США, где запрещены вышки сотовой связи и Wi-Fi

Здесь нашли убежище люди, страдающие электромагнитной сверхчувствительностью

Esquire
Грудь Ани Лорак, изнасилование и другие громкие скандалы в «Что? Где? Когда?» Грудь Ани Лорак, изнасилование и другие громкие скандалы в «Что? Где? Когда?»

Многие недооценивают программу «Что? Где? Когда?», считая ее скучной

Cosmopolitan
Все массовые вымирания в истории Земли связали с глобальным потеплением Все массовые вымирания в истории Земли связали с глобальным потеплением

Все массовые вымирания в истории Земли были связаны с глобальным потеплением

N+1
Почему женщины изменяют? Почему женщины изменяют?

О причудливой психологии неверности рассказывает Михаил Лабковский

Cosmopolitan
Штраф за выезд на МКАД. Автомобилист пожаловался на ловушку Штраф за выезд на МКАД. Автомобилист пожаловался на ловушку

Водитель из Торжка проехал в Рязань транзитом через Москву

РБК
Гостевой брак: в чем его преимущества? Гостевой брак: в чем его преимущества?

Помогает ли раздельное проживание с партнером сохранить любовь в отношениях?

Psychologies
Домашняя работа: что полезного для здоровья можно сделать на самоизоляции Домашняя работа: что полезного для здоровья можно сделать на самоизоляции

Несколько действенных способов выйти из карантина в отличном состоянии

Esquire
Оральные контрацептивы и гормон любви - какова связь Оральные контрацептивы и гормон любви - какова связь

Как влияют на эмоции женщины противозачаточные таблетки?

Популярная механика
Квантовое расширение черной дыры Крускала оказалось асимптотически корректным Квантовое расширение черной дыры Крускала оказалось асимптотически корректным

Квантовая теория является асимптотически корректной

N+1
13 недругов новичка: типичные ошибки начинающего водителя 13 недругов новичка: типичные ошибки начинающего водителя

Получение водительского удостоверения вовсе не сделает вас асом за рулем

Популярная механика
Эффект природы Эффект природы

Современный минималистский интерьер Максима Гаевского

SALON-Interior
7 фактов о фильме «Кошмар на улице Вязов» 7 фактов о фильме «Кошмар на улице Вязов»

В 1984 году, в золотую эпоху фильмов, мы познакомились с Фредди Крюгером

Maxim
Армия нашествия и чужая Отечественная Армия нашествия и чужая Отечественная

Победили мы не только фашистов, но и тех, кто пошел воевать за их рейх

Огонёк
Как стать императрицей и не облажаться: каким получился сериал «Великая» с Эль Фаннинг о восхождении Екатерины II Как стать императрицей и не облажаться: каким получился сериал «Великая» с Эль Фаннинг о восхождении Екатерины II

Сериал «Великая» об императрице Екатерине II — очень черная комедия

Esquire
Древесные кенгуру: сумчатые, забравшиеся на деревья Древесные кенгуру: сумчатые, забравшиеся на деревья

Удивительный гибрид кенгуру, коалы, ленивца и медведя

National Geographic
Бесконечная шутка Бесконечная шутка

Литературные игры, курьёзы и выходки, ради которых объединялись разные авторы

Полка
Невеста Аттилы Невеста Аттилы

Если женщина не хочет замуж, то устроить её брак весьма проблематично

Дилетант
#инструктаж: как покупать в интернет-магазинах и не ошибаться #инструктаж: как покупать в интернет-магазинах и не ошибаться

Разбираемся, как безопасно использовать онлайн-магазины

РБК
Питер Тиль — о том, почему высшее образование переоценено Питер Тиль — о том, почему высшее образование переоценено

Основатель PayPal советует работодателям нанимать людей без высшего образования

Esquire
Масло масляное: зачем нужны гидрофильные очищающие средства Масло масляное: зачем нужны гидрофильные очищающие средства

Что же такое гидрофильные масла и всем ли они нужны?

Psychologies
Возобновляемая энергия в России может стать дешевле традиционной Возобновляемая энергия в России может стать дешевле традиционной

Стоимость «зеленого» киловатт-часа дешевеет из-за развития технологий

National Geographic
Психотерапевт в Skype. Это работает? Психотерапевт в Skype. Это работает?

Как сделать онлайн-терапию максимально эффективной, несмотря на ее ограничения

Reminder
Секс после родов. Как приспособиться к новым реалиям и получить удовольствие? Секс после родов. Как приспособиться к новым реалиям и получить удовольствие?

Что нужно знать, чтобы интимная близость после родов была приятной и безопасной?

Cosmopolitan
Средний лишний Средний лишний

Почему в России уже 20 лет не растет средний класс

Огонёк
Дарья Мороз — новая икона стиля и секс-символ российского кино Дарья Мороз — новая икона стиля и секс-символ российского кино

Кто такая Дарья Мороз?

Cosmopolitan
Месть нерождённых и спасение Руси: чем живут мужчины, выступающие против абортов Месть нерождённых и спасение Руси: чем живут мужчины, выступающие против абортов

Идеи, продвигаемые мужчинами, которые хотят за женщин решать вопрос материнства

Cosmopolitan
Клеймо на всю жизнь: вдовья доля Клеймо на всю жизнь: вдовья доля

В некоторых обществах вдовы становятся изгоями и нередко оказываются в приютах

National Geographic
Открыть в приложении