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

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
10 фильмов об одиноких мужчинах 10 фильмов об одиноких мужчинах

О важности и проблемах одиночества не однократно рассуждал кинематограф

GQ
Две большие розницы: online vs offline Две большие розницы: online vs offline

Новые технологии и падение доходов изменили потребительское поведение россиян

РБК
Вышел сериал «Сквозь снег» — новая адаптация триллера Пона Джун Хо. Увы, до оригинала ему очень далеко Вышел сериал «Сквозь снег» — новая адаптация триллера Пона Джун Хо. Увы, до оригинала ему очень далеко

Сериал «Сквозь снег» — 10-серийный ремейк одноименного триллера Пона Джун Хо

Esquire
Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies

Моменты жизни Мадонны, о которых стоит вспомнить.

Cosmopolitan
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
Темпы элиминации сонной болезни превзошли ожидания ВОЗ Темпы элиминации сонной болезни превзошли ожидания ВОЗ

В ближайшие десять лет ожидается полная ликвидация сонной болезни

N+1
Тед Банди. Маньяк-убийца, ставший национальной суперзвездой Тед Банди. Маньяк-убийца, ставший национальной суперзвездой

Тед Банди. Маньяк-убийца, ставший национальной суперзвездой

Maxim
Слово «зато», море и алкоголь. Редакция на карантине в объективе Zoom Слово «зато», море и алкоголь. Редакция на карантине в объективе Zoom

Редакция проекта «Сноб» поучаствовала в эксперименте «Фотосъемка в зуме»

СНОБ
Рейтинг брендов Рейтинг брендов

Бренды, которые стали заметны на рынке за год

Forbes
Дональд Гловер — Childish Gambino, сценарист, комик? 5 ипостасей артиста Дональд Гловер — Childish Gambino, сценарист, комик? 5 ипостасей артиста

Кто же такой этот Дональд Гловер?

Esquire
Ариане: «Сын есть творение» Ариане: «Сын есть творение»

Спор о Троице, поднявшийся в начале IV века, оказался судьбоносным

Weekend
Эксперты — о скандале вокруг Регины Тодоренко и ее фильме Эксперты — о скандале вокруг Регины Тодоренко и ее фильме

Мнение экспертов про инцидент с Региной Тодоренко и ее новое видео

РБК
Зубы Гитлера Зубы Гитлера

Фронтовые дороги Анны Маранц и Елены Каган пересеклись 8 мая 1945 года

Огонёк
Мир после пандемии: что ждет книжную индустрию Мир после пандемии: что ждет книжную индустрию

С какими проблемами столкнулись издательства и что будет после пандемии

СНОБ
3 простых финансовых лайфхака 3 простых финансовых лайфхака

Эти финхаки помогут сократить расходы, не изменяя потребительским привычкам

Maxim
«Стартаперы — люди с нездоровой психикой»: главный герой фильма Юрия Дудя — о жизни в Кремниевой долине «Стартаперы — люди с нездоровой психикой»: главный герой фильма Юрия Дудя — о жизни в Кремниевой долине

Николай Давыдов стал одним из основных героев фильма Юрия Дудя

Forbes
Любовь на карантине: как не испортить отношения с партнером в самоизоляции Любовь на карантине: как не испортить отношения с партнером в самоизоляции

Постоянно быть рядом трудно, как бы вы друг друга ни любили

Cosmopolitan
Комплекс упражнений для мам с малышом до 3-х лет в домашних условиях Комплекс упражнений для мам с малышом до 3-х лет в домашних условиях

Оптимальные упражнения для совместных фитнес-тренировок с маленьким ребенком

Мама и малыш
“Я не лысею!”: Мак-Конахи, Бекхэм и другие звезды, которые пересадили волосы “Я не лысею!”: Мак-Конахи, Бекхэм и другие звезды, которые пересадили волосы

Знаменитости, которые внезапно обзавелись роскошными шевелюрами

Cosmopolitan
Как сохранять мотивацию и не отвлекаться на удаленной работе Как сохранять мотивацию и не отвлекаться на удаленной работе

Как сохранять позитивный настрой и получать удовольствие от работы дома

РБК
Настоящая миссия компании: как она укрепляет бизнес и как сформулировать свою Настоящая миссия компании: как она укрепляет бизнес и как сформулировать свою

Способ, с помощью которого можно создать миссию для своей компании

VC.RU
Удобная статья: как расправляются с неугодными журналистами и блогерами Удобная статья: как расправляются с неугодными журналистами и блогерами

Обвинения в вымогательстве — все более популярный способ преследования

Forbes
Как «разглядеть» экзопланету на ярком фоне звезды: секрет Доплера Как «разглядеть» экзопланету на ярком фоне звезды: секрет Доплера

С помощью метода Доплера открыли тысячи экзопланет

Популярная механика
Как носить мужские сандалии? Вот 5 брендов, с которыми вы точно не ошибетесь Как носить мужские сандалии? Вот 5 брендов, с которыми вы точно не ошибетесь

5 проверенных обувных марок, которые делают отличные сандалии

Esquire
Почему я просыпаюсь ночью и не могу уснуть? 10 ответов на твой вопрос Почему я просыпаюсь ночью и не могу уснуть? 10 ответов на твой вопрос

У тебя часто бывает, что ты резко просыпаешься среди ночи?

Playboy
Унесенные Миядзаки. Как прославленный японец показал нам мир глазами ребенка Унесенные Миядзаки. Как прославленный японец показал нам мир глазами ребенка

Отрывок из книги «Студия Ghibli: творчество Хаяо Миядзаки и Исао Такахаты»

Forbes
«Многие уже отказались от машины». Что происходит с ОСАГО «Многие уже отказались от машины». Что происходит с ОСАГО

Что будет с рынком обязательного автострахования после пандемии

РБК
Хищным динозаврам в верхней юре пришлось глодать кости родственников Хищным динозаврам в верхней юре пришлось глодать кости родственников

Экосистема, в которую входили эти динозавры, была основательно нарушена

N+1
Открыть в приложении