Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в XX веке

Наука и жизньНаука

Невидим, свободен...

Записала Наталия Лескова

Фото Андрея Афанасьева

Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в середине XX века, однако возможность их создания в то время вызывала сомнения. Тем не менее графен, материал толщиной в один слой углеродных атомов, был получен, а за прорывные эксперименты с ним Андрею Гейму и Константину Новосёлову присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12 , 2010 г.). Невероятно тонкий и потому свободный от множества ограничений трёхмерного мира, графен демонстрировал небывалые качества: высочайшую прочность, феноменальную подвижность электронов, необычные квантовые эффекты. Материал с такими свойствами «обещал» революцию в электронике. Однако создать технологию промышленного производства графена оказалось не так-то просто.

Доктор физико-математических наук Александр Лебедев, руководитель отделения твердотельной электроники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), где разрабатывают отечественную технологию получения однородного графена, рассказывает, зачем нужен качественный графен и как его вырастить.

Профессор Александр Александрович Лебедев.

Углерод — интереснейшее вещество, которое может существовать в сильно отличающихся структурой и свойствами формах. Графит и алмаз — казалось бы, одно и то же по составу, но у них разные кристаллические решётки. В алмазе решётка очень плотная и связи между атомами крепкие, а в графите есть плоскости, внутри которых атомы связаны хорошо, но сами плоскости между собой связаны слабо. Из-за этого возникают разные свойства. Если куском графита провести по плоскости, то останется след — это свойство используется в карандашном грифеле. А если отделить от графита один слой, то это и будет графен, двумерный материал с новыми свойствами.

Графен — классический пример того, как совершаются открытия. Сначала все говорили о том, что такой материал никак не получить. Крупные теоретики писали, что двумерную структуру создать невозможно, она будет разрушаться тепловыми колебаниями при любой температуре. А когда наши соотечественники Андрей Гейм и Константин Новосёлов сделали это буквально «на коленке» — с помощью липкой ленты отсоединив кусочки графита и получив таким способом удивительный наноматериал, то сразу появилось множество людей, которые якобы открыли графен гораздо раньше.

Графит состоит из слоёв углеродных атомов. Каждый слой образует гексагональную кристаллическую решётку. Рисунок: Anton/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.5

Например, Вальтер дер Хир, американский физик голландского происхождения, тоже занимался двумерными плёнками и получал графен на карбиде кремния. Когда Нобелевскую премию дали Гейму и Новосёлову, он высказывал недовольство, писал письма в Нобелевский комитет, доказывая, что он сам и другие исследователи получали графен гораздо раньше. Однако в Нобелевском комитете объяснили, что премию лауреатам дали не за то, что они первыми получили графен, а за то, что доказали двумерность этого материала.

Действительно, Гейм с Новосёловым получили двумерные кристаллы графена, что и было установлено в последующих экспериментах. Но эти кристаллы были маленькие, неправильной и непредсказуемой формы. Именно из-за своей несовершенной формы такой графен был непригоден для практического использования. Как шутил сам Гейм, нельзя представить себе технологическую линейку, в начале которой сидел бы человек и липкой лентой отдирал бы от графита кусочки графена. Поэтому многие сразу начали думать, как сделать технологию, с помощью которой стало бы возможным промышленное производство такого материала.

Монослой атомов углерода представляет собой двумерный кристалл — графен. Рисунок: AlexanderAlUS/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Когда я впервые слушал доклад о структуре и свойствах графена, то через несколько минут сообразил, что его можно получать термодеструкцией, испарением поверхности карбида кремния (SiC). Если взять карбид кремния и начать его греть в вакууме при температуре примерно полторы тысячи градусов, то начинается испарение кремния, а на поверхности образуется плёнка углерода. Этот эффект называется графитизацией. Мы, проводя такие эксперименты с карбидом кремния, всегда думали, что это сугубо отрицательный эффект, потому что такая плёнка на поверхности углерода всё «закорачивает». Считали это браком и выкидывали, вместо того чтобы поехать в Стокгольм и поговорить насчёт Нобелевской премии.

После открытия графена и его свойств мы решили отрицательное явление графитизации превратить в полезную технологию роста графена. Для этого надо было в процессе нагрева карбида кремния подобрать такие технологические параметры, чтобы образовалась моноатомная плёнка углерода, то есть графен.

При нагреве подложки SiC до температуры 1300—1400°C её поверхность приобретает ступенчатый вид, а при температуре нагрева выше 1500°C начинается образование плёнки графена. Внизу — схематическое изображение подложки SiC со сформированной графеновой плёнкой. Справа — 3Dизображение поверхности структуры графен/SiC, полученное методом атомно-силовой микроскопии. К сожалению, разрешающая способность данного метода не позволяет увидеть атомы графеновой плёнки, однако ступени высотой всего 1 нанометр видны хорошо. Рисунок из статьи: Yazdi G.R., Iakimov T., Yakimova R. l. Crystals 2016, 6, 53.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Магомет идет к горе Магомет идет к горе

Мобильная станция, в которой содержится около 7–8 т различных видов масел

Популярная механика
История одной вещи: орешки со сгущенкой — один из самых любимых советских десертов История одной вещи: орешки со сгущенкой — один из самых любимых советских десертов

Рассказываем о орешках со сгущенкой из СССР и делимся рецептом

Правила жизни
«Уэбб»: получены первые снимки «Уэбб»: получены первые снимки

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
Скорая помощь Скорая помощь

Когда можно справиться с болью самостоятельно?

Лиза
Без пчел Без пчел

Дроны уже готовятся заменить летающих созданий в садах и на плантациях

ТехИнсайдер
Не край света: почему вам нужно съездить во Владивосток Не край света: почему вам нужно съездить во Владивосток

Почему бы не отправиться на Дальний Восток?

Правила жизни
Фолкленды и Мальвины Фолкленды и Мальвины

Крошечные острова в Южной Атлантике в 1982 году стали полем битвы

Дилетант
Население древнего карфагенского города оказалось генетически разнообразным Население древнего карфагенского города оказалось генетически разнообразным

Палеогенетики исследовали геномы жителей Средиземноморья железного века

N+1
Самолет комсомольцев Самолет комсомольцев

Уникальный авиационный проект, созданный комсомольцами и на деньги комсомола

Популярная механика
Красота по-османски: 5 бьюти-правил турчанок, которые стоит взять на заметку Красота по-османски: 5 бьюти-правил турчанок, которые стоит взять на заметку

Мы раскрыли тайну османских красавиц — бери их ключевые бьюти-правила на заметку

VOICE
5 продуктов, которые можно есть перед сном, если вы хотите похудеть 5 продуктов, которые можно есть перед сном, если вы хотите похудеть

Чтобы сбросить лишний вес, есть на ночь не только можно, но и нужно!

ТехИнсайдер
Как произвести замену двигателя и оформить ее в ПТС Как произвести замену двигателя и оформить ее в ПТС

Какие моменты нужно учесть при замене мотора?

РБК
10 современных фильмов о выживании 10 современных фильмов о выживании

Фильмы о том, как выжить в снегах, в самолетах и в лапах диких животных

Maxim
«Совместное родительство — это предприятие»: как отцы включаются в заботу о детях «Совместное родительство — это предприятие»: как отцы включаются в заботу о детях

Почему в России до сих пор есть проблемы с включением отцов в воспитание детей

Forbes
5 нон-фикшн книг, которые стоит взять с собой в отпуск 5 нон-фикшн книг, которые стоит взять с собой в отпуск

Книга — лучший попутчик в отпуске!

Maxim
Космическая медицина на орбите и на Земле Космическая медицина на орбите и на Земле

Как медики изучают влияние космического полета на организм

ТехИнсайдер
Что делать с прыщами во взрослом возрасте? Что делать с прыщами во взрослом возрасте?

Подростковый возраст остался далеко позади, а прыщи все не уходят?

Maxim
Что такое настоящая любовь к женщине: смешная и мудрая цитата Романа Карцева Что такое настоящая любовь к женщине: смешная и мудрая цитата Романа Карцева

Монологи Романа Карцева смешат нас до сих пор

VOICE
5 способов спасти себя от разрушительного стресса 5 способов спасти себя от разрушительного стресса

Комплекс мер по поддержанию нормальной работы мозга во время стресса

Psychologies
Мини-биржа: как сервис выходцев из «Сбера» стал игроком №2 на рынке краудлендинга Мини-биржа: как сервис выходцев из «Сбера» стал игроком №2 на рынке краудлендинга

Cервис JetLend: как он увеличил свои показатели в три раза?

Forbes
«Подбрасывание лисиц и другие забытые и опасные виды спорта». Гид по маргинальным развлечениям прошлого «Подбрасывание лисиц и другие забытые и опасные виды спорта». Гид по маргинальным развлечениям прошлого

Вряд ли кто-то из вас пробовал конный бокс или рукопашный бой с медведем

N+1
Как пить, чтобы похудеть Как пить, чтобы похудеть

Влияет ли употребление алкоголя на набор веса?

Maxim
Как устроена система охлаждения двигателя: что должен знать каждый Как устроена система охлаждения двигателя: что должен знать каждый

Что нужно знать о системе охлаждения двигателя, чтобы авто работало исправно

РБК
Как выбрать TWS-наушники: 6 важных критериев Как выбрать TWS-наушники: 6 важных критериев

К выбору TWS-наушников стоит подойти максимально серьезно

CHIP
Какова вероятность погибнуть от космического мусора? Какова вероятность погибнуть от космического мусора?

Знаешь ли ты, что нам на голову постоянно из космоса что-то валится?

Maxim
20 способов испортить окружающим людям весь кайф 20 способов испортить окружающим людям весь кайф

Рассказываем о самых циничных способах не дать людям получить наслаждение

Maxim
Как рэпер 50 Сent помог продавать воду дорого и заработал на этом $100 млн Как рэпер 50 Сent помог продавать воду дорого и заработал на этом $100 млн

Отрывок из книги «Hustle Harder, Hustle Smarter» о жизни 50 Сent

Forbes
Рождение и гибель мегаполисов Рождение и гибель мегаполисов

Почему Вавилон пришел в упадок?

Вокруг света
Мощный мотор и странные подножки. Тест-драйв Exeed TXL Sport Edition Мощный мотор и странные подножки. Тест-драйв Exeed TXL Sport Edition

Оправдывает ли Exeed TXL с новым турбомотором такое громкое заявление?

РБК
«Эзопов язык уже невозможен»: Ольга Сутулова о переменах в кино и женской повестке «Эзопов язык уже невозможен»: Ольга Сутулова о переменах в кино и женской повестке

Актриса Юля Варшавская — как меняется женская повестка в российском кино

Forbes
Открыть в приложении