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

Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Обаяние Алании Обаяние Алании

Путешествие по Алании будет запоминающимся и сильно не ударит по вашему кошельку

Отдых в России
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Абонемент или абонент? Отличие или различие? 10 сложных паронимов, в которых старшеклассники всегда ошибаются на ЕГЭ Абонемент или абонент? Отличие или различие? 10 сложных паронимов, в которых старшеклассники всегда ошибаются на ЕГЭ

Случаи, в которых ошибаются даже отличники по русскому языку

ТехИнсайдер
Два гетмана Два гетмана

Из всех гетманов Войска Запорожского выделяются Богдан Хмельницкий и Иван Мазепа

Дилетант
Инновации на кухне. Кто и как может стать изобретателем Инновации на кухне. Кто и как может стать изобретателем

Что важно для современного изобретателя и почему не всегда нужен узкий профиль

СНОБ
Пекинское время Пекинское время

Советские автомобили на выставках в Китае

Автопилот
Ищу проверенного косметолога Ищу проверенного косметолога

7 «красных флажков» при знакомстве с косметологом

Лиза
Ниже солнца, выше воды Ниже солнца, выше воды

Беспилотное судно с почти неограниченным запасом хода

Популярная механика
Квантовые блуждания атомов помогли искать с оракулом Квантовые блуждания атомов помогли искать с оракулом

Экспериментально реализовали квантовые блуждания нейтральных атомов стронция-88

N+1
«Пока не сыграл в ящик»: как составить список самых важных дел «Пока не сыграл в ящик»: как составить список самых важных дел

Как составить bucket list и при этом избежать ошибок?

Psychologies
В детстве вас не замечали: 7 последствий жизни в токсичной семье В детстве вас не замечали: 7 последствий жизни в токсичной семье

Какие «хвосты» из детства в токсичной семье могут отравлять взрослую жизнь?

Psychologies
Малый ледниковый период отразился на почвах из Тульского кремля Малый ледниковый период отразился на почвах из Тульского кремля

Палеопочвоведы нашли признаки похолодания в культурных слоях XVI–XVIII веков

N+1
История одной вещи: духи «Красная Москва», символ советской парфюмерии История одной вещи: духи «Красная Москва», символ советской парфюмерии

Их цветочно-шипровый шлейф витал в театрах, ресторанах и универмагах

Правила жизни
Датчик расхода воздуха: почему он так важен и как его проверить Датчик расхода воздуха: почему он так важен и как его проверить

Что такое датчик массового расхода воздуха и зачем он нужен

РБК
Почему вы просыпаетесь уставшим: 8 причин Почему вы просыпаетесь уставшим: 8 причин

Многие люди часто не просто не высыпаются, а встают разбитыми и уставшими

ТехИнсайдер
Блефаропластика: операция на веках, которая возвращает лицу молодость Блефаропластика: операция на веках, которая возвращает лицу молодость

Блефаропластика – малоинвазивная операция на верхних и нижних веках

ТехИнсайдер
Как справиться с источниками негатива в нашей жизни: 3 совета Как справиться с источниками негатива в нашей жизни: 3 совета

Как найти источники негативного влияния и нейтрализовать их?

Psychologies
Не то, чем кажется: развеиваем 4 популярных мифа о российской экокосметике Не то, чем кажется: развеиваем 4 популярных мифа о российской экокосметике

Как выбрать по-настоящему безопасный и эффективный экопродукт

VOICE
Хлебное место Хлебное место

Экспедиция на «буханке» в деревню, которой нет

Автопилот
«Свобода определяется рамками»: как пианист Риад Маммадов переосмысляет классику «Свобода определяется рамками»: как пианист Риад Маммадов переосмысляет классику

Риад Маммадов — как строится карьера классических музыкантов в России?

Forbes
Одиночество в детстве предсказало проблемы с алкоголем во взрослой жизни Одиночество в детстве предсказало проблемы с алкоголем во взрослой жизни

Люди, ощущавшие одиночество в детстве, сильнее реагируют на стресс

N+1
Праведник из камеры смертников: как убийца чуть не получил Нобелевскую премию за детские книги Праведник из камеры смертников: как убийца чуть не получил Нобелевскую премию за детские книги

Преступник, который выдвигался на Нобелевскую премию девять раз

VOICE
Как «дьявольский» манускрипт XVII века пришлось расшифровывать с помощью DarkNet Как «дьявольский» манускрипт XVII века пришлось расшифровывать с помощью DarkNet

Расшифровка «сатанинской» рукописи XVII века, которой больше 300 лет

ТехИнсайдер
Былое и думы вымышленного предпринимателя: почему бизнес-романы так популярны Былое и думы вымышленного предпринимателя: почему бизнес-романы так популярны

Так называемые бизнес-романы — истории успешного бизнеса, чаще всего вымышленные

Forbes
Вопрос психологу: как научиться говорить «нет» Вопрос психологу: как научиться говорить «нет»

Как научиться говорить слово «нет» в нужные моменты без чувства вины

Правила жизни
«Тошнит от школы». Почему дети болеют перед контрольными «Тошнит от школы». Почему дети болеют перед контрольными

О том, как на самом деле взаимодействует психическое и телесное

СНОБ
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
Физики смогли создать дополнительное измерение времени при помощи лазера Физики смогли создать дополнительное измерение времени при помощи лазера

Физики создали совершенно новую, странную фазу материи

ТехИнсайдер
Гид по метаверсу от Покраса Гид по метаверсу от Покраса

Покрас Лампас — о метаверсе, метаценностях и метамодернизме

Собака.ru
Открыть в приложении