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

Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Мягкая сила. Как управлять бизнесом в новой реальности: правила первого зампреда правления Росбанка Перизат Шайхиной Мягкая сила. Как управлять бизнесом в новой реальности: правила первого зампреда правления Росбанка Перизат Шайхиной

Как замотивировать сотрудников, не прибегая к авторитарным мерам

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

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
«Еврейка, которая шпионила против фашистов»: отрывок из биографии Урсулы Кучински «Еврейка, которая шпионила против фашистов»: отрывок из биографии Урсулы Кучински

Отрывок из книги «Агент Соня. Любовница, мать, шпионка, боец»

Forbes
Возвращение русского плиозавра Возвращение русского плиозавра

Куда можно отправиться, чтобы прикоснуться к миру гигантских рептилий древности

Популярная механика
Археологи раскопали дом небогатых жителей Помпей Археологи раскопали дом небогатых жителей Помпей

Внутри дома в Помпеях находились предметы быта и остатки мебели

N+1
Карл XII: один против всех Карл XII: один против всех

Почему же Швеция проиграла Северную войну?

Дилетант
«Я почитала аффирмации и не выздоровела»: почему не стоит слишком увлекаться психосоматикой «Я почитала аффирмации и не выздоровела»: почему не стоит слишком увлекаться психосоматикой

Роль психосоматики в последнее время явно преувеличена, и вот почему

Psychologies
Живительный церий Живительный церий

Прообразы будущих препаратов, которые могли бы получить практическое применение

Наука и жизнь
«Вещная жизнь: материальность позднего социализма». «Вещная жизнь: материальность позднего социализма».

Отрывок из книги «Вещная жизнь» — о том, как железо в СССР было связано с силой

N+1
Запах псины, водка и другие вещи, которые берутся вовсе не оттуда, откуда все думают Запах псины, водка и другие вещи, которые берутся вовсе не оттуда, откуда все думают

Надеемся, тебе всегда было интересно, откуда на самом деле берутся водка и нефть

Maxim
История одной вещи: тушь «Ленинградская», в которую нужно поплевать История одной вещи: тушь «Ленинградская», в которую нужно поплевать

Шок-контент — «Ленинградскую» тушь все еще производят!

Правила жизни
Сон в палатках и кино под открытым небом: топ-7 идей для отдыха всей семьей Сон в палатках и кино под открытым небом: топ-7 идей для отдыха всей семьей

Используйте наши идеи для семейного отдыха на выходных

Караван историй
Хабаровский музыкант МА ГАК ПА — о новом альбоме «V», любви к хокку и пути к успеху вдали от Москвы Хабаровский музыкант МА ГАК ПА — о новом альбоме «V», любви к хокку и пути к успеху вдали от Москвы

МА ГАК ПА — как живут дальневосточные музыканты

СНОБ
«Если бы Гарри не был принцем, она не дала бы ему и двух минут!»: Меган Маркл поразила британку «Если бы Гарри не был принцем, она не дала бы ему и двух минут!»: Меган Маркл поразила британку

Герцогиня Сассекская подверглась новым нападкам

VOICE
Легко сказать: 9 простых (на деле — не очень) правил, которые помогут стать здоровее и счастливее Легко сказать: 9 простых (на деле — не очень) правил, которые помогут стать здоровее и счастливее

Советы, которые помогут понять: жизнь лучше, чем кажется

Правила жизни
ДК Бондарев ДК Бондарев

Приглашаем на экскурсию в музей-квартиру художника Сергея Бондарева

Собака.ru
Екатерина Медичи: чему с детства училась «кровавая» французская королева Екатерина Медичи: чему с детства училась «кровавая» французская королева

Книга рассказывает о самой знаменитой королеве Франции, религиозной фанатичке

Forbes
«Мы вам перезвоним» «Мы вам перезвоним»

9 причин, почему тебя не берут на работу и что с этим делать

Лиза
Зачем изучать искусство: 5 причин Зачем изучать искусство: 5 причин

Как искусство развивает наш кругозор и снимает тревожность?

Psychologies
Все совпадения неслучайны: 6 криминальных сериалов, основанных на реальных событиях Все совпадения неслучайны: 6 криминальных сериалов, основанных на реальных событиях

Криминальные сериалы, в основу которых легли реальные трагические истории

Forbes
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
Одна вокруг света: озеро на месте «звездной раны» и деревенская прачечная в Боливии Одна вокруг света: озеро на месте «звездной раны» и деревенская прачечная в Боливии

182-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Боливия

Forbes
Неочевидные детали, на которые нужно обратить внимание при покупке б/у смартфона Неочевидные детали, на которые нужно обратить внимание при покупке б/у смартфона

Как купить подержанный телефон и не облажаться

Maxim
В 19 лет прославилась, в 20 убита мужем: трагическая судьба звезды Playboy Дороти Страттен В 19 лет прославилась, в 20 убита мужем: трагическая судьба звезды Playboy Дороти Страттен

В свои 20 лет Дороти Страттен имела всё — мужа, популярность, работу мечты

VOICE
Сверхновая 1181 года вписалась в модель слияния двух белых карликов Сверхновая 1181 года вписалась в модель слияния двух белых карликов

Возникновение сверхновой произошло из-за слияния двух белых карликов

N+1

Иногда мир становится словно картонным...

VOICE
Домашний тест для определения рака горла и полости рта показал точность в 90 процентов Домашний тест для определения рака горла и полости рта показал точность в 90 процентов

Может ли машина выявить рак горла и полости рта по слюне?

N+1
Имеют ли право судебные власти Имеют ли право судебные власти

Юрист анализирует право человека на частную жизнь его мозга

ТехИнсайдер
6 признаков того, что в вашей интимной жизни есть проблемы, и как это исправить 6 признаков того, что в вашей интимной жизни есть проблемы, и как это исправить

6 признаков того, что у вас что-то разладилось — и способы все починить

VOICE
Открыть в приложении