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

Заповедные новости Заповедные новости

События из жизни заповедников: растения-реликты и вакцинация диких животных

Наука и жизнь
Гарем для маньяка: история Александра Комина, который держал в подвале невольниц Гарем для маньяка: история Александра Комина, который держал в подвале невольниц

«Рабовладелец» — такое прозвище получил серийный убийца Александр Комин.

VOICE
Земля на стыке гипотез Земля на стыке гипотез

Земля в процессе своего развития расширялась или сжималась?

Знание – сила
«Это недопустимо»: нейл-мастер рассказала о самой опасной ошибке при наращивании ногтей «Это недопустимо»: нейл-мастер рассказала о самой опасной ошибке при наращивании ногтей

«Самые кошмарные ногти, которые она когда-либо видела»

VOICE
Горят ли окна в министерстве обороны? Горят ли окна в министерстве обороны?

Чем так напугали Кремль «американские военные планы»?

Дилетант
Как покупать винил: для чайников и продвинутых Как покупать винил: для чайников и продвинутых

Где и как приобретать пластинки в России, как не купить ерунду?

Maxim
Планетологи отыскали досолнечные зерна в грунте астероида Рюгу Планетологи отыскали досолнечные зерна в грунте астероида Рюгу

Ученые нашли на астероидах зерна, образовавшиеся до рождения Солнечной системы

N+1
Мифы и суеверия: почему информатика теперь — это необходимая наука об окружающем мире Мифы и суеверия: почему информатика теперь — это необходимая наука об окружающем мире

Почему в современном мире необходимо пересмотреть отношение к информатике

Forbes
«Конец привычного мира»: а как построить новый? «Конец привычного мира»: а как построить новый?

Прежняя жизнь закончилась. Как создать новую?

Psychologies
Разработано первое приложение для обмена сообщениями под водой Разработано первое приложение для обмена сообщениями под водой

Ученые разработали приложение для смартфона для передачи сообщений под водой

ТехИнсайдер
Как со вкусом носить вечерние платья: гид Жаклин Кеннеди Как со вкусом носить вечерние платья: гид Жаклин Кеннеди

Как одевалась Джеки Кеннеди?

VOICE
Надежда Батоева Надежда Батоева

Балерина Надежда Батоева — о том, как она стала примой Мариинского театра

Собака.ru
Игорь Мухин — о кинематографичности городов, деньгах и документальности Игорь Мухин — о кинематографичности городов, деньгах и документальности

Фотограф Игорь Мухин — о городах и их людях, агрессии и факторах случайности

РБК
Татьяна Абрамова: «Некоторые называют меня стервой» Татьяна Абрамова: «Некоторые называют меня стервой»

О жизни, гастролях и интересных знакомствах — рассказывает Татьяна Абрамова

Коллекция. Караван историй
Как лечат обсессивно-компульсивное расстройство Как лечат обсессивно-компульсивное расстройство

Как врачи-психиатры работают с ОКР

Psychologies
В краю двух морей: зачем вам непременно стоит отправиться на Терский берег В краю двух морей: зачем вам непременно стоит отправиться на Терский берег

Кольский полуостров часто называют краем земли

Вокруг света
«Развод в стиле кунг-фу»: женщина восстает против домашнего насилия «Развод в стиле кунг-фу»: женщина восстает против домашнего насилия

О том, как при помощи восточных единоборств противостоять мужу-насильнику

Forbes
Как сохранить желание: интервью с сексологом Как сохранить желание: интервью с сексологом

Можно ли сохранять сексуальный аппетит на протяжении долгого времени?

Psychologies
Можно ли удлинить ногтевое ложе? Да! Рассказываем, как это сделать Можно ли удлинить ногтевое ложе? Да! Рассказываем, как это сделать

Что делать, если природа не подарила тебе изящные ногти?

VOICE
Завтрак инков Завтрак инков

Настоящий перуанец обязательно съест воскресным утром порцию тамалеса

Вокруг света
Только не голосовое: 5 золотых правил «цифрового» этикета Только не голосовое: 5 золотых правил «цифрового» этикета

Как общаться в мессенджерах, чтобы не прослыть навязчивым занудой

Psychologies

Страхи в постели часто вообще никак не связаны с реальным положением дел

VOICE
Синдром одомашнивания: отрывок из книги «Парадокс добродетели» Ричарда Рэнгема Синдром одомашнивания: отрывок из книги «Парадокс добродетели» Ричарда Рэнгема

Почему людям свойственны одновременно доброта и жестокость?

СНОБ
Забытый король вестернов Том Микс: ковбой с простреленным горлом и легенда Голливуда Забытый король вестернов Том Микс: ковбой с простреленным горлом и легенда Голливуда

Том Микс — реальный ковбой со сломанным носом и простреленным горлом

Maxim
Как стартап россиян по выявлению NFT-подделок привлек $11 млн от инвестора Google Как стартап россиян по выявлению NFT-подделок привлек $11 млн от инвестора Google

Есть ли у стартапа Optic серьезные конкуренты и будущее?

Forbes
Стесняюсь спросить: почему женщинам бывает тяжело достичь оргазма с партнером? Стесняюсь спросить: почему женщинам бывает тяжело достичь оргазма с партнером?

Что делать, если оргазм не наступает без подручных средств?

Правила жизни
7 способов повысить интеллект ребенка 7 способов повысить интеллект ребенка

Несколько простых советов, которые помогут улучшить работу детского мозга

Лиза
Сойти за своего: как адаптироваться к жизни в другой стране Сойти за своего: как адаптироваться к жизни в другой стране

Как интегрироваться в новое общество и преодолеть культурные барьеры?

Psychologies
«Суббота — день обнимашек»: 4 новых факта об объятиях «Суббота — день обнимашек»: 4 новых факта об объятиях

Как связаны объятья, настроение и удовлетворенность жизнью?

Psychologies
Как на самом деле действуют отбеливающие пасты и чем могут быть опасны Как на самом деле действуют отбеливающие пасты и чем могут быть опасны

Советуют ли стоматологи использовать отбеливающие пасты?

Лиза
Открыть в приложении