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

Портрет на фоне Галактики Портрет на фоне Галактики

Чёрные дыры – самое смелое предсказание общей теории относительности Эйнштейна

Наука и жизнь
Игра недоверия Игра недоверия

Советские детективы как кино морального беспокойства

Weekend
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
В поисках Рюрика В поисках Рюрика

А был ли Рюрик?

Дилетант
Вернуть награды императору! Вернуть награды императору!

Недавно в Петербурге завершилась масштабная реставрация памятника Николаю I

Дилетант
Сосредоточьтесь на чем-то одном: как многозадачность вредит нашему здоровью и отношениям Сосредоточьтесь на чем-то одном: как многозадачность вредит нашему здоровью и отношениям

Многозадачность на самом деле снижает нашу общую продуктивность

Psychologies
Лучшие после белых Лучшие после белых

Почему грибники так любят подосиновики и подберёзовики?

Наука и жизнь
Гештальт-терапия: прикосновение к реальности Гештальт-терапия: прикосновение к реальности

Как гештальт-терапия помогает нам осознать свои желания

Psychologies
Билет в один конец Билет в один конец

Илон Маск мечтает умереть на Марсе, и он по-своему прав

Популярная механика
3 современные российские книги о детско-родительской травме 3 современные российские книги о детско-родительской травме

Бибилиотерапия, которая поможет осмыслить детско-родительские травмы

Psychologies
Зависимость от новостей связана не только с проблемами психологического здоровья, но и физического Зависимость от новостей связана не только с проблемами психологического здоровья, но и физического

Думскроллеры чаще страдают от стресса и физического недомогания

ТехИнсайдер
«Слишком хороший сын»: мой мужчина чрезмерно заботится о матери «Слишком хороший сын»: мой мужчина чрезмерно заботится о матери

Как мужчина относится к своей матери, так он будет относиться к своей жене?

Psychologies
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
7 способов повысить интеллект ребенка 7 способов повысить интеллект ребенка

Несколько простых советов, которые помогут улучшить работу детского мозга

Лиза
Груминг и созависимость: устаревшая этика в сериале «Жена путешественника во времени» Груминг и созависимость: устаревшая этика в сериале «Жена путешественника во времени»

Этот сериал c мог бы сместить с пьедестала фильмы о созависимых отношениях

Forbes
Физики заставили фотоны интерферировать с магнонами Физики заставили фотоны интерферировать с магнонами

Физики продемонстрировали квантовую интерференцию между различными волнами

N+1
Почему оборотень Джейкоб из “Сумерек” не стал суперзвездой — как Кристен Стюарт и Роберт Паттинсон Почему оборотень Джейкоб из “Сумерек” не стал суперзвездой — как Кристен Стюарт и Роберт Паттинсон

Почему про Тейлора Лотнера все забыли?

VOICE
Должна ли феминистка платить за себя на свидании? Должна ли феминистка платить за себя на свидании?

Кто платит на свиданиях?

Psychologies
История одной фотографии: пещера с золотом нацистов История одной фотографии: пещера с золотом нацистов

Реальные сокровища Рейха выглядели круче, чем в фильмах про Индиану Джонса!

Maxim
8 способов обмануть аппетит (например во время интервального голодания) 8 способов обмануть аппетит (например во время интервального голодания)

Можно ли убедить организм, что он не голоден?

Inc.
Почему «тургеневская барышня» — не комплимент: многие бездумно используют это обидное словосочетание Почему «тургеневская барышня» — не комплимент: многие бездумно используют это обидное словосочетание

«Ты такая нежная и изящная — прямо-таки тургеневская девушка!»

VOICE
Гигантские изоподы: мастера выживания, о которых почти ничего не известно Гигантские изоподы: мастера выживания, о которых почти ничего не известно

Загадочное существо, способное составить тараканам конкуренцию в выживании

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
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
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
Неужели паре пришел конец? Неужели паре пришел конец?

На что надеяться в любви, а от чего предстоит отказаться?

Psychologies
Как вернуть ребенка в школу после каникул? Отвечает Дима Зицер Как вернуть ребенка в школу после каникул? Отвечает Дима Зицер

Как начать учебный год без скандалов, слез и уговоров?

СНОБ
О чем говорит цвет выделений из носа О чем говорит цвет выделений из носа

Носовая слизь может менять цвет и текстуру в зависимости от причины ее появления

ТехИнсайдер
8 фильмов для тех, кто не готов прощаться с летом 8 фильмов для тех, кто не готов прощаться с летом

Чтобы задержаться в атмосфере лета, достаточно включить любой фильм из подборки

Psychologies
Все о жизни первой клоунессы СССР Ирины Асмус, которая погибла на арене цирка Все о жизни первой клоунессы СССР Ирины Асмус, которая погибла на арене цирка

Ириска — первая советская клоунесса

VOICE
Открыть в приложении