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

Античный герой Античный герой

Кого люди будут вспоминать через столетия?

Популярная механика
4 книги, которые изменят ваше отношение к себе 4 книги, которые изменят ваше отношение к себе

Подборка книг, которые помогут вам по-новому выстроить общение с собой

Psychologies
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Рождение и гибель мегаполисов Рождение и гибель мегаполисов

Почему Вавилон пришел в упадок?

Вокруг света
Доктор едет, едет Доктор едет, едет

Два врача и программист построили цифровую платформу для ДМС

Forbes
Почему даже домашние кошки охотятся на диких животных и играют с полумертвой добычей? Почему даже домашние кошки охотятся на диких животных и играют с полумертвой добычей?

Почему домашние кошки, оказавшись за порогом, превращаются в свирепого хищника?

ТехИнсайдер
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

Как раз в декабре у степных животных начинается важнейший этап в их жизни — гон

Наука и жизнь
Все как в космосе: ученые воспроизведут столкновение нейтронных звезд в ускорителе Все как в космосе: ученые воспроизведут столкновение нейтронных звезд в ускорителе

Эксперимент на установке BM@N для изучения столкновения нейтронных звезд

ТехИнсайдер
Робингудская «почемучка» Робингудская «почемучка»

Отвечаем на наиболее распространённые вопросы о Робин Гуде и Средних веках

Дилетант
Одиночество в толпе: как переход от сигар и трубок к сигаретам изменил стиль общения Одиночество в толпе: как переход от сигар и трубок к сигаретам изменил стиль общения

Отрывок из книги историка Дэвида Винсента «История одиночества»

Forbes
Ресторатор Борис Зарьков — о японской муке, машине и The World's 50 Best Ресторатор Борис Зарьков — о японской муке, машине и The World's 50 Best

Ресторатором Борисом Зарьковым — о насмотренности, любви к Японии и планах

РБК
Мест нет: что такое овербукинг и как он может помешать вашему путешествию Мест нет: что такое овербукинг и как он может помешать вашему путешествию

Зачем на каждый рейс продают больше билетов, чем кресел в самолете?

Вокруг света
Прямые траектории миграции мертвых голов указали на наличие внутреннего компаса Прямые траектории миграции мертвых голов указали на наличие внутреннего компаса

Вероятно, бражники ориентируются по ландшафту и магнитному полю Земли

N+1
Как избавиться от домашних клопов за один день: готовимся к сезону вредителей Как избавиться от домашних клопов за один день: готовимся к сезону вредителей

Как обезопасить свою постель от домашних клопов?

ТехИнсайдер
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
Как создать финансовую подушку безопасности Как создать финансовую подушку безопасности

Как сформировать финансовую подушку, можно ли иногда изымать из нее средства?

Psychologies
Как актриса Нишель Николс и сериал «Стартрек» помогли движению за гражданские права в США Как актриса Нишель Николс и сериал «Стартрек» помогли движению за гражданские права в США

Как роль Нишель Николс в космической франшизе повлияла на права женщин в США

СНОБ
Роговица из свиного белка восстановила зрение 20 пациентам с кератоконусом Роговица из свиного белка восстановила зрение 20 пациентам с кератоконусом

Ученые разработали протезы роговицы глаза на основе коллагена из свиной кожи

N+1
Юпитер ограничил параметры темной материи Юпитер ограничил параметры темной материи

Физики предложили новый метод для ограничения параметров темной материи

N+1
«Красная Африка»: документальный фильм об абсурдности советской пропаганды «Красная Африка»: документальный фильм об абсурдности советской пропаганды

«Красная Африка» — как выглядела советская пропаганда, запечатленная на пленке

Forbes
Почему цивилизация Древнего Египта пришла в упадок: главная причина падения цивилизации Почему цивилизация Древнего Египта пришла в упадок: главная причина падения цивилизации

Почему некогда великая Египетская империя медленно опускалась на колени?

ТехИнсайдер
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
В 6000-летнем захоронении обнаружили сотни сверкающих кристаллов В 6000-летнем захоронении обнаружили сотни сверкающих кристаллов

Дюди эпохи неолита использовали кварц для украшения могил в западной Англии

ТехИнсайдер
История одной вещи: тамагочи — великий и (немного) ужасный История одной вещи: тамагочи — великий и (немного) ужасный

Вспоминаем историю суперпопулярной японской игры

Правила жизни
Как зарабатывать на рекламе на автомобиле и не получить штрафы Как зарабатывать на рекламе на автомобиле и не получить штрафы

Как превратить автомобиль в средство продвижения рекламы в массы?

РБК
Федерико Феллини — о вреде продюсеров и изнанке кинематографа. Фрагмент автобиографии режиссера «Делать фильм» Федерико Феллини — о вреде продюсеров и изнанке кинематографа. Фрагмент автобиографии режиссера «Делать фильм»

Отрывок из автобиографии великого итальянского режиссера Федерико Феллини

Правила жизни
Этих слов нет в русском языке, но мы почему-то их произносим. А вы знали? Этих слов нет в русском языке, но мы почему-то их произносим. А вы знали?

Проверим, кто все это время говорил неправильно?

ТехИнсайдер
Они не мстят и не ревнуют: как на самом деле мыслят кошки Они не мстят и не ревнуют: как на самом деле мыслят кошки

Какие эмоции и поведение свойственны кошкам?

VOICE
Вера Васильева: Вера Васильева:

Что меня поддерживает? Может быть, это любовь к близким?

Караван историй
Тело Дженнифер: что Лопес делает с собой, чтобы в 53 выглядеть на 30 — уроки антистарения Тело Дженнифер: что Лопес делает с собой, чтобы в 53 выглядеть на 30 — уроки антистарения

Джей Ло годами (да что там годами — десятилетиями) живет в турбо-режиме

VOICE
Открыть в приложении