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

Тяжелый легкий бег Тяжелый легкий бег

Как работает организм на марафонских дистанциях

Популярная механика
С заботой друг о друге: кому сейчас нужна помощь и как ее можно оказать С заботой друг о друге: кому сейчас нужна помощь и как ее можно оказать

Делимся историями людей и организаций, которые сейчас находят способы помогать

Psychologies
«Уэбб»: получены первые снимки «Уэбб»: получены первые снимки

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
Впервые на русском — роман Джойс Кэрол Оутс «Ночь, сон, смерть и звезды» Впервые на русском — роман Джойс Кэрол Оутс «Ночь, сон, смерть и звезды»

Отрывок из новой семейной саги современного классика Джойс Кэрол Оутс

СНОБ
Робот – лучший повар Робот – лучший повар

Намучившись с самодеятельной кулинарией, он решил поручить эти заботы технике

Популярная механика
Антагонизм полов: вопиющие примеры мужских манипуляций Антагонизм полов: вопиющие примеры мужских манипуляций

Так ли уж нужно биологам описывать природу в терминах семейного скандала

СНОБ
«Кладовые солнца» калужской земли «Кладовые солнца» калужской земли

Болота. Много или мало их в России?

Наука и жизнь
Как прием гормональных контрацептивов влияет на жизнь и психику женщин: ученые обозначили главные проблемы Как прием гормональных контрацептивов влияет на жизнь и психику женщин: ученые обозначили главные проблемы

Как синтетические гормоны влияют на женщин?

ТехИнсайдер
Летящая на волне Летящая на волне

История о том, как летал один из самых необычных сверхзвуковых самолетов

Популярная механика
Как выглядеть отдохнувшей: 7 рекомендаций Как выглядеть отдохнувшей: 7 рекомендаций

Несколько простых способов освежиться

Psychologies
Правда ли, что наше тело не переваривает кукурузу? И есть ли от нее польза? Правда ли, что наше тело не переваривает кукурузу? И есть ли от нее польза?

Ядра кукурузы проходят через наш пищеварительный тракт и выходят невредимыми

ТехИнсайдер
Ядовитые реки, отравленные моря Ядовитые реки, отравленные моря

Катастрофы, угрожающие живым организмам, происходят довольно часто

Наука и жизнь
Что должно быть в машине: 25+ необходимых вещей Что должно быть в машине: 25+ необходимых вещей

Автомобиль не склад, однако множество вещей в нем возить необходимо

РБК
6 удивительных фактов о животных, в которые многие до сих пор не верят 6 удивительных фактов о животных, в которые многие до сих пор не верят

Животные никогда не перестанут удивлять нас

ТехИнсайдер
Потерянного колумбийского колибри-саблекрыла переоткрыли спустя 12 лет Потерянного колумбийского колибри-саблекрыла переоткрыли спустя 12 лет

Орнитолог-любитель нашел потерянного колумбийского колибри

N+1
Люди сжульничали независимо от предыдущей победы или поражения Люди сжульничали независимо от предыдущей победы или поражения

От чего зависит жульничество в азартных играх?

N+1
Букеровский лауреат Джордж Сондерс — о рассказе Льва Толстого «Хозяин и работник». Фрагмент книги «Купание в пруду под дождем» Букеровский лауреат Джордж Сондерс — о рассказе Льва Толстого «Хозяин и работник». Фрагмент книги «Купание в пруду под дождем»

Фрагмент книги, посвященный рассказу Льва Толстого «Хозяин и работник»

Правила жизни
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
Насколько важно сохранять осанку и спасет ли это вас от болей в спине? Ответ ученых может вас сильно удивить Насколько важно сохранять осанку и спасет ли это вас от болей в спине? Ответ ученых может вас сильно удивить

Действительно ли ровная осанка влияет на здоровье спины?

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
Непентес приспособился использовать энергию падающих капель дождя для поимки жертв Непентес приспособился использовать энергию падающих капель дождя для поимки жертв

Механизм ловушки этого растения работает не так, как предполагалось ранее

N+1
Кто придумал знаменитые советские конструкторы: ты удивишься, когда узнаешь! Кто придумал знаменитые советские конструкторы: ты удивишься, когда узнаешь!

Все, кто родился в СССР, помнят этот популярный конструктор. Но кто его создал?

VOICE
8 упражнений на растяжку, которые облегчат боль в спине 8 упражнений на растяжку, которые облегчат боль в спине

Наш спасительный фитнес для вашей спины

Лиза
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
7 цепляющих эротических триллеров, которые ты мог пропустить 7 цепляющих эротических триллеров, которые ты мог пропустить

Любовь и смерть идут рука об руку в этих фильмах

Maxim
Магия кристалла Магия кристалла

Многогранный и статусный интерьер просторной квартиры в центре столицы

SALON-Interior
Обаяние Алании Обаяние Алании

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

Отдых в России
Человечеству нужно стать тише ради животных. Шумовое загрязнение делает жизнь многих из них невыносимой Человечеству нужно стать тише ради животных. Шумовое загрязнение делает жизнь многих из них невыносимой

Человеческий шум — невидимая причина стресса для животных

ТехИнсайдер
Себя слепила из того, что было: 3 вида массажа, которые лучше всего вытачивают фигуру Себя слепила из того, что было: 3 вида массажа, которые лучше всего вытачивают фигуру

Хочешь быстро привести фигуру в порядок перед отпуском? Поможет массаж!

VOICE
Правила жизни Мадонны Правила жизни Мадонны

Правила жизни королевы поп-музыки Мадонны

Правила жизни
Открыть в приложении