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

Настя Ивлеева Настя Ивлеева

Настя Ивлеева: «Цифровая реальность – это в высшей степени сексуально!»

Playboy
От супергероев до советской драмы: какое кино поможет в воспитании детей От супергероев до советской драмы: какое кино поможет в воспитании детей

Какие фильмы лучше посмотреть вместе с детьми

Psychologies
5 лучших адресов 5 лучших адресов

Отличаются ли приложения для знакомств?

Playboy
Как устроена система охлаждения двигателя: что должен знать каждый Как устроена система охлаждения двигателя: что должен знать каждый

Что нужно знать о системе охлаждения двигателя, чтобы авто работало исправно

РБК
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
Пауков-скакунчиков заподозрили в способности видеть сны Пауков-скакунчиков заподозрили в способности видеть сны

Зоологи обнаружили у пауков-скакунчиков аналог фазы быстрого сна

N+1
Четыре ошибки после расставания: мнение женщин Четыре ошибки после расставания: мнение женщин

Наши героини рассказали о своем опыте расставания

Psychologies
Ссылка в «А.Л.Ж.И.Р»: как жили узницы крупнейшего женского лагеря ГУЛАГа Ссылка в «А.Л.Ж.И.Р»: как жили узницы крупнейшего женского лагеря ГУЛАГа

«А.Л.Ж.И.Р»: крупнейшее женское трудовое поселение в СССР

Forbes
Бразильская команда: как правильно искать менеджеров в Сан-Паулу и Рио Бразильская команда: как правильно искать менеджеров в Сан-Паулу и Рио

Что нужно знать перед тем, как нанять управленца для запуска проекта в Бразилии

Forbes
Кто умнее: кошки или собаки? Кто умнее: кошки или собаки?

Учение измерили когнитивные способности кошек и собак

Maxim
История Бритни Спирс и 3 заблуждения о недееспособности и опекунстве История Бритни Спирс и 3 заблуждения о недееспособности и опекунстве

Профессор Элин Сакс — о проблеме опеки над людьми с ментальными особенностями

Psychologies
У мужа дети от предыдущего брака: 7 лайфхаков для мачехи У мужа дети от предыдущего брака: 7 лайфхаков для мачехи

Как избежать ошибок, став мачехой?

Psychologies
С кем из знаменитостей знакома королева Елизавета: от Мэрилин Монро до Леди Гаги С кем из знаменитостей знакома королева Елизавета: от Мэрилин Монро до Леди Гаги

Елизавета II за 70 лет в статусе королевы повидала немало знаменитостей

The Voicemag
Японские шары счастья Японские шары счастья

Шар темари — драгоценный подарок, символизирующий дружбу и верность

Наука и жизнь
Почему короли и императоры веками вступали в близкородственные браки? Почему короли и императоры веками вступали в близкородственные браки?

Корона, кольцо, ваш двоюродный брат — что еще нужно для королевской свадьбы?

TechInsider
Как кофе влияет на продолжительность жизни Как кофе влияет на продолжительность жизни

Поможет ли ваш утренний кофе дожить до 100 лет?

TechInsider
«Я люблю вас сильно-сильно»: история маньяка Вячеслава Соловьева, который убил даже жену и дочь «Я люблю вас сильно-сильно»: история маньяка Вячеслава Соловьева, который убил даже жену и дочь

Вячеслав Соловьев без малейших колебаний убивал тех, кто его раздражал

The Voicemag
«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
Гештальт-терапия: прикосновение к реальности Гештальт-терапия: прикосновение к реальности

Как гештальт-терапия помогает нам осознать свои желания

Psychologies
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

TechInsider
«Муж купил другу дом, хотя у нас самих нет жилья» «Муж купил другу дом, хотя у нас самих нет жилья»

Что делать, если щедрость партнера работает не в вашу пользу?

Psychologies
Рассекая волны: почему женщины вынуждены делать аборты за границей или посреди моря Рассекая волны: почему женщины вынуждены делать аборты за границей или посреди моря

Кто помогает женщинам делать аборты и с какими сложностями они сталкиваются

Forbes
Ядовитые реки, отравленные моря Ядовитые реки, отравленные моря

Катастрофы, угрожающие живым организмам, происходят довольно часто

Наука и жизнь
Это просто белый яд: разоблачаем самые распространённые мифы о соли Это просто белый яд: разоблачаем самые распространённые мифы о соли

Эту самую простую приправу обвиняют во многих грехах

The Voicemag
МРТ-сканер в виде пиратской шхуны: как геймификация помогает в работе и жизни МРТ-сканер в виде пиратской шхуны: как геймификация помогает в работе и жизни

Как игры помогают добиваться целей в работе и в жизни?

Forbes
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
Три года в рабстве у чукчей: история советской ученой-этнографа Варвары Кузнецовой Три года в рабстве у чукчей: история советской ученой-этнографа Варвары Кузнецовой

Этнограф Варвара Кузнецова решила, что справится с путешествием на Чукотку

The Voicemag
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

The Voicemag
Все испортили? Почему дизайнеры наняли моделей плюс-сайз и все равно не угодили девушкам Все испортили? Почему дизайнеры наняли моделей плюс-сайз и все равно не угодили девушкам

Что не так с современной модой для плюс-сайз девушек?

The Voicemag
Неужели паре пришел конец? Неужели паре пришел конец?

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

Psychologies
Открыть в приложении