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

«Не очередная биография» Эйнштейна «Не очередная биография» Эйнштейна

В нашем распоряжении оказалась рецензия на книгу, написанная Виталием Мацарским

Наука и жизнь
Беги быстрее: как спорт превратился в социальный лифт и почему он не всегда работает Беги быстрее: как спорт превратился в социальный лифт и почему он не всегда работает

Почему в большом спорте одни добиваются успеха, а другие уносят с собой травмы

Forbes
В ожидании Меркурия В ожидании Меркурия

Меркурий единственная планета Солнечной системы без атмосферы с магнитным полем

Наука и жизнь
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
Письмо приглашенного главного редактора Письмо приглашенного главного редактора

Как подружиться с деньгами и попасть в правильный финансовый поток?

Psychologies
20 любопытных фактов о пингвинах: жизнь в смокинге 20 любопытных фактов о пингвинах: жизнь в смокинге

Что еще вы знаете о пингвинах?

ТехИнсайдер
Боязнь пропустить интересное: 8 признаков зависимости от смартфона Боязнь пропустить интересное: 8 признаков зависимости от смартфона

Проверьте, не попали ли вы в цифровую кабалу

Psychologies
Не только Кюри: 6 женщин-физиков, которые совершали открытия и боролись за равенство Не только Кюри: 6 женщин-физиков, которые совершали открытия и боролись за равенство

Женщины, внесшие важный вклад в развитие физики

Forbes
Как  наш мозг формирует сигнал: «Бояться!» Как  наш мозг формирует сигнал: «Бояться!»

Страх — одно из важнейших для выживания чувств. Но надо уметь им управлять

ТехИнсайдер
Дева - Отшельник, Водолей - Звезда: какая карта Таро у твоего знака зодиака? Дева - Отшельник, Водолей - Звезда: какая карта Таро у твоего знака зодиака?

Какая карта Таро связана с твоим знаком зодиака?

VOICE
Обзор Keyran: программы для создания и запуска макросов Обзор Keyran: программы для создания и запуска макросов

Макросы можно использовать как в играх, так и в обычной жизни

CHIP
Зачем TikTok база изображений сексуализированного насилия над несовершеннолетними Зачем TikTok база изображений сексуализированного насилия над несовершеннолетними

С какими материалами работают модераторы контента в TikTok?

Forbes
«Буллинг под видом заботы»: когда гиперопека в семье превращается в травлю ребенка «Буллинг под видом заботы»: когда гиперопека в семье превращается в травлю ребенка

Стать агрессорами могут и любящие родители

Psychologies
Физики заставили фотоны интерферировать с магнонами Физики заставили фотоны интерферировать с магнонами

Физики продемонстрировали квантовую интерференцию между различными волнами

N+1
Гештальт-терапия: прикосновение к реальности Гештальт-терапия: прикосновение к реальности

Как гештальт-терапия помогает нам осознать свои желания

Psychologies
Слизь так важна для жизни, что разные виды самостоятельно получали ее в ходе эволюции снова и снова Слизь так важна для жизни, что разные виды самостоятельно получали ее в ходе эволюции снова и снова

Слизь появлялась на мировом эволюционном древе ни один и не два раза

ТехИнсайдер
Птицетазовые динозавры начали жить стаями уже в юрском периоде Птицетазовые динозавры начали жить стаями уже в юрском периоде

Палеонтологи реконструировали несколько особей лесотозавров разных возрастов

N+1
«Боже, помоги мне убить маму»: история нижегородского маньяка Олега Белова «Боже, помоги мне убить маму»: история нижегородского маньяка Олега Белова

Олег Белов — «нижегородский детоубийца»

VOICE
Соловецкие «Вавилоны» Соловецкие «Вавилоны»

Соловецкие острова – туристический бренд Архангельской области

Отдых в России
Почему отдых вызывает негатив: ловушки выходного дня Почему отдых вызывает негатив: ловушки выходного дня

Как настроиться на мысли о чем-то полезном или радостном в выходной день?

Psychologies
О чем разговаривать с пожилыми людьми? О чем разговаривать с пожилыми людьми?

Как избежать взаимного раздражения во время разговора с пожилыми родителями?

Psychologies
Жизненные, провокативные, смешные: лучшие мультсериалы, которые понравятся взрослым больше, чем детям Жизненные, провокативные, смешные: лучшие мультсериалы, которые понравятся взрослым больше, чем детям

Мультфильмы, которые созданы скорее для взрослых

VOICE
Древнейшие земледельцы сформировались из трех предковых популяций Древнейшие земледельцы сформировались из трех предковых популяций

Ученые разобрались в происхождении населения эпохи докерамического неолита

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
Групповые процессы вместо культа индивидуализма: почему сейчас «я» меняется на «мы» Групповые процессы вместо культа индивидуализма: почему сейчас «я» меняется на «мы»

Почему вдруг важными становятся групповые процессы, а не индивидуальность?

Psychologies
Растеряши и непоседы Растеряши и непоседы

Что такое СДВГ у детей и взрослых

Лиза
Правда ли, что искусственный интеллект научился выявлять рак точнее рентгенолога: прорыв в диагностике онкологии Правда ли, что искусственный интеллект научился выявлять рак точнее рентгенолога: прорыв в диагностике онкологии

Может ли искусственный интеллект выявить рак? Как это поможет врачам?

ТехИнсайдер
5 новых русских романов, которые стоит прочитать 5 новых русских романов, которые стоит прочитать

Книги, которые дадут цельное представление о современной российской литературе

Maxim
Из чего делают стекло: секреты состава удивительного материала Из чего делают стекло: секреты состава удивительного материала

Как в реальности создают стекло?

ТехИнсайдер
Что появилось раньше: мышечный орган в ротовой полости или речь? И вообще, почему язык прозвали языком? Что появилось раньше: мышечный орган в ротовой полости или речь? И вообще, почему язык прозвали языком?

Орган или речь — кто был первым?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении