Графен препятствует инженерам, но не запрещает одежде быть высокотехнологичной

N+1Hi-Tech

Гетероструктурные меньшинства

Как запрещенная зона графена препятствует инженерам, но не запрещает одежде быть высокотехнологичной

Кьяра Макиевская

0:00 /
1324.643

Графен раньше — теоретическая модель, реальное существование которой оспаривалось из-за бесконечного роста флуктуации параметра порядка вместе с ростом размера двумерного объекта. Графен сейчас — существующая двумерная аллотропная модификация углерода с рекордной теплопроводностью и подвижностью носителей заряда. Даже несмотря на отсутствие запрещенной зоны у графена, его можно использовать в нанотехнологиях в составе гетероструктур. Однако сейчас области применения графена не ограничиваются изготовлением транзисторов – его можно даже носить на себе. Об этом, а также о других двумерных материалах и их гетероструктурах N + 1 рассказывает вместе с KRAKATAU.

В 1935-1937 годах Лев Ландау и Рудольф Пайерлс, отцы-основатели современной теоретической физики, а позже и Дэвид Мермин и Герберт Вагнер математически показали неустойчивость существования одно- и двумерных кристаллов при конечной температуре. Согласно выкладкам ученых, в двумерных протяженных системах невозможно существование кристаллографического дальнего порядка из-за расходимости тепловых флуктуаций. Сейчас это утверждение известно как теорема Ландау-Пайерлса (Мермина-Вагнера).

Атомы в тонкой пленке не могут сформировать кристаллическую решетку, поскольку тепловые колебания — фононы — с большой длиной волны этот порядок разрушат. Проще говоря, кристалл не смог бы лежать в одной плоскости, он обязательно должен был бы смяться или свернуться в трубочку.

В 2004 году Андрею Гейму и Константину Новосёлову удалось экспериментально получить графен путем его отслаивания с графита при помощи простой липкой ленты. В 2010 году они были удостоены Нобелевской премии «за передовые опыты с двумерным материалом — графеном». Но значит ли это, что великие физики-теоретики ошибались?

Двумерный графен в трехмерном мире

Оказалось, что теорема Ландау-Пайерлса была выведена в гармоническом приближении. Более строгое рассмотрение вопроса о существовании дальнего порядка в двумерных системах показало, что с учетом ангармонических вкладов в таких системах может существовать квазидальний порядок. Из-за ангармонической связи изгибных колебаний и сжатия вдоль двумерной мембраны она не сминается, но на ней появляется рябь, своеобразные выпуклости, бугорки. В некотором смысле двумерные кристаллы все-таки находятся в трехмерном пространстве и благодаря этому остаются термодинамически стабильными.

Работа Гейма и Новосёлова пробудила новую волну интереса к двумерным материалам среди ученых всего мира. Оказалось, что кристаллы атомарной толщины, в первую очередь графен, обладают рядом интересных уникальных свойств, объясняемых особенностями строения на уровне атомов.

Лист графена очень напоминает плотно сомкнутые соты. Гексагональная решетка из атомов углерода возникает из-за того, что три из четырех электронов образуют соединение со своими «соседями». Орбиталь четвертого электрона перпендикулярна по отношению к плоскости графена. Связанные электроны обеспечивают прочность решетки, в то время как несвязанный электрон обеспечивает течение тока и, как следствие, придает графену высокую тепло- и электропроводность.

Самое удивительное свойство графена заключается в том, что электроны в нем подчиняются законам квантовой электродинамики, имеют нулевую массу покоя и подобны релятивистским частицам. Релятивистская физика имеет дело с частицами, имеющими околосветовые скорости. Но свойства графена обусловлены не столько околосветовыми скоростями, сколько симметрией кристаллической решетки. Из-за этого электроны в графене описываются уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера, традиционно рассматриваемого в твердотельной физике.

Дети кремниевой долины

Благодаря описанным свойствам графен может рассматриваться как перспективный материал для использования в наноэлектронике, в том числе как альтернатива кремниевым транзисторам. Вспомним принципы их устройства.

Физика твердых тел описывает материалы с помощью зонной теории. В каждом атоме есть валентная зона и зона проводимости. Когда эти две зоны пересекаются, электроны могут спокойно прыгать между уровнями, орбиталями и атомами — так получаются проводники. Когда между двумя зонами есть щель (запрещенная зона), электроны не могут двигаться. Материалы такого вида называются изоляторами (диэлектриками). Однако в случае, когда запрещенная зона небольшая, при определенных условиях электроны могут перемещаться на соседний атом. Такие материалы называются полупроводниками.

Транзисторы изготавливаются из полупроводников, например, кремния. Каждый атом кремния способен образовывать пару с четырьмя соседними атомами кремния, так как содержит четыре валентных электрона. Такая связь является ковалентной. Все электроны кремния находятся в своей валентной зоне. Электронам необходимо поглотить некоторое количество энергии, чтобы кремний мог проводить электричество.

Для повышения электропроводности полупроводников применяется метод легирования (не путать с лигированием – наложением лигатуры на кровеносные сосуды или же соединением двух молекул нуклеиновых кислот с участием фермента ДНК-лигазы). Заключается метод в введении небольших количеств примесей с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Две большие розницы: online vs offline Две большие розницы: online vs offline

Новые технологии и падение доходов изменили потребительское поведение россиян

РБК
Поток метана от арктических морей: Взгляд из космоса Поток метана от арктических морей: Взгляд из космоса

Какова роль метана в потеплении Арктики?

Наука и жизнь
Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies
Уроки пандемии: как научиться принимать то, на что нельзя повлиять Уроки пандемии: как научиться принимать то, на что нельзя повлиять

Действенное средство от тревоги во времена социальных катаклизмов

РБК
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
Глазами иностранца: чем руководствуются русские при принятии решений Глазами иностранца: чем руководствуются русские при принятии решений

Чем руководствуются иностранцы и русские при принятии решений

Forbes
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Улетели в историю: как SpaceX Илона Маска смогла обогнать «Роскосмос» так сильно и так быстро? Улетели в историю: как SpaceX Илона Маска смогла обогнать «Роскосмос» так сильно и так быстро?

Разбираемся, как запуск Crew Dragon может изменить всю космическую индустрию

Esquire
Гибель без крови Гибель без крови

Нехватка продовольствия не раз становилась причиной массовой гибели людей

Дилетант
Лётчица Женя Жигуленко: почему так хорошо быть длинноногой на войне Лётчица Женя Жигуленко: почему так хорошо быть длинноногой на войне

Евгения Жигуленко каждый день стремилась в небо, чтобы биться с врагом

Cosmopolitan
Ход королевы Ход королевы

«Татлер» попробовал составить рецепт светского успеха в 2021 году

Tatler
На ближайшем к Земле коричневом карлике нашли облачные слои На ближайшем к Земле коричневом карлике нашли облачные слои

На коричневом карлике Luhman 16A существуют облачные слои, схожие с юпитерскими

N+1
«Рождение таблетки. Как четверо энтузиастов переоткрыли секс и совершили  революцию» «Рождение таблетки. Как четверо энтузиастов переоткрыли секс и совершили  революцию»

Кто такая Сэнгер, Пинкус знал, да и почти вся Америка знала

N+1
7 фактов о фильме «Кошмар на улице Вязов» 7 фактов о фильме «Кошмар на улице Вязов»

В 1984 году, в золотую эпоху фильмов, мы познакомились с Фредди Крюгером

Maxim
Мама сказала Мама сказала

Как взрослой дочери наконец-то стать независимой

Cosmopolitan
Бритни – в 14, Лима – в 27: во сколько лет лишились невинности звезды и с кем Бритни – в 14, Лима – в 27: во сколько лет лишились невинности звезды и с кем

Эти звезды описали, во сколько лет и с кем они лишились девственности

Cosmopolitan
Cтройными рядами Cтройными рядами

Выходим из карантина красиво

Лиза
Почему у тебя отекают ноги: 7 частых причин и способы борьбы с проблемой Почему у тебя отекают ноги: 7 частых причин и способы борьбы с проблемой

Отекшие ноги — это вообще нормально?

Playboy
Литовская кольцевая Литовская кольцевая

Писатель Евгений Бабушкин делится своими наблюдениями за человечеством

Esquire
Квантовый метаматериал сможет измерить микроволновой фотон без разрушения Квантовый метаматериал сможет измерить микроволновой фотон без разрушения

Физики разработали концепцию однофотонного детектора

N+1
«Дуров пытается прикарманить $500 млн»: инвесторы получили кредитный договор от Telegram и остались недовольны «Дуров пытается прикарманить $500 млн»: инвесторы получили кредитный договор от Telegram и остались недовольны

Проект кредитного соглашения для инвесторов в Gram не предусматривает залогов

Forbes
Как «разглядеть» экзопланету на ярком фоне звезды: секрет Доплера Как «разглядеть» экзопланету на ярком фоне звезды: секрет Доплера

С помощью метода Доплера открыли тысячи экзопланет

Популярная механика
Россия на экспорт Россия на экспорт

На фестивале Care’s итальянка из мишленовского ресторана готовила борщ

Bones
В России создан сверхпрочный бетон, способный проводить электричество В России создан сверхпрочный бетон, способный проводить электричество

Инженеры разработали карбоновый бетон, способный проводить электричество

Популярная механика
Итальянский извод кэмпа: Prada SS 11, Dolce & Gabbana SS 13, Gucci SS 16 Итальянский извод кэмпа: Prada SS 11, Dolce & Gabbana SS 13, Gucci SS 16

Главные коллекции XXI века. Проект Елены Стафьевой

Weekend
Павел Дуров назвал семь причин не переезжать в США. Это ответ на фильм Дудя о Кремниевой долине Павел Дуров назвал семь причин не переезжать в США. Это ответ на фильм Дудя о Кремниевой долине

Почему США — не самое лучшее место для жизни и ведения IT-бизнеса

Esquire
Стойте, полиция! Как женщине путешествовать по Ирану в одиночку Стойте, полиция! Как женщине путешествовать по Ирану в одиночку

Исторические места Древняя Персия, нефтяные месторождения и остров Киш

Forbes
Как включить самообладание: правило 90 секунд Как включить самообладание: правило 90 секунд

Можем ли мы выбирать, как реагировать на раздражающие обстоятельства?

Psychologies
Сотрудничество с друзьями помогло макакам снизить стресс Сотрудничество с друзьями помогло макакам снизить стресс

Уровень кортизола у макак снижается, если они находятся рядом с сородичем

N+1
Таких не берут в психонавты Таких не берут в психонавты

Стинг, Бен Стиллер и принцесса Лея рассказывают, как употребляли галлюциногены

СНОБ
Открыть в приложении