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

7 обычных продуктов, которые могут серьезно навредить 7 обычных продуктов, которые могут серьезно навредить

Какие из спутников обыденной жизни могут представлять серьезную опасность

Популярная механика
Как воспринимают развод мужчины, а как — женщины? Как воспринимают развод мужчины, а как — женщины?

Почему мы переживаем развод настолько по-разному?

Psychologies
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
Кажется, мы нашли самый затягивающий сериал 2020 года Кажется, мы нашли самый затягивающий сериал 2020 года

Мы посмотрели все серии проекта «В ночь» разом

GQ
Анна Седокова Анна Седокова

Наверное, она уже привыкла к эпитетам «горячая», «аппетитная», «сочная»

Playboy
Тартар из тунца с карри и овощами Тартар из тунца с карри и овощами

Еда с Еленой Чекаловой

Weekend
Одержимый царь Одержимый царь

Победа в Полтавской битве стала возможной только благодаря железной воле Петра I

Дилетант
Где одеваются современные европейские монархи Где одеваются современные европейские монархи

В каких рубашках ходит принц Чарльз, и у кого заказывает костюмы король Филипп

GQ
Дакота-блюз Дакота-блюз

Жарким летним деньком мы отправились за сцену к певице Рите Дакоте

Maxim
9 самых ужасающих и смелых экспериментов в истории 9 самых ужасающих и смелых экспериментов в истории

Где грань между научным рвением и тонкой моралью в экспериментах?

Популярная механика
Девушка года Playboy-2018» From Siberia with love Девушка года Playboy-2018» From Siberia with love

«Девушка года Playboy-2018»: Лидия Пономарева – из Сибири с любовью

Playboy
От Макинтоша до Лисицкого: 10 переизданных объектов знаменитых дизайнеров От Макинтоша до Лисицкого: 10 переизданных объектов знаменитых дизайнеров

Легендарные объекты дизайна, которые перевыпустили не менее легендарные фабрики

РБК
«Возможно, все, кто оглядывался на нас, были русскими»: британцы протестировали «Ниву» и пришли в восторг «Возможно, все, кто оглядывался на нас, были русскими»: британцы протестировали «Ниву» и пришли в восторг

Русский джип в прицеле британского юмора.

Maxim
17 фильмов, которые стоит посмотреть, если вы любите «Звездные войны» 17 фильмов, которые стоит посмотреть, если вы любите «Звездные войны»

Список фильмов и сериалов, которые напоминают «Звездные войны»

GQ
Хорхе Вайехо: «Мы — гиды в мире будущего гастрономии» Хорхе Вайехо: «Мы — гиды в мире будущего гастрономии»

Интервью с Хорхе Вайехо — одним из главных шефов Латинской Америки

Bones
«На такие условия на входе никто бы не согласился»: почему не все инвесторы Telegram довольны Павлом Дуровым «На такие условия на входе никто бы не согласился»: почему не все инвесторы Telegram довольны Павлом Дуровым

Что команда Павла Дурова предложила инвесторам?

Forbes

Моменты жизни Мадонны, о которых стоит вспомнить.

Cosmopolitan
ЗОЖ или фитнес-фанатизм? 9 признаков, что ты занимаешься спортом слишком много ЗОЖ или фитнес-фанатизм? 9 признаков, что ты занимаешься спортом слишком много

Всего хорошего должно быть в меру

Playboy
Танки слабые и всемогущие: поражения и триумфы Великой Отечественной Танки слабые и всемогущие: поражения и триумфы Великой Отечественной

На войне количество не стало качеством

Популярная механика
Как Северная Корея и Южная Корея пошли по разным дорожкам Как Северная Корея и Южная Корея пошли по разным дорожкам

Не было в мире более яркого геополитического эксперимента, чем разделение Кореи

Maxim
5 отличных свежих сериалов, на которые стоит потрать время 5 отличных свежих сериалов, на которые стоит потрать время

Подборка из достойных сериалов, вышедших за последние три месяца

Esquire
Дьявол в деталях: как оформляют модные магазины Дьявол в деталях: как оформляют модные магазины

Как модные бренды декорируют свои пространства?

GQ
10 лауреатов Пулитцера, которых вам давно пора прочитать 10 лауреатов Пулитцера, которых вам давно пора прочитать

Призеры Пулитцеровской премии, которых должен прочитать каждый

Esquire
9 модных тенденций прошлого, от которых умирали 9 модных тенденций прошлого, от которых умирали

Мода заразна, как чума, а иногда она была и так же смертельна

Maxim
В поисках реликтовой лагуны В поисках реликтовой лагуны

Что будет, если морской залив отделить от моря?

Наука и жизнь
В России впервые синтезировали тонкую пленку из хлорида натрия В России впервые синтезировали тонкую пленку из хлорида натрия

Ученые подтвердили возможность существования тонкой пленки хлорида натрия

Популярная механика
Почему Google отказался делиться искусственным интеллектом с нефтяниками Почему Google отказался делиться искусственным интеллектом с нефтяниками

Google отказался помогать нефтяникам в разведке и добыче сырья

Forbes
5 позитивных утверждений, которые помогут не падать духом 5 позитивных утверждений, которые помогут не падать духом

В самые грустные дни важно найти внутреннюю опору

Psychologies
Кто боится Элизабет Мосс Кто боится Элизабет Мосс

Василий Корецкий о писательском хорроре «Ширли»

Weekend
Изыди, плесень: лайфхаки, которые помогут дольше сохранить продукты свежими Изыди, плесень: лайфхаки, которые помогут дольше сохранить продукты свежими

Как правильно хранить продукты

ТехИнсайдер
Открыть в приложении