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

Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies
«Посмотрите, кто умер»: потерянное стихотворение Иосифа Бродского на смерть Элвиса Пресли «Посмотрите, кто умер»: потерянное стихотворение Иосифа Бродского на смерть Элвиса Пресли

Что необычного в этой копии стихотворения Иосифа Бродского?

Forbes
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

Как видеть в жизни хорошее, не вступая в противоречие со здравым смыслом

Psychologies
Сенсоры холода помогли дрозофилам с полезной ленью Сенсоры холода помогли дрозофилам с полезной ленью

Благодаря ним мухи отреагировали на длительные изменения условий

N+1
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
«Изетта»: итальянский карлик, который спас BMW от банкротства «Изетта»: итальянский карлик, который спас BMW от банкротства

На лицо ужасный, зато руки у него золотые…

Maxim
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
Глобальное потепление сделало арктических пауков каннибалами Глобальное потепление сделало арктических пауков каннибалами

Пауки-волки на Аляске начали есть друг друга

Популярная механика
Больше, чем любовь: как мы встречаемся и почему расстаемся Больше, чем любовь: как мы встречаемся и почему расстаемся

Почему друзья детства редко остаются с нами, а обрести новых непросто?

Psychologies
На перепутье: как безболезненно сменить профессию На перепутье: как безболезненно сменить профессию

Переход из одной специальности в другую затрагивает многие аспекты жизни

Psychologies
Сносное жилье Сносное жилье

Как устроена московская реновация и кто уже зарабатывает на ней миллиарды

Forbes
Ученые разошлись с политиками в прогнозах повышения уровня моря Ученые разошлись с политиками в прогнозах повышения уровня моря

Климатологи считают, что уровень моря повысится на 0,63-1,32 метра к 2100 году

N+1
Как воспринимают развод мужчины, а как — женщины? Как воспринимают развод мужчины, а как — женщины?

Почему мы переживаем развод настолько по-разному?

Psychologies
У Млечного Пути насчитали 150 необнаруженных галактик-спутников У Млечного Пути насчитали 150 необнаруженных галактик-спутников

В гало Млечного Пути должно находиться около 220 карликовых галактик

N+1
Одна вокруг света на карантине: перестрелка, конвой и пакистанская свадьба Одна вокруг света на карантине: перестрелка, конвой и пакистанская свадьба

71-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Кровь стынет в жилах! 7 сериалов для тех, кому понравился «Колл-центр» Кровь стынет в жилах! 7 сериалов для тех, кому понравился «Колл-центр»

Что еще делать на карантине, как не смотреть сериалы

Cosmopolitan
Самое холодное место во вселенной Самое холодное место во вселенной

Насколько холоден холодный космос?

Популярная механика
Промеж глаз: как устроены рогатки для профессионалов Промеж глаз: как устроены рогатки для профессионалов

Рогатка - одно из новых типов оружия, ведь резину человек освоил позже пороха

Популярная механика
Дать на лапу: 9 самых громких судебных процессов над животными Дать на лапу: 9 самых громких судебных процессов над животными

Петух, заключивший сделку с дьяволом, волк-оборотень, термиты-разрушители

Esquire
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
Опасные связи Опасные связи

Декоратор превратила свою миланскую квартиру в филиал галереи дизайна

AD
Африканские барабаны: быстрая связь на дальние расстояния Африканские барабаны: быстрая связь на дальние расстояния

В тот момент, когда мы заканчиваем произносить слово, его больше не существует

Популярная механика
Ты в ритме танца! Live-сериал о самоизоляции Ты в ритме танца! Live-сериал о самоизоляции

Юлиана Бухольц заряжает свои ответы на сжигание лишних калорий

Cosmopolitan
7 польских производителей самолётов 7 польских производителей самолётов

Краткий гид по польской авиации

Популярная механика
Что будет с человеком, если ему ампутировать половину мозга Что будет с человеком, если ему ампутировать половину мозга

Возможно ли жить только с половиной мозга, и что это будет за жизнь?

Популярная механика
От малобюджетных короткометражек до «Ла-Ла Ленда» и «Человека на Луне»: за что мы любим  Дэмьена Шазелла От малобюджетных короткометражек до «Ла-Ла Ленда» и «Человека на Луне»: за что мы любим  Дэмьена Шазелла

Большое досье на одного из самых ярких режиссеров и сценаристов Голливуда

Esquire
Школа на замке: как самоизоляция изменит систему образования Школа на замке: как самоизоляция изменит систему образования

Из-за карантина почти 16 млн школьников внезапно оказались на домашнем обучении

Forbes
Не только Агутин. Кого любила Анжелика Варум? Не только Агутин. Кого любила Анжелика Варум?

До счастливого брака певица Анжелика Варум уже была в официальных отношениях.

Cosmopolitan
Полезно ли молоко? Полезно ли молоко?

В детстве нас убеждали, что молоко необходимо для здоровья

Psychologies
Бойкот — форма насилия в паре? Бойкот — форма насилия в паре?

Возможно, пора задуматься, а не манипулирует ли вами близкий человек

Psychologies
Открыть в приложении