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

Я хочу, чтобы меня любили Я хочу, чтобы меня любили

Быть любимыми – это условие выживания, потому что любовь – не просто чувство

Psychologies
Прославить люксовые бренды и заработать: история инвестиций Лоуренса Стролла Прославить люксовые бренды и заработать: история инвестиций Лоуренса Стролла

Лоуренс Стролл «вывел в свет» модные бренды Tommy Hilfiger и Michael Kors

VC.RU
Анна Седокова Анна Седокова

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

Playboy
Городам казалось, будто их опять занимают немцы: история уникального гоночного грузовика Mercedes-Benz Городам казалось, будто их опять занимают немцы: история уникального гоночного грузовика Mercedes-Benz

Не только быстро, но и красиво

Maxim
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
«Театр онлайн — это как есть пластиковый огурец». Константин Богомолов снял сериал про карантин на карантине «Театр онлайн — это как есть пластиковый огурец». Константин Богомолов снял сериал про карантин на карантине

Константин Богомолов: о съемках на телефон и «пластмассовом» онлайн-театре

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
Бог в овечьей шкуре Бог в овечьей шкуре

Андрей Карташов об антипатриархальном триллере «Приди ко мне»

Weekend
Побег из Москвы Побег из Москвы

Андрей Рывкин написал рассказ о том, как рассыпаются иллюзорные ценности

Esquire
Кто такой Виктор Столбун и как ему удалось основать влиятельную секту, в которой состоял Эдуард Успенский (и где практиковали насилие и лженауку) Кто такой Виктор Столбун и как ему удалось основать влиятельную секту, в которой состоял Эдуард Успенский (и где практиковали насилие и лженауку)

Чем занимается секта Столбуна, и почему она до сих пор существует

Esquire
Берут – беги Берут – беги

Теневая экономика России настолько велика, что называть ее теневой даже неловко

Esquire
Как скрыть следы похмелья: краткая инструкция Как скрыть следы похмелья: краткая инструкция

Несколько простых шагов, которые могут облегчить вам жизнь

Esquire
Наследие Ким Чен Ына: за что диктатора любят в Северной Корее Наследие Ким Чен Ына: за что диктатора любят в Северной Корее

Почему у северокорейского диктатора есть все шансы встретить спокойную старость

РБК
Мария Ласицкене: «Я буду до конца отстаивать свое право выступить в Токио. Повторения Рио совершенно не хочется» Мария Ласицкене: «Я буду до конца отстаивать свое право выступить в Токио. Повторения Рио совершенно не хочется»

Допинг и спорт в изоляции – интервью с Марией Ласицкене

GQ
Пример для подражания: Нюта Федермессер Пример для подражания: Нюта Федермессер

Учредитель фонда «Вера» о том, кому следует работать в хосписах

Cosmopolitan
11 продуктов, которые могут заменить друг друга на кухне 11 продуктов, которые могут заменить друг друга на кухне

Покажи всем этим Джейми Оливерам, кто на кухне шеф-повар!

Maxim
«С тобой так хорошо» и еще 10 фраз, которые важно говорить близким «С тобой так хорошо» и еще 10 фраз, которые важно говорить близким

Не секрет, что маленькие слова обладают огромной силой

Psychologies
Самый мощный квазар потребовал массивного зародыша черной дыры Самый мощный квазар потребовал массивного зародыша черной дыры

Астрономы уточнили характеристики J2157-3602 — ультрамощного квазара

N+1
«Всё, что я делаю, может быть ошибкой»: почему миллиардер Тоби Лютке советует видеоигры и мягкое отношение к критике «Всё, что я делаю, может быть ошибкой»: почему миллиардер Тоби Лютке советует видеоигры и мягкое отношение к критике

Глава Shopify о ментальных установках, которые помогут развить карьеру и бизнес

VC.RU
«Делать попкорн вместо французской кухни»: как спасти бизнес в пандемию «Делать попкорн вместо французской кухни»: как спасти бизнес в пандемию

Что следует помнить, чтобы правильно диагностировать проблемы бизнеса?

Forbes
Эоловы замки Тянь-Шаня Эоловы замки Тянь-Шаня

Путешествие в удивительные горы Тянь-Шаня

Наука и жизнь
«Это спорт не для бедных»: сколько стоит подготовка фигуриста уровня Алины Загитовой «Это спорт не для бедных»: сколько стоит подготовка фигуриста уровня Алины Загитовой

Почему фигурное катание обходится так дорого

Forbes
Президент в законе. Петр Порошенко и 19 уголовных дел Президент в законе. Петр Порошенко и 19 уголовных дел

Чем Порошенко заинтересовал правоохранительные органы на этот раз

СНОБ
Глицерин из электронных сигарет спровоцировал рост биопленок во рту Глицерин из электронных сигарет спровоцировал рост биопленок во рту

Биопленки от электронных сигарет вызывают воспалительные заболевания полости рта

N+1
Как помочь партнеру с социофобией? Как помочь партнеру с социофобией?

Социофобия — не просто застенчивость, а настоящее психическое расстройство

Psychologies
Моя психотерапевтка беременна: можно ли продолжать терапию? Моя психотерапевтка беременна: можно ли продолжать терапию?

Беременность психологини всегда вызывает ряд этических вопросов

Psychologies
Выживут только не роботы Выживут только не роботы

Что происходит с эмпатией в виртуальную эпоху

GQ
Audi Q7 и Genesis G80 Audi Q7 и Genesis G80

Обновленный бестселлер от Audi и новый кроссовер от Genesis

Weekend
Может, пора остановиться? Может, пора остановиться?

Иногда стремление доводить дело до конца мешает нам двигаться вперед

Лиза
Нехватка насекомых снизила успех размножения городских синиц Нехватка насекомых снизила успех размножения городских синиц

Городские синицы справляются с выведением потомства хуже лесных сородичей

N+1
Открыть в приложении