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

Большая энциклопедия джентльмена Большая энциклопедия джентльмена

Как вести себя в театре, музее и на красной дорожке

GQ
Не взлетел: самые провальные технологические проекты Не взлетел: самые провальные технологические проекты

Технологические прорывы, которые должны были взлететь, но что-то пошло не так

Популярная механика
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
Настоящая миссия компании: как она укрепляет бизнес и как сформулировать свою Настоящая миссия компании: как она укрепляет бизнес и как сформулировать свою

Способ, с помощью которого можно создать миссию для своей компании

VC.RU
Одержимый царь Одержимый царь

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

Дилетант
Бойкот — форма насилия в паре? Бойкот — форма насилия в паре?

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

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
Глубоким слоям океана пообещали заметные последствия от изменения климата Глубоким слоям океана пообещали заметные последствия от изменения климата

Как глобальное потепление может повлиять на разные слои океана

N+1
Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера Тайны икорного короля: Forbes впервые рассказывает историю самого загадочного московского ретейлера

За счет чего сахалинский предприниматель ведет успешный бизнес в Москве?

Forbes
Почему нельзя пользоваться «бомбочками» для ванны и чистить уши палочками? Почему нельзя пользоваться «бомбочками» для ванны и чистить уши палочками?

«Безобидные» гигиенических привычки, которые нам вредят

Cosmopolitan
Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Но что мы видим на полученном изображении чёрной дыры

Наука и жизнь
Как советские автомобили рекламировали за рубежом Как советские автомобили рекламировали за рубежом

Немного выдумки, щепотка трэша

Maxim
Ремень, таблетки, пистолет: 8 кинозвезд, которые неожиданно покончили с собой Ремень, таблетки, пистолет: 8 кинозвезд, которые неожиданно покончили с собой

Даже знаменитости порой сводят счеты с жизнью, шокируя близких

Cosmopolitan
Почему нам так нравится секс — и другие аспекты сексуального поведения человека Почему нам так нравится секс — и другие аспекты сексуального поведения человека

Почему люди занимаются сексом, когда им вздумается?

Esquire
Сибирь назвали центром происхождения многобугорчатых Сибирь назвали центром происхождения многобугорчатых

Таштыкию новую и тагарию древнюю нашли под Красноярском

N+1
«Писал зубами крестьянин Григорий Журавлёв…» «Писал зубами крестьянин Григорий Журавлёв…»

История удивительного самарского иконописца Григория Журавлёва

Дилетант
Дэвид Линч и «Твин Пикс»: 10 главных заблуждений Дэвид Линч и «Твин Пикс»: 10 главных заблуждений

Мифы, которыми оброс и продолжает обрастать «Твин Пикс»

Esquire
«Это ловушка для водителей». Штрафы за среднюю скорость пропишут в КоАП «Это ловушка для водителей». Штрафы за среднюю скорость пропишут в КоАП

Минюсту предложили добавить в КоАП штрафы за превышение средней скорости

РБК
Правила жизни Роберта Земекиса Правила жизни Роберта Земекиса

Правила жизни режиссера «Назад в будущее»

Esquire
Как правильно смотреть телевизор: советы экспертов Как правильно смотреть телевизор: советы экспертов

Мы разобрались, как правильно смотреть телевизор

CHIP
О «Русском Prado», конкуренции с китайцами и закате эры автомобилей О «Русском Prado», конкуренции с китайцами и закате эры автомобилей

Интервью с руководителем «Соллерс Инжиниринг» Юрием Алексаковым

4x4 Club
Как не сойти с ума от онлайн-впечатлений Как не сойти с ума от онлайн-впечатлений

Карантин расшатал потребительские привычки, а вместе с ними – стиль жизни

GQ
Наличный обман Наличный обман

Дипфейк — технология, позволяющая менять лица людей на видео

GQ
Дуа Липа: «Надо мной смеялись. И вскоре я возненавидела все, чем занимаюсь» Дуа Липа: «Надо мной смеялись. И вскоре я возненавидела все, чем занимаюсь»

Интервью с Дуа Липой – самой неуклюжей танцовщицей в истории шоу-бизнеса

GQ
Да пребудет с тобой Четвёртое мая! 17 неожиданных фактов о саге Да пребудет с тобой Четвёртое мая! 17 неожиданных фактов о саге

4 мая - особенный день для поклонников саги “Звездные войны”

Cosmopolitan
Ольга Хейфиц: Камера смысла Ольга Хейфиц: Камера смысла

Отрывок из нового романа Ольги Хейфиц

СНОБ
Рама для картины Рама для картины

Интерьер для семьи и... для коллекции предметов искусства

SALON-Interior
«Мишенька, одноглазенький ты мой» «Мишенька, одноглазенький ты мой»

7 исторических мифов, родившихся в кино

Weekend
«Я приду плюнуть на ваши мобилы»: история поселения на северо-востоке США, где запрещены вышки сотовой связи и Wi-Fi «Я приду плюнуть на ваши мобилы»: история поселения на северо-востоке США, где запрещены вышки сотовой связи и Wi-Fi

Здесь нашли убежище люди, страдающие электромагнитной сверхчувствительностью

Esquire
Улучшающий запоминание шрифт не улучшил запоминание Улучшающий запоминание шрифт не улучшил запоминание

Sans Forgetica нужно переименовать в Sans Remembica (ба-дум-тсс)

N+1
Открыть в приложении