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

25 вещей, которые на самом деле ненавидят женщины 25 вещей, которые на самом деле ненавидят женщины

Эта статья поможет тебе прожить чуть более счастливую и долгую жизнь

Maxim
Лучшие друзья девушек и инвестбанкиров: стоит ли вкладывать деньги в предметы роскоши в кризис Лучшие друзья девушек и инвестбанкиров: стоит ли вкладывать деньги в предметы роскоши в кризис

Стоит ли прямо сейчас вкладываться в драгоценности или винтажные часы?

Forbes
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
Правила жизни Джорджа Лукаса Правила жизни Джорджа Лукаса

Правила жизни знаменитого режиссера Джорджа Лукаса

Esquire
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

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

Psychologies
Предчувствие жизни: «Нормальные люди» Салли Руни в книге и на экране Предчувствие жизни: «Нормальные люди» Салли Руни в книге и на экране

«Нормальные люди»: стоит не только посмотреть сериал, но и прочитать книгу

РБК
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
Полезно ли молоко? Полезно ли молоко?

В детстве нас убеждали, что молоко необходимо для здоровья

Psychologies
(Не)Совершенная случайность (Не)Совершенная случайность

Как случай управляет нашей жизнью

kiozk originals
Супергерой для TikTok: зачем соцсеть переманила гендиректора из Disney Супергерой для TikTok: зачем соцсеть переманила гендиректора из Disney

Как китайская компания убедила топ-менеджера DIsney сменить работу

Forbes
Константин и хаос междуцарствия Константин и хаос междуцарствия

Отречение великого князя от престола оказалось удобным поводом для мятежа

Дилетант
Главной причиной выцветания картины Мунка «Крик» оказалась влажность Главной причиной выцветания картины Мунка «Крик» оказалась влажность

Знаменитое полотно Эдварда Мунка «Крик» постепенно обесцвечивается

N+1
Одинокие женщины из Великого Новгорода — о своем идеале мужчины. Фотопроект Одинокие женщины из Великого Новгорода — о своем идеале мужчины. Фотопроект

Женщины составили «фоторобот» своего идеального партнера

Esquire
Вам стоит обратить внимание на бойца Петра Яна Вам стоит обратить внимание на бойца Петра Яна

Россиянин Петр Ян – сильный игрок в UFC

GQ
Эоценовые анчоусы оказались крупными саблезубыми хищниками Эоценовые анчоусы оказались крупными саблезубыми хищниками

Предками современных анчоусов могли быть рыбоядные хищники

N+1
Астрономы нашли ближайшую к Земле черную дыру Астрономы нашли ближайшую к Земле черную дыру

Астрономы обнаружили самого близкого кандидата в черные дыры звездных масс

N+1
Эксперименты над людьми и издевательства над животными: документальные фильмы против новой реальности Эксперименты над людьми и издевательства над животными: документальные фильмы против новой реальности

Лучшие документальные сериалы — в обзоре кинокритика проекта «Сноб»

СНОБ
Правая и левая антенны обеспечили муравьям память разной длительности Правая и левая антенны обеспечили муравьям память разной длительности

Какие отделы нервной системы муравьев ответственны за это, пока неизвестно

N+1
Зумеры на бумере Зумеры на бумере

Василий Степанов о сериале «Мир! Дружба! Жвачка!»

Weekend
7 привычек собак и что они означают 7 привычек собак и что они означают

Так вот что собака имела ввиду, сказав «Мяу»

Maxim
Правила жизни Софии Копполы Правила жизни Софии Копполы

Правила жизни кинорежиссера Софии Копполы

Esquire
Опус магнум Опус магнум

Выставка «Иной взгляд: Портрет страны в объективе агентства Magnum»

Vogue
Джоан Рамос: Ферма Джоан Рамос: Ферма

Первая глава феминистического романа Джоан Рамос

СНОБ
Дифференцировку моноцитов в толстой кишке у мышей связали с интерфероном 5 Дифференцировку моноцитов в толстой кишке у мышей связали с интерфероном 5

Патогенез воспаления слизистой оболочки толстой кишки стал полнее

N+1
Функциональные связи гиппокампа предсказали субъективный стресс Функциональные связи гиппокампа предсказали субъективный стресс

Гиппокамп для этого остался ключевым участком

N+1
Что делать, если на лобовом стекле появился скол. Варианты ремонта Что делать, если на лобовом стекле появился скол. Варианты ремонта

Какие повреждения ветрового стекла можно отремонтировать и как это сделать

РБК
Моисей и все-все-все! Кто такие евреи и почему о них все время говорят? Моисей и все-все-все! Кто такие евреи и почему о них все время говорят?

Разбираемся в том, почему еврейский вопрос всегда актуален

Maxim
Ищет, где глубже Ищет, где глубже

Cosmo-эксперимент: наш корреспондент отправляется на секс-тренинг

Cosmopolitan
Что такое ментальный фитнес и зачем он нужен: 6 подсказок для новичков Что такое ментальный фитнес и зачем он нужен: 6 подсказок для новичков

Чтобы держать мозг в форме, можно заняться «ментальным фитнесом»

Playboy
«Брату-2» — 20 лет. Вспоминаем автомобили культового фильма «Брату-2» — 20 лет. Вспоминаем автомобили культового фильма

Автомобили, снявшиеся в одном из самых знаменитых российских фильмов

РБК
Открыть в приложении