Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в XX веке

Наука и жизньНаука

Невидим, свободен...

Записала Наталия Лескова

Фото Андрея Афанасьева

Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в середине XX века, однако возможность их создания в то время вызывала сомнения. Тем не менее графен, материал толщиной в один слой углеродных атомов, был получен, а за прорывные эксперименты с ним Андрею Гейму и Константину Новосёлову присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12 , 2010 г.). Невероятно тонкий и потому свободный от множества ограничений трёхмерного мира, графен демонстрировал небывалые качества: высочайшую прочность, феноменальную подвижность электронов, необычные квантовые эффекты. Материал с такими свойствами «обещал» революцию в электронике. Однако создать технологию промышленного производства графена оказалось не так-то просто.

Доктор физико-математических наук Александр Лебедев, руководитель отделения твердотельной электроники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), где разрабатывают отечественную технологию получения однородного графена, рассказывает, зачем нужен качественный графен и как его вырастить.

Профессор Александр Александрович Лебедев.

Углерод — интереснейшее вещество, которое может существовать в сильно отличающихся структурой и свойствами формах. Графит и алмаз — казалось бы, одно и то же по составу, но у них разные кристаллические решётки. В алмазе решётка очень плотная и связи между атомами крепкие, а в графите есть плоскости, внутри которых атомы связаны хорошо, но сами плоскости между собой связаны слабо. Из-за этого возникают разные свойства. Если куском графита провести по плоскости, то останется след — это свойство используется в карандашном грифеле. А если отделить от графита один слой, то это и будет графен, двумерный материал с новыми свойствами.

Графен — классический пример того, как совершаются открытия. Сначала все говорили о том, что такой материал никак не получить. Крупные теоретики писали, что двумерную структуру создать невозможно, она будет разрушаться тепловыми колебаниями при любой температуре. А когда наши соотечественники Андрей Гейм и Константин Новосёлов сделали это буквально «на коленке» — с помощью липкой ленты отсоединив кусочки графита и получив таким способом удивительный наноматериал, то сразу появилось множество людей, которые якобы открыли графен гораздо раньше.

Графит состоит из слоёв углеродных атомов. Каждый слой образует гексагональную кристаллическую решётку. Рисунок: Anton/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.5

Например, Вальтер дер Хир, американский физик голландского происхождения, тоже занимался двумерными плёнками и получал графен на карбиде кремния. Когда Нобелевскую премию дали Гейму и Новосёлову, он высказывал недовольство, писал письма в Нобелевский комитет, доказывая, что он сам и другие исследователи получали графен гораздо раньше. Однако в Нобелевском комитете объяснили, что премию лауреатам дали не за то, что они первыми получили графен, а за то, что доказали двумерность этого материала.

Действительно, Гейм с Новосёловым получили двумерные кристаллы графена, что и было установлено в последующих экспериментах. Но эти кристаллы были маленькие, неправильной и непредсказуемой формы. Именно из-за своей несовершенной формы такой графен был непригоден для практического использования. Как шутил сам Гейм, нельзя представить себе технологическую линейку, в начале которой сидел бы человек и липкой лентой отдирал бы от графита кусочки графена. Поэтому многие сразу начали думать, как сделать технологию, с помощью которой стало бы возможным промышленное производство такого материала.

Монослой атомов углерода представляет собой двумерный кристалл — графен. Рисунок: AlexanderAlUS/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Когда я впервые слушал доклад о структуре и свойствах графена, то через несколько минут сообразил, что его можно получать термодеструкцией, испарением поверхности карбида кремния (SiC). Если взять карбид кремния и начать его греть в вакууме при температуре примерно полторы тысячи градусов, то начинается испарение кремния, а на поверхности образуется плёнка углерода. Этот эффект называется графитизацией. Мы, проводя такие эксперименты с карбидом кремния, всегда думали, что это сугубо отрицательный эффект, потому что такая плёнка на поверхности углерода всё «закорачивает». Считали это браком и выкидывали, вместо того чтобы поехать в Стокгольм и поговорить насчёт Нобелевской премии.

После открытия графена и его свойств мы решили отрицательное явление графитизации превратить в полезную технологию роста графена. Для этого надо было в процессе нагрева карбида кремния подобрать такие технологические параметры, чтобы образовалась моноатомная плёнка углерода, то есть графен.

При нагреве подложки SiC до температуры 1300—1400°C её поверхность приобретает ступенчатый вид, а при температуре нагрева выше 1500°C начинается образование плёнки графена. Внизу — схематическое изображение подложки SiC со сформированной графеновой плёнкой. Справа — 3Dизображение поверхности структуры графен/SiC, полученное методом атомно-силовой микроскопии. К сожалению, разрешающая способность данного метода не позволяет увидеть атомы графеновой плёнки, однако ступени высотой всего 1 нанометр видны хорошо. Рисунок из статьи: Yazdi G.R., Iakimov T., Yakimova R. l. Crystals 2016, 6, 53.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Они не мстят и не ревнуют: как на самом деле мыслят кошки Они не мстят и не ревнуют: как на самом деле мыслят кошки

Какие эмоции и поведение свойственны кошкам?

VOICE
Магомет идет к горе Магомет идет к горе

Мобильная станция, в которой содержится около 7–8 т различных видов масел

Популярная механика
Дайте «Оскар» этой богине! Дайте «Оскар» этой богине!

В мире более 70 пород кошек, и выделить самых красивых очень сложно

Лиза
Ионосфера: между космосом и землёй Ионосфера: между космосом и землёй

Как ионосфера взаимодействует с другими геосферными оболочками?

Наука и жизнь
5 способов спасти себя от разрушительного стресса 5 способов спасти себя от разрушительного стресса

Комплекс мер по поддержанию нормальной работы мозга во время стресса

Psychologies
Часы вместо компаса Часы вместо компаса

Показываемое часами время связано с положением Солнца

Наука и жизнь
«Свобода определяется рамками»: как пианист Риад Маммадов переосмысляет классику «Свобода определяется рамками»: как пианист Риад Маммадов переосмысляет классику

Риад Маммадов — как строится карьера классических музыкантов в России?

Forbes
Механизмы зрения: наука и жизнь Механизмы зрения: наука и жизнь

С чего начинается зрение?

Наука и жизнь
Шансы выжить невелики: что будет, если человека ударит молнией Шансы выжить невелики: что будет, если человека ударит молнией

Электрические разряды редко проходят для людей без последствий

Вокруг света
Как актриса Нишель Николс и сериал «Стартрек» помогли движению за гражданские права в США Как актриса Нишель Николс и сериал «Стартрек» помогли движению за гражданские права в США

Как роль Нишель Николс в космической франшизе повлияла на права женщин в США

СНОБ
Машинное обучение предсказало толщину нейтронной кожи свинца Машинное обучение предсказало толщину нейтронной кожи свинца

Физики рассчитали толщину нейтронной оболочки в ядре изотопа свинца-208

N+1
Одна вокруг света: путешествие через вулкан Тунупа и розовый фламинго, дитя заката Одна вокруг света: путешествие через вулкан Тунупа и розовый фламинго, дитя заката

История о трудной дороге и бескрайних залежах соли, в которых отражается небо

Forbes
Как правильно хранить еду в холодильнике? Как правильно хранить еду в холодильнике?

Что, думаешь, положил продукты в холодильник и пошел? А вот и нет!

Maxim
«Я люблю вас сильно-сильно»: история маньяка Вячеслава Соловьева, который убил даже жену и дочь «Я люблю вас сильно-сильно»: история маньяка Вячеслава Соловьева, который убил даже жену и дочь

Вячеслав Соловьев без малейших колебаний убивал тех, кто его раздражал

VOICE
Как у Брижит или Хадид Как у Брижит или Хадид

Модная челка: 9 лучших вариантов

Лиза
«Лингвисты, пришедшие с холода». История структурной лингвистики в СССР «Лингвисты, пришедшие с холода». История структурной лингвистики в СССР

Лингвистические задачи, придуманным Андреем Анатольевичем Зализняком

N+1
Что должно быть в машине: 25+ необходимых вещей Что должно быть в машине: 25+ необходимых вещей

Автомобиль не склад, однако множество вещей в нем возить необходимо

РБК
Йога в самиздате, ритмическая гимнастика по ТВ и суперфуд в трехлитровой банке: каким был ЗОЖ в СССР Йога в самиздате, ритмическая гимнастика по ТВ и суперфуд в трехлитровой банке: каким был ЗОЖ в СССР

Думаете, повальное увлечение ЗОЖем — явление последних 10–15 лет? А вот и нет

Правила жизни
Просто и по делу: 5 золотых правил похудения, с которыми ты легко сбросишь вес Просто и по делу: 5 золотых правил похудения, с которыми ты легко сбросишь вес

Советы, с которыми процесс похудения пойдет быстрее и эффективнее

VOICE
Генетики нашли сходство в ДНК у неродственных двойников Генетики нашли сходство в ДНК у неродственных двойников

Так ли похожи неродственные двойники?

N+1
«Советская Атлантида»: как сохраняют память об ушедших под воду городах «Советская Атлантида»: как сохраняют память об ушедших под воду городах

Как потомки жителей затопленных городов и деревень восстанавливают память о них

Forbes
В пробах, взятых с астероида Рюгу, найдены особые зерна — они древнее нашего Солнца В пробах, взятых с астероида Рюгу, найдены особые зерна — они древнее нашего Солнца

Рюгу похож на класс метеоритов, известных как углеродистые хондриты типа Ивуна

ТехИнсайдер
Переменчивая как погода Переменчивая как погода

Тося Чайкина шутит, что она уже никакой не фрешмен

OK!
Онлайн-конфигураторы ПК: выбираем лучший Онлайн-конфигураторы ПК: выбираем лучший

У каждого крупного ритейлера есть собственный конфигуратор ПК

CHIP
Прованс в интерьере Прованс в интерьере

Советы по обустройству каждой комнаты в стиле прованс

Лиза
Как вывести неприятный запах из обуви за несколько минут: подручные средства, которые работают Как вывести неприятный запах из обуви за несколько минут: подручные средства, которые работают

Стоит снять ботинки, как неприятное амбре распространяется по всей квартире?

ТехИнсайдер
Почему ты должен платить за воздух Почему ты должен платить за воздух

Прогресс привел к загрязнению атмосферы, но дал нам очистители воздуха для дома

Maxim
Какими были валютные магазины «Березка» в СССР Какими были валютные магазины «Березка» в СССР

Что за магазины «Березка» были в СССР

Forbes
Как должна вести себя настоящая женщина: советы и наблюдения со страниц дневника таинственной японки Мурасаки Как должна вести себя настоящая женщина: советы и наблюдения со страниц дневника таинственной японки Мурасаки

Как девушке сохранять достоинство, занимая высокое положение в обществе?

VOICE
Открыть в приложении