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

Тяжелый легкий бег Тяжелый легкий бег

Как работает организм на марафонских дистанциях

Популярная механика
Клеймо девочки: почему работа по дому ложится на плечи женщин Клеймо девочки: почему работа по дому ложится на плечи женщин

Отрывок из книги «Право на гнев» о разном обучении мальчиков и девочек

Forbes
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Обаяние Алании Обаяние Алании

Путешествие по Алании будет запоминающимся и сильно не ударит по вашему кошельку

Отдых в России
Летящая на волне Летящая на волне

История о том, как летал один из самых необычных сверхзвуковых самолетов

Популярная механика
Как полировать фары автомобиля: три способа и советы эксперта Как полировать фары автомобиля: три способа и советы эксперта

Вернуть фарам изначальный вид можно при помощи полировки

РБК
Электричка с зоркими глазами Электричка с зоркими глазами

Беспилотники пригородного сообщения

Наука
Как не испортить первый ужин на свидании Как не испортить первый ужин на свидании

Как готовить? Учимся делать это красиво (а некрасиво — не делать)

Maxim
«У нас хватило ума…» «У нас хватило ума…»

Как завершалась холодная война между СССР и США?

Дилетант
Население древнего карфагенского города оказалось генетически разнообразным Население древнего карфагенского города оказалось генетически разнообразным

Палеогенетики исследовали геномы жителей Средиземноморья железного века

N+1
«Дживс и Вустер» и много олигархов: пять фильмов и сериалов о жизни богатых людей «Дживс и Вустер» и много олигархов: пять фильмов и сериалов о жизни богатых людей

Художественный и документальные фильмы о жизни олигархов

Forbes
Чертоги памяти. Как работает «метод Шерлока» в реальности и можно ли его освоить, если вы простой смертный Чертоги памяти. Как работает «метод Шерлока» в реальности и можно ли его освоить, если вы простой смертный

Как работает одна из самых популярных мнемонических техник?

Inc.
Магия кристалла Магия кристалла

Многогранный и статусный интерьер просторной квартиры в центре столицы

SALON-Interior
Почему так тяжело смириться с потерей домашних животных: 5 фактов Почему так тяжело смириться с потерей домашних животных: 5 фактов

Век питомцев гораздо короче человеческого, и терять их невыносимо горько

Psychologies
Разработано первое приложение для обмена сообщениями под водой Разработано первое приложение для обмена сообщениями под водой

Ученые разработали приложение для смартфона для передачи сообщений под водой

ТехИнсайдер
7 милых и крайне опасных представителей мира животных 7 милых и крайне опасных представителей мира животных

Милые животные, встреча с которыми может быть смертельно опасна

ТехИнсайдер
Как стать эффективным: 9 простых советов Как стать эффективным: 9 простых советов

Вы упорно работаете, отдаете все силы, но результата почему-то все нет?

Psychologies
Бегаю в туалет каждые 15 минут: как я живу с гиперактивным мочевым пузырем Бегаю в туалет каждые 15 минут: как я живу с гиперактивным мочевым пузырем

Как проявляется гиперактивность мочевого пузыря?

VOICE
8 признаков здорового нарциссизма, которые ведут к успеху 8 признаков здорового нарциссизма, которые ведут к успеху

Здоровый нарциссизм, который способствует личностному росту

Psychologies
Охота на ведьм и поиски козла отпущения: как работают механизмы коллективного насилия Охота на ведьм и поиски козла отпущения: как работают механизмы коллективного насилия

Почему на протяжении всей истории человечества одни сообщества преследуют другие

Forbes
Какими бывают токсичные отцы Какими бывают токсичные отцы

Основные особенности характера токсичных отцов

Psychologies
Шведы показали превосходство кнопок и крутилок над сенсорным управлением в автомобиле Шведы показали превосходство кнопок и крутилок над сенсорным управлением в автомобиле

Прогресс не всегда полезен: сенсорное управление в машинах оказалось неудобным

N+1
Соберись, тряпка: как создать успешный и социально значимый бизнес на ненужных вещах Соберись, тряпка: как создать успешный и социально значимый бизнес на ненужных вещах

Из старой одежды можно сделать не только ветошь, но и синтетическое топливо

Forbes
5 важных причин отдать ребенка в спорт, о которых вы раньше не задумывались 5 важных причин отдать ребенка в спорт, о которых вы раньше не задумывались

Какие перемены спорт приносит в поведение и сознание детей

ТехИнсайдер
Калорийность рациона: зачем нужны белки и жиры Калорийность рациона: зачем нужны белки и жиры

Чем определяется калорийность рациона?

РБК
Рипофобия: когда стремление к чистоте превращается в одержимость Рипофобия: когда стремление к чистоте превращается в одержимость

Что такое рипофобия и как с ней справиться?

Psychologies
Правила жизни Салмана Рушди Правила жизни Салмана Рушди

Правила жизни романиста Салмана Рушди

Правила жизни
Как понять, что у партнера сексуальная зависимость? Как понять, что у партнера сексуальная зависимость?

Не оказался ли ваш партнер секс-зависимым?

Psychologies
Вера Васильева: Вера Васильева:

Что меня поддерживает? Может быть, это любовь к близким?

Караван историй
6 фактов о здоровье сердца, которые важно знать именно женщинам 6 фактов о здоровье сердца, которые важно знать именно женщинам

Болезни сердца – вторая причина смертности среди женщин во всем мире

Лиза
Открыть в приложении