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

Ядовитые реки, отравленные моря Ядовитые реки, отравленные моря

Катастрофы, угрожающие живым организмам, происходят довольно часто

Наука и жизнь
Самые сложные ударения из ЕГЭ: 10 слов, в которых ошибаются не только школьники Самые сложные ударения из ЕГЭ: 10 слов, в которых ошибаются не только школьники

Разбираем самые популярные ударения из тестов ЕГЭ

ТехИнсайдер
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Путешествие с домашними животными. В прокате «Первая корова» Келли Райхардт — самый необычный вестерн на свете Путешествие с домашними животными. В прокате «Первая корова» Келли Райхардт — самый необычный вестерн на свете

«Первая корова» — о том, как люди и животные едут в Америку на поиски рая

Правила жизни
«…И недоимку дарю» «…И недоимку дарю»

Последняя железная дорога еще достраивалась, а Савва Мамонтов уже сидел в тюрьме

Дилетант
По законам геометрии По законам геометрии

Оригинальная кровля делает неповторимым внешний облик этого частного владения

SALON-Interior
Точка и шар. Что может быть общего между ними? Точка и шар. Что может быть общего между ними?

Что, если взглянуть на квантовые точки с новой точки зрения?

Наука и жизнь
Есть ли у растений нервы? Есть ли у растений нервы?

Нервов у растений нет, во всяком случае, в том виде, в каком они есть у животных

Наука и жизнь
Джеймс Бонд и СССР Джеймс Бонд и СССР

«Агент 007» никогда не обращал оружия против СССР

Дилетант
Елена Долгопят: «Хроники забытых сновидений». Дневник кинозрителя Елена Долгопят: «Хроники забытых сновидений». Дневник кинозрителя

Отрывок из книги «Хроники забытых сновидений», где сны мешаются с явью

СНОБ
Впервые на русском — роман Джойс Кэрол Оутс «Ночь, сон, смерть и звезды» Впервые на русском — роман Джойс Кэрол Оутс «Ночь, сон, смерть и звезды»

Отрывок из новой семейной саги современного классика Джойс Кэрол Оутс

СНОБ
Нарциссы: кто это и как вести себя с этими людьми Нарциссы: кто это и как вести себя с этими людьми

Разбираемся, кто такие нарциссы и как с ними взаимодействовать

РБК
Почему во время путча по телевизору показывали «Лебединое озеро» Почему во время путча по телевизору показывали «Лебединое озеро»

Как знаменитый балет стал символом путча и государственного переворота

Maxim
20 любопытных фактов о пингвинах: жизнь в смокинге 20 любопытных фактов о пингвинах: жизнь в смокинге

Что еще вы знаете о пингвинах?

ТехИнсайдер
Кукла Маша, кукла Даша: 10 культовых игрушек из советского детства Кукла Маша, кукла Даша: 10 культовых игрушек из советского детства

Куклы-пупсы, неваляшки и другие неизменные атрибуты советского детства

Правила жизни
Боязнь пропустить интересное: 8 признаков зависимости от смартфона Боязнь пропустить интересное: 8 признаков зависимости от смартфона

Проверьте, не попали ли вы в цифровую кабалу

Psychologies
«Джеймс Уэбб» обнаружил кандидата в древнейшую известную галактику «Джеймс Уэбб» обнаружил кандидата в древнейшую известную галактику

Астрономы обнаружили очередного кандидата в древнейшую галактику

N+1
Татьяна Абрамова: «Некоторые называют меня стервой» Татьяна Абрамова: «Некоторые называют меня стервой»

О жизни, гастролях и интересных знакомствах — рассказывает Татьяна Абрамова

Коллекция. Караван историй
Что такое социальный контракт, как получить выплаты, и на какие бесплатные плюшки ты имеешь право Что такое социальный контракт, как получить выплаты, и на какие бесплатные плюшки ты имеешь право

Многие путают социальный контракт с субсидиями, но это неправильно

VOICE
Почему тарифы ЖКХ постоянно растут? Почему тарифы ЖКХ постоянно растут?

Куда жаловаться, если кажется, что коммунальщики обнаглели в своих аппетитах

Maxim
Каких врачей нужно посещать людям старше 30 лет и почему: рекомендации терапевта Каких врачей нужно посещать людям старше 30 лет и почему: рекомендации терапевта

Каких специалистов вам следует посетить в зависимости от вашего пола и возраста?

Psychologies
5 увлекательных аудиокниг для длинных путешествий 5 увлекательных аудиокниг для длинных путешествий

Хорошая аудиокнига — лучший спутник в путешествии

СНОБ
О чем на самом деле думают мужчины? Разбираемся, стоит ли это угадывать О чем на самом деле думают мужчины? Разбираемся, стоит ли это угадывать

Что ОН хотел этим сказать, о чем ОН думает, почему ОН так поступил

VOICE
Правила жизни Джеймса Кэмерона Правила жизни Джеймса Кэмерона

Правила жизни культового режиссера Джеймса Кэмерона

Правила жизни
На службе у зла: кто составлял «серую зону» между нацистами и их жертвами На службе у зла: кто составлял «серую зону» между нацистами и их жертвами

Как Третий рейх вовлекал в преступления тех, кто сам страдал от нацистов

Forbes
Конечность: выдающиеся руки выдающихся людей. Фотоистория Конечность: выдающиеся руки выдающихся людей. Фотоистория

Руки, которые сыграли 5 тысяч концертов и выкопали 150 тонн картофеля

Правила жизни
Анализ 777 древних геномов прояснил происхождение популяций эпохи палеометалла Анализ 777 древних геномов прояснил происхождение популяций эпохи палеометалла

Историю индоевропейских языков можно проследить до ямной культуры

N+1
В Узбекистане нашли следы пребывания древних людей возрастом около 90 тысяч лет В Узбекистане нашли следы пребывания древних людей возрастом около 90 тысяч лет

Археологи исследовали памятник Куксарай-2, расположенный на Западном Тянь-Шане

N+1
Жители эллинистической Береники разнообразно использовали ракушки от съеденных моллюсков Жители эллинистической Береники разнообразно использовали ракушки от съеденных моллюсков

Морские ресурсы играли важную роль в жизни эллинистической Береники

N+1
Возвращение бизонов сделало растительность прерий более разнообразной Возвращение бизонов сделало растительность прерий более разнообразной

Реинтродукция бизонов положительно сказывается на местной флоре

N+1
Открыть в приложении