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

Вороньи уроки Вороньи уроки

Когда кедру было 35 лет, в его кроне свила гнездо серая ворона

Наука и жизнь
Имеют ли право судебные власти Имеют ли право судебные власти

Юрист анализирует право человека на частную жизнь его мозга

ТехИнсайдер
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
В поисках Рюрика В поисках Рюрика

А был ли Рюрик?

Дилетант
Цифровая лихорадка Цифровая лихорадка

С каждым годом майнинг биткоинов требует больше ресурсов, но не останавливается

ТехИнсайдер
Новая «нормальность» российского свиноводства Новая «нормальность» российского свиноводства

Перспективы развития сектора российского свиноводства в 2022–2025 годах

Агроинвестор
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
Как пить, чтобы похудеть Как пить, чтобы похудеть

Влияет ли употребление алкоголя на набор веса?

Maxim
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
Треть цинка попала на Землю вместе с метеоритами Треть цинка попала на Землю вместе с метеоритами

Метеориты могут быть источником цинка, ртути, селена на Земле

N+1
«Театр — лучший психолог»: режиссер Юрий Грымов об абортах, антиутопиях и психотерапии «Театр — лучший психолог»: режиссер Юрий Грымов об абортах, антиутопиях и психотерапии

Театральный режиссер Юрий Грымов — о вечных и устаревающих текстах

Psychologies
Футболисты, сидевшие в тюрьме: один расчленил любовницу и скормил собакам Футболисты, сидевшие в тюрьме: один расчленил любовницу и скормил собакам

Достойные компаньоны Кокорину и Мамаеву

Maxim
Оптимизм оказался ключом к долголетию: мнение ученых Оптимизм оказался ключом к долголетию: мнение ученых

Эликсир вечной молодости поможет найти психология

ТехИнсайдер
Врачи назвали 5 причин, из-за которых мы просыпаемся ночью и рано утром Врачи назвали 5 причин, из-за которых мы просыпаемся ночью и рано утром

Замечаете, что ни с того ни с сего просыпаетесь среди ночи?

ТехИнсайдер
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
Последний генеральный. Жизнь и смерть Михаила Горбачева Последний генеральный. Жизнь и смерть Михаила Горбачева

За что любили и ненавидели Михаила Сергеевича Горбачева

Правила жизни
«Жизнь не была загублена, пока не встретила его»: отрывок из биографии Дженис Джоплин «Жизнь не была загублена, пока не встретила его»: отрывок из биографии Дженис Джоплин

Фрагмент из книги «Дженис Джоплин — жемчужина рок-н-ролла»

Forbes
Что делает BYD: гид по моделям самой быстрорастущей компании мира Что делает BYD: гид по моделям самой быстрорастущей компании мира

С каким арсеналом «убийцы Tesla» собираются захватить мир

РБК
Сильные и опасные: 8 пород собак, которых нельзя заводить, если у тебя дети Сильные и опасные: 8 пород собак, которых нельзя заводить, если у тебя дети

Собаки, которые не очень ладят с детьми

VOICE
«Мы вам перезвоним» «Мы вам перезвоним»

9 причин, почему тебя не берут на работу и что с этим делать

Лиза
Как воспитать в ребенке внутреннюю свободу — советы Димы Зицера Как воспитать в ребенке внутреннюю свободу — советы Димы Зицера

Что делать, если у ребенка конфликт с учителем?

СНОБ
«Ничего не успеваю!»: 5 главных причин нехватки времени «Ничего не успеваю!»: 5 главных причин нехватки времени

Рассмотрим наиболее частые причины нехватки времени

Psychologies
Какие растения любят подкормку из яичной скорлупы: дешевое удобрение, о котором должен знать каждый дачник Какие растения любят подкормку из яичной скорлупы: дешевое удобрение, о котором должен знать каждый дачник

Многие собирают скорлупу для подкормки сада и комнатных растений

ТехИнсайдер
8 упражнений на растяжку, которые облегчат боль в спине 8 упражнений на растяжку, которые облегчат боль в спине

Наш спасительный фитнес для вашей спины

Лиза
Физики добились субпикосекундного переключения бозе-конденсата при комнатной температуре Физики добились субпикосекундного переключения бозе-конденсата при комнатной температуре

Физики добились потенциального улучшения оптоэлектронных устройств

N+1
Маневрируем в позе «зю»: разбираем главные стереотипы о балансе карьеры и материнства Маневрируем в позе «зю»: разбираем главные стереотипы о балансе карьеры и материнства

Тема совмещения материнства и карьеры давно набила оскомину

Forbes
Больше половины видов с неясным природоохранным статусом оказались под угрозой исчезновения Больше половины видов с неясным природоохранным статусом оказались под угрозой исчезновения

Ученые создали компьютерную модель, которая оценивает риск исчезновения видов

N+1
«Эзопов язык уже невозможен»: Ольга Сутулова о переменах в кино и женской повестке «Эзопов язык уже невозможен»: Ольга Сутулова о переменах в кино и женской повестке

Актриса Юля Варшавская — как меняется женская повестка в российском кино

Forbes
«Я просто не выспался»: как сон влияет на наш характер «Я просто не выспался»: как сон влияет на наш характер

Сон меняет отношение к окружающим и желание им помогать

Psychologies
Самые короткие и захватывающие детективные сериалы — посмотри за вечер или за выходные! Самые короткие и захватывающие детективные сериалы — посмотри за вечер или за выходные!

Собрали остросюжетные шоу в формате мини-сериалов

VOICE
Открыть в приложении