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

Портрет на фоне Галактики Портрет на фоне Галактики

Чёрные дыры – самое смелое предсказание общей теории относительности Эйнштейна

Наука и жизнь
Сизые горожане Сизые горожане

Почему голуби стали жить рядом с человеком?

Вокруг света
«Уэбб»: получены первые снимки «Уэбб»: получены первые снимки

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
Почему болит голова? Объяснение психолога Почему болит голова? Объяснение психолога

Есть ли психологические причины у головных болей, и как их обнаружить?

Psychologies
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
Право матери-ехидны. Как наладить отношения с детьми, если после развода они остались с отцом Право матери-ехидны. Как наладить отношения с детьми, если после развода они остались с отцом

Как матери вести себя после развода и расставания с детьми?

СНОБ
Боевой друг Боевой друг

Что принципиально нового можно сделать с АК?

Популярная механика
Женщина с молотом: почему фильм «Тор: любовь и гром» не смог преодолеть неравенство Женщина с молотом: почему фильм «Тор: любовь и гром» не смог преодолеть неравенство

Смогли ли Marvel внедрить супергеройское кино в феминистский контекст?

Forbes
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизнь
«Нет неудач. Есть опыт на пути к успеху» «Нет неудач. Есть опыт на пути к успеху»

Всё, что вы хотели узнать про способы достижения целей, — в интервью ОK!

OK!
Люди + технологии = любовь. Как не терять связь даже на разных концах мира Люди + технологии = любовь. Как не терять связь даже на разных концах мира

Самые удивительные способы быть ближе даже сквозь расстояния

Правила жизни
Работа инсулина и рост нервов: открытия в биологии и медицине, сделанные женщинами Работа инсулина и рост нервов: открытия в биологии и медицине, сделанные женщинами

Женщины-лауреаты Нобелевской премии

Forbes
Тянет на солёное и поплакать: ранние признаки беременности Тянет на солёное и поплакать: ранние признаки беременности

Как уловить изменения в своем теле на ранних сроках беременности

VOICE
Кокетливый язык тела: какие жесты заводят мужчин и женщин Кокетливый язык тела: какие жесты заводят мужчин и женщин

Язык тела позволяет выразить наши чувства и желания

Psychologies
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
Открывая тайны Открывая тайны

Русскому географическому обществу исполняется 177 лет

Отдых в России
«Буллинг под видом заботы»: когда гиперопека в семье превращается в травлю ребенка «Буллинг под видом заботы»: когда гиперопека в семье превращается в травлю ребенка

Стать агрессорами могут и любящие родители

Psychologies
Мифы и суеверия: почему информатика теперь — это необходимая наука об окружающем мире Мифы и суеверия: почему информатика теперь — это необходимая наука об окружающем мире

Почему в современном мире необходимо пересмотреть отношение к информатике

Forbes
Что такое настоящая любовь к женщине: смешная и мудрая цитата Романа Карцева Что такое настоящая любовь к женщине: смешная и мудрая цитата Романа Карцева

Монологи Романа Карцева смешат нас до сих пор

VOICE
Сталинская скорость Сталинская скорость

Несбывшиеся мечты о рекордных автомобилях

Автопилот
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
Парадокс добродетели: почему людям присущи подлинная доброта и немыслимая жестокость Парадокс добродетели: почему людям присущи подлинная доброта и немыслимая жестокость

Отрывок из книги антрополога Ричарда Рэнгема «Парадокс добродетели»

Forbes
Принцесса Диана: истоки культа Принцесса Диана: истоки культа

Как появился миф о прекрасной принцессе Диане?

Psychologies
Датчик расхода воздуха: почему он так важен и как его проверить Датчик расхода воздуха: почему он так важен и как его проверить

Что такое датчик массового расхода воздуха и зачем он нужен

РБК
6 мифов о космосе, в которые вы до сих пор верите 6 мифов о космосе, в которые вы до сих пор верите

По количеству существующих мифов космос может соперничать разве что с медициной

ТехИнсайдер
Как укоренить розу из букета в домашних условиях Как укоренить розу из букета в домашних условиях

Срезанный цветок можно укоренить в домашних условиях

ТехИнсайдер
Ни отеля, ни лошадей: 5 советов, как не испортить себе отпуск невнимательностью к деталям Ни отеля, ни лошадей: 5 советов, как не испортить себе отпуск невнимательностью к деталям

Два москвича собрались в горы, но вместо релакса получили череду казусов

Вокруг света
Как выбрать весы для кухни: простая инструкция Как выбрать весы для кухни: простая инструкция

Какие детали надо учесть, чтобы выбрать лучшие весы для кухни?

CHIP
«Мы знаем, чего хотят мамы» «Мы знаем, чего хотят мамы»

Алиса Лобанова определенно живет в Стране чудес

OK!
«Каждый день?»: как часто необходимо мыться «Каждый день?»: как часто необходимо мыться

Как найти золотую середину в вопроса регулярной гигиены?

Psychologies
Открыть в приложении