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

Магомет идет к горе Магомет идет к горе

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

Популярная механика
AMOLED-дисплеи в смартфонах: плюсы и минусы AMOLED-дисплеи в смартфонах: плюсы и минусы

Разбираемся в том, что такое AMOLED-экран в смартфоне

CHIP
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
Перезапустить либидо Перезапустить либидо

Что можно предпринять, если в постели уже очень давно ничего не происходит?

Psychologies
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
7 советов, которые помогут похудеть после 40 лет 7 советов, которые помогут похудеть после 40 лет

Кто сказал, что красивая фигура после 40 лет – сложно?

ТехИнсайдер
Дань морскому царю Дань морскому царю

Они были самыми крупными кораблями, затонувшими в российских водах Балтики

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

Рассмотрим наиболее частые причины нехватки времени

Psychologies
Добро пожаловать в черную дыру Добро пожаловать в черную дыру

Как насчет визита к одной из черных дыр?

Популярная механика
«Уэбб»: получены первые снимки «Уэбб»: получены первые снимки

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
Милиция его не искала: история «тольяттинского потрошителя», который убивал и насиловал детей Милиция его не искала: история «тольяттинского потрошителя», который убивал и насиловал детей

Во время убийств он испытывал «высшее наслаждение»

VOICE
Страх и ненависть в лесу: «Бойся темноты» как пародия на фильм ужасов Страх и ненависть в лесу: «Бойся темноты» как пародия на фильм ужасов

«Бойся темноты» — несостоятельный сценарий и блеклая актерская игра

Forbes
Как «дьявольский» манускрипт XVII века пришлось расшифровывать с помощью DarkNet Как «дьявольский» манускрипт XVII века пришлось расшифровывать с помощью DarkNet

Расшифровка «сатанинской» рукописи XVII века, которой больше 300 лет

ТехИнсайдер
«Истории о женщинах в дефиците»: Василиса Кузьмина о пути в режиссуре и фильме «Ника» «Истории о женщинах в дефиците»: Василиса Кузьмина о пути в режиссуре и фильме «Ника»

Сложно ли женщине прийти в режиссуру, которую многие считают мужским делом

Forbes
Сколько стоит робопес и зачем он нужен Сколько стоит робопес и зачем он нужен

Для чего используются роботы-собаки и сколько они стоят?

CHIP
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
10 самых частых ошибок при варке яиц и приготовлении омлета. Вот как можно испортить даже самое простое блюдо 10 самых частых ошибок при варке яиц и приготовлении омлета. Вот как можно испортить даже самое простое блюдо

Разве можно найти человека, который не пробовал приготовить яйца?

ТехИнсайдер
Рагим Джафаров: «Марк и Эзра. 2.0». Отрывок из романа Рагим Джафаров: «Марк и Эзра. 2.0». Отрывок из романа

Отрывок из фантастического и остросюжетного романа «Марк и Эзра. 2.0»

СНОБ
Почему сила воли бесполезна в борьбе с вредными привычками Почему сила воли бесполезна в борьбе с вредными привычками

Сильная воля хороша только для краткосрочных целей

Psychologies
Почему пора перестать считать целлюлит недостатком Почему пора перестать считать целлюлит недостатком

Целлюлит — не болезнь: новый взгляд на проблему

Лиза
«Как же это по-английски?»: почему мы так быстро забываем иностранные языки «Как же это по-английски?»: почему мы так быстро забываем иностранные языки

Случалось ли вам забывать, как пользоваться иностранным языком?

ТехИнсайдер
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
«Жанна д’Арк из Сирии»: как Назик аль-Абид добивалась свободы для страны и для женщин «Жанна д’Арк из Сирии»: как Назик аль-Абид добивалась свободы для страны и для женщин

Назик аль-Абид — женщина-генерал, посвятившая жизнь борьбе за права женщин

Forbes
Оказалось, что вода спонтанно превращается в перекись — и с этим связана сезонность простуды и гриппа Оказалось, что вода спонтанно превращается в перекись — и с этим связана сезонность простуды и гриппа

Ученые доказали, что микрокапли воды могут превращаться в перекись сами по себе

ТехИнсайдер
В Казахстане раскопали погребения восьми мужчин-воинов и женщины-жрицы эпохи ранних кочевников В Казахстане раскопали погребения восьми мужчин-воинов и женщины-жрицы эпохи ранних кочевников

Эти номады умерли в конце VI – начале V века до нашей эры

N+1
Скорая помощь Скорая помощь

Когда можно справиться с болью самостоятельно?

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
Химики научились получать карбеноиды из альдегидов Химики научились получать карбеноиды из альдегидов

Химики разработали метод превращения альдегидов в нестабилизированные карбеноиды

N+1
Ресторатор Борис Зарьков — о японской муке, машине и The World's 50 Best Ресторатор Борис Зарьков — о японской муке, машине и The World's 50 Best

Ресторатором Борисом Зарьковым — о насмотренности, любви к Японии и планах

РБК
15 незаметных признаков очень больших денег 15 незаметных признаков очень больших денег

Настоящее богатство видно при очень внимательном рассмотрении и хорошей дедукции

Maxim
Открыть в приложении