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

Растущий на обочине Растущий на обочине

Да, пожалуй, ни одну из дорог невозможно представить без этого растения

Наука и жизнь
Идеальное выдуманное Идеальное выдуманное

Автопромышленность параллельного СССР

Автопилот
Эволюция экскаваторов Эволюция экскаваторов

Строитель будущего будет управлять экскаватором не выходя из дома

Популярная механика
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
Здоровый микробиом — здоровый организм Здоровый микробиом — здоровый организм

Как поддерживать баланс в микробиоме и какие исследования ведутся в этой области

Наука
Как избавиться от домашних клопов за один день: готовимся к сезону вредителей Как избавиться от домашних клопов за один день: готовимся к сезону вредителей

Как обезопасить свою постель от домашних клопов?

ТехИнсайдер
«Gaia»: новый взгляд на небо «Gaia»: новый взгляд на небо

Что телескоп «Gaia» позволил узнать о нашей Галактике?

Наука и жизнь
Игорь Мухин — о кинематографичности городов, деньгах и документальности Игорь Мухин — о кинематографичности городов, деньгах и документальности

Фотограф Игорь Мухин — о городах и их людях, агрессии и факторах случайности

РБК
В поисках ядерного буксира В поисках ядерного буксира

Почему ядерные корабли до сих пор не появились?

Популярная механика
«Создательница ангелов»: история Хильды Нильссон, которая убивала детей «Создательница ангелов»: история Хильды Нильссон, которая убивала детей

«Создательница ангелов с улицы Брюкс» — самая известная в Швеции серийная убийца

VOICE
Переменчивая как погода Переменчивая как погода

Тося Чайкина шутит, что она уже никакой не фрешмен

OK!
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
К внутренней свободе: три фильма «Докера» о том, как женщины переписывают свою судьбу К внутренней свободе: три фильма «Докера» о том, как женщины переписывают свою судьбу

В конкурс фестиваля вошли ленты о токсичных отношениях и переосмыслении травм

Forbes
Яна Сексте: Яна Сексте:

Бомба замедленного действия — Яна Сексте

Караван историй
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
Как жила и чем запомнилась принцесса Диана — фотоистория «Сноба» Как жила и чем запомнилась принцесса Диана — фотоистория «Сноба»

Как жила и чем запомнилась леди Диана — в фотоистории «Сноба».

СНОБ
Мини-биржа: как сервис выходцев из «Сбера» стал игроком №2 на рынке краудлендинга Мини-биржа: как сервис выходцев из «Сбера» стал игроком №2 на рынке краудлендинга

Cервис JetLend: как он увеличил свои показатели в три раза?

Forbes
«Другой папа». Как построить новые отношения женщине с детьми «Другой папа». Как построить новые отношения женщине с детьми

Женщина второй раз выходит замуж. Как в этом случае вести себя с ребенком?

СНОБ
Растеряши и непоседы Растеряши и непоседы

Что такое СДВГ у детей и взрослых

Лиза
Татьяна Абрамова: «Некоторые называют меня стервой» Татьяна Абрамова: «Некоторые называют меня стервой»

О жизни, гастролях и интересных знакомствах — рассказывает Татьяна Абрамова

Коллекция. Караван историй
Групповые процессы вместо культа индивидуализма: почему сейчас «я» меняется на «мы» Групповые процессы вместо культа индивидуализма: почему сейчас «я» меняется на «мы»

Почему вдруг важными становятся групповые процессы, а не индивидуальность?

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
Кирилл Рябов: «Женщина» Кирилл Рябов: «Женщина»

Отрывок из сборника рассказов, соединяющего лейтмотивы гуманистической традиции

СНОБ
9 адских ужастиков про ад 9 адских ужастиков про ад

Сам аццкий сотона одобрил бы нашу подборку хорроров!

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

Эликсир вечной молодости поможет найти психология

ТехИнсайдер
Зачем анализировать обратную связь от пользователей приложений: инсайд для тех, кто решил развивать свой продукт Зачем анализировать обратную связь от пользователей приложений: инсайд для тех, кто решил развивать свой продукт

Изучение обратной связи — важный этап в развитии продукта

ТехИнсайдер
Наркотики, измены и смерть обоих: каким на самом деле был Наркотики, измены и смерть обоих: каким на самом деле был

Союз Джона Кеннеди-младшего и Кэролин Бессет — каким был их брак?

VOICE
5 практик, которые помогают контролировать мысли и эмоции (даже чужие) 5 практик, которые помогают контролировать мысли и эмоции (даже чужие)

Как эмоциональный интеллект помогает концентрироваться на важных для вас вещах

Inc.
Только не сейчас Только не сейчас

Что делать, если зубная боль настигла в разгар отпуска

Лиза
Избыточная мужественность: почему слишком много тестостерона — это плохо Избыточная мужественность: почему слишком много тестостерона — это плохо

Разбираемся, как распознать опасно высокий уровень тестостерона

Maxim
Открыть в приложении