Нобелівська премія з фізики 2010 року. Нове обличчя вуглецю
Атоми вуглецю в графені утворюють двовимірний кристал з осередками гексагональної форми.
Нобелівський лауреат з фізики 2010 року Андре Гейм (рід. В 1958 році) - професор Манчестерського університету (Великобританія). Закінчив Московський фізико-технічний інститут, кандидатську дисертацію захистив в Інституті фізики твердого тіла (м Черноголов
Нобелівський лауреат з фізики 2010 року Костянтин Новосьолов (рід. В 1974 році) - професор Манчестерського університету (Великобританія) і випускник Московського фізико-технічного інституту. Працював в Інституті проблем технології мікроелектроніки і особливо
Графен - одна з аллотропних форм вуглецю. Вперше був отриманий поетапним відлущуванням тонких шарів графіту. Графен, сворачиваясь, утворює нанотрубку або фуллерен.
Одне з можливих застосувань графена - створення на його основі нової технології розшифровки хімічної структури (секвенування) ДНК. Вчені з Інституту нанодосліджень Кавлі (Kavli Institute of nanoscience, Нідерланди) під керівництвом професора Декка
<
>
Графен, матеріал товщиною всього в один атом, побудований з «сітки» атомів вуглецю, укладених, подібно до бджолиних стільників, в осередку гексагональної (шести-вугільної) форми. Це ще одна аллотропная форма вуглецю поряд з графітом, алмазом, нанотрубками і фулереном. Матеріал має відмінну електропровідністю, гарну теплопровідність, високу міцність і практично повністю прозорий.
Ідея отримання графена «лежала» в кристалічній решітці графіту, яка представляє собою шарувату структуру, утворену слабо пов'язаними шарами атомів вуглецю. Тобто графіт, по суті, можна уявити як сукупність шарів графена (двовимірних кристалів), з'єднаних між собою.
Графіт - матеріал шаруватий. Саме це властивість нобелівські лауреати і використовували для отримання графена, незважаючи на те що теорія пророкувала (і попередні експерименти підтверджували), що двовимірний вуглецевий матеріал при кімнатній температурі існувати не може - він буде переходити в інші аллотропние форми вуглецю, наприклад згортатися в нанотрубки або в сферичні фулерени.
Міжнародна команда вчених під керівництвом Андре Гейм, в яку входили дослідники з Манчестерського університету (Велика Британія) та Інституту проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів (Росія, м Черноголовка), отримала графен простим відлущуванням шарів графіту. Для цього на кристал графіту наклеювали звичайний скотч, а потім знімали: на стрічці залишалися найтонші плівки, серед яких були і одношарові. (Як тут не згадати: «Все геніальне - просто»!) Пізніше за допомогою цієї техніки були отримані й інші двовимірні матеріали, в тому числі високотемпературний надпровідник Bi-Sr-Ca-Cu-O.
Зараз такий спосіб називається «мікромеханічним розшаруванням», він дозволяє отримувати найбільш якісні зразки графена розміром до 100 мікрон.
Інший чудовою ідеєю майбутніх нобелівських лауреатів було нанесення графена на підкладку з оксиду кремнію (SiO2). Завдяки цій процедурі графен стало можливим спостерігати під мікроскопом (від оптичного до атомно-силового) і досліджувати.
Перші ж експерименти з новим матеріалом показали, що в руках вчених не просто ще одна форма вуглецю, а новий клас матеріалів з властивостями, які не завжди можна описати з позицій класичної теорії фізики твердого тіла.
Отриманий двовимірний матеріал, будучи напівпровідником, володіє провідністю, як у одного з кращих металевих провідників - міді. Його електрони мають дуже високу рухливість, що пов'язано з особливостями його кристалічної будови. Очевидно, що це якість графена укупі з його нанометровій товщиною робить його кандидатом на матеріал, який міг би замінити в електроніці, в тому числі в майбутніх швидкодіючих комп'ютерах, що не задовольняє нинішнім запитам кремній. Дослідники вважають, що новий клас графеновой наноелектроніки з базовою товщиною транзисторів не більше 10 нм (на графені вже отримано польовий транзистор) не за горами.
Зараз фізики працюють над подальшим збільшенням рухливості електронів в графені. Розрахунки показують, що обмеження рухливості носіїв заряду в ньому (а значить, провідності) пов'язано з наявністю в SiO2-підкладці заряджених домішок. Якщо навчитися отримувати «свободновісящая» плівки графена, то рухливість електронів можна збільшити на два порядки - до 2 × 106 см2 / В.С. Такі експерименти вже ведуться, і досить успішно. Правда, ідеальна двовимірна плівка у вільному стані нестабільна, але якщо вона буде деформована в просторі (тобто буде не ідеально плоскою, а, наприклад, хвилястою), то стабільність їй забезпечена. З такої плівки можна зробити, наприклад, наноелектромеханічні систему - високочутливий газовий сенсор, здатний реагувати навіть на одну-єдину молекулу, яка опинилася на його поверхні.
Інші можливі додатки графена: в електродах суперконденсаторів, в сонячних батареях, для створення різних композиційних матеріалів, в тому числі надлегких і високоміцних (для авіації, космічних апаратів і т.д.), із заданою провідністю. Останні можуть надзвичайно сильно відрізнятися. Наприклад, синтезований матеріал графан, який на відміну від графена - ізолятор (див. «Наука і життя» № 4, 2009 г. ). Отримали його, приєднавши до кожного атому вуглецю вихідного матеріалу по атому водню. Важливо, що всі властивості вихідного матеріалу - графена - можна відновити простим нагріванням (відпалом) графана. У той же час графен, доданий в пластик (ізолятор), перетворює його в провідник.
Майже повна прозорість графена передбачає використання його в сенсорних екранах, а якщо згадати про його «надтонкощі», то зрозумілі перспективи його застосування для майбутніх гнучких комп'ютерів (які можна згорнути в трубочку подібно газеті), годин-браслетів, м'яких світлових панелей.
Але будь-які додатки матеріалу вимагають його промислового виробництва, для якого метод мікромеханічного розшарування, який використовується в лабораторних дослідженнях, не годиться. Тому зараз в світі розробляється велика кількість інших способів його отримання. Вже запропоновані хімічні методи отримання графена з мікрокристалів графіту. Один з них, наприклад, дає на виході графен, вбудований в полімерну матрицю. Описано також осадження з газової фази, вирощування при високому тиску і температурі, на підкладках карбіду кремнію. В останньому випадку, який найбільш пристосований до промислового виробництва, плівка з властивостями графена формується при термічному розкладанні поверхневого шару підкладки.
Фантастично велика цінність нового матеріалу для розвитку фізичних досліджень. Як вказують в своїй статті, опублікованій в 2008 році в журналі «Успіхи фізичних наук», Сергій Морозов (Інститут проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів РАН), Андре Гейм і Костянтин Новосьолов, «фактично графен відкриває нову наукову парадигму -" релятивістську "фізику твердого тіла, в якій квантові релятивістські явища (частина яких не можна реалізувати навіть в фізиці високих енергій) тепер можуть бути досліджені в звичайних лабораторних умовах ... Вперше в твердотільних експерименті можна досліджувати всі нюанси і різноманіття квантової електродинаміки ». Тобто мова йде про те, що багато явищ, для вивчення яких було потрібно будівництво величезних прискорювачів елементарних частинок, тепер можна досліджувати, озброївшись набагато простішим інструментом - найтоншим у світі матеріалом.
***
коментар фахівця
Ми думали про польовому транзисторі ...
Редакція попросила прокоментувати результати роботи нобелівських лауреатів Андре Гейм і Костянтина Новосьолова їх колегу і співавтора. На питання кореспондента «Науки і життя» Тетяни Зіміної відповідає завідувач лабораторією Інституту проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів РАН (м Черноголовка) Сергій Морозов.
- Як взагалі народилася ідея отримати двовимірний вуглецевий матеріал? У зв'язку з чим? Очікували будь-які незвичайні властивості у цієї форми вуглецю?
- Спочатку у нас не було мети отримати двовимірний матеріал з напівметалу, ми намагалися зробити польовий транзистор. Метали, навіть товщиною в один атом, для цього не годяться - в них занадто багато вільних електронів. Спочатку ми отримували рахункова число атомних площин з кристала графіту, потім стали робити все більш і більш тонкі пластинки, поки не отримали одноатомний шар, тобто графен.
Графен давно, з середини ХХ століття, розглядали теоретики. Вони ж і ввели сама назва двовимірного вуглецевого матеріалу. Саме графен став у теоретиків (задовго до його експериментального отримання) відправною точкою для розрахунку властивостей інших форм вуглецю - графіту, нанотрубок, фулеренів. Він же і найбільш добре теоретично описаний. Звичайно, якісь ефекти, виявлені тепер експериментально, теоретики просто не розглядали. Електрони в графені поводяться подібно релятивістським часткам. Але нікому в голову раніше не приходила ідея вивчати, як буде виглядати ефект Холла в разі релятивістських частинок. Ми виявили новий тип квантового ефекту Холла, який з'явився одним з перших яскравих підтверджень унікальність електронної підсистеми в графені. Те ж можна сказати про властиві графену парадоксі Клейна, відомому з фізики високих енергій. У традиційних напівпровідниках або металах електрони можуть туннелировать крізь потенційні бар'єри, але з ймовірністю істотно менше одиниці. У графені електрони (подібно релятивістським часткам) проникають навіть крізь нескінченно високі потенційні бар'єри безвідбивачевий.
- Чому вважалося, що двовимірний вуглецевий матеріал (графен) буде нестійкий при кімнатній температурі? І як тоді його вдалося отримати?
- Ранні роботи теоретиків, в яких показана нестійкість двовимірних матеріалів, ставилися до нескінченної ідеальної двовимірної системі. Пізніші роботи показали, що в двовимірної системі все-таки може існувати дальній порядок (який притаманний кристалічним тілам. - Прим. Ред.) При кінцевій температурі (кімнатна температура для кристала - досить низька температура). Реальний же графен в підвішеному стані все ж, мабуть, не ідеально плоский, він злегка хвилястий - висота підняттів в ньому порядку нанометра. В електронний мікроскоп ці «хвилі» не видно, але є інші їх підтвердження.
- Графен - це напівпровідник, якщо я правильно розумію. Але подекуди я знаходжу визначення - напівметал. До якого ж класу матеріалів він відноситься?
- Напівпровідники мають заборонену зону певної ширини. У графена вона - нульова. Так що його можна назвати полупроводником з нульовою забороненою зоною або ж напівметал з нульовим перекриттям зон. Тобто він займає проміжне положення між напівпровідниками і напівметал.
- Подекуди в популярній літературі згадується про інших двовимірних матеріалах. Пробувала ваша група отримати будь-які з них?
- Буквально через рік після отримання графена ми отримали двовимірні матеріали з інших шаруватих кристалів. Це, наприклад, нітрид бору, деякі діхалькогеніди, високотемпературний надпровідник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Вони не повторювали властивостей графена - одні з них взагалі були діелектриками, інші мали дуже низьку провідність. Багато дослідницькі групи в світі займаються вивченням двовимірних матеріалів. Зараз ми використовуємо нітрид бору в якості підкладки для графенових структур. Виявилося, це радикально покращує властивості графена. Також, якщо говорити про застосування графена для створення композитних матеріалів, нітрид бору тут один з головних його конкурентів.
- Які існують методи отримання графена найбільш перспективними?
- На мій погляд, зараз існують два таких основних методу. Перший - це зростання на поверхні плівок деяких рідкоземельних металів, а також міді і нікелю. Потім графен треба перенести на інші підкладки, і це вже навчилися робити. Дана технологія переходить в стадію комерційних розробок.
Інший метод - вирощування на карбіті кремнію. Але добре б навчитися вирощувати графен на кремнії, на якому побудована вся сучасна електроніка. Тоді б розробка графенових пристроїв пішла б семимильними кроками, оскільки графенову електроніка природним шляхом розширила б функціональні можливості традиційної мікроелектроніки.
Як взагалі народилася ідея отримати двовимірний вуглецевий матеріал?У зв'язку з чим?
Очікували будь-які незвичайні властивості у цієї форми вуглецю?
Чому вважалося, що двовимірний вуглецевий матеріал (графен) буде нестійкий при кімнатній температурі?
І як тоді його вдалося отримати?
До якого ж класу матеріалів він відноситься?
Пробувала ваша група отримати будь-які з них?
Які існують методи отримання графена найбільш перспективними?