Графен препятствует инженерам, но не запрещает одежде быть высокотехнологичной

N+1Hi-Tech

Гетероструктурные меньшинства

Как запрещенная зона графена препятствует инженерам, но не запрещает одежде быть высокотехнологичной

Кьяра Макиевская

0:00 /
1324.643

Графен раньше — теоретическая модель, реальное существование которой оспаривалось из-за бесконечного роста флуктуации параметра порядка вместе с ростом размера двумерного объекта. Графен сейчас — существующая двумерная аллотропная модификация углерода с рекордной теплопроводностью и подвижностью носителей заряда. Даже несмотря на отсутствие запрещенной зоны у графена, его можно использовать в нанотехнологиях в составе гетероструктур. Однако сейчас области применения графена не ограничиваются изготовлением транзисторов – его можно даже носить на себе. Об этом, а также о других двумерных материалах и их гетероструктурах N + 1 рассказывает вместе с KRAKATAU.

В 1935-1937 годах Лев Ландау и Рудольф Пайерлс, отцы-основатели современной теоретической физики, а позже и Дэвид Мермин и Герберт Вагнер математически показали неустойчивость существования одно- и двумерных кристаллов при конечной температуре. Согласно выкладкам ученых, в двумерных протяженных системах невозможно существование кристаллографического дальнего порядка из-за расходимости тепловых флуктуаций. Сейчас это утверждение известно как теорема Ландау-Пайерлса (Мермина-Вагнера).

Атомы в тонкой пленке не могут сформировать кристаллическую решетку, поскольку тепловые колебания — фононы — с большой длиной волны этот порядок разрушат. Проще говоря, кристалл не смог бы лежать в одной плоскости, он обязательно должен был бы смяться или свернуться в трубочку.

В 2004 году Андрею Гейму и Константину Новосёлову удалось экспериментально получить графен путем его отслаивания с графита при помощи простой липкой ленты. В 2010 году они были удостоены Нобелевской премии «за передовые опыты с двумерным материалом — графеном». Но значит ли это, что великие физики-теоретики ошибались?

Двумерный графен в трехмерном мире

Оказалось, что теорема Ландау-Пайерлса была выведена в гармоническом приближении. Более строгое рассмотрение вопроса о существовании дальнего порядка в двумерных системах показало, что с учетом ангармонических вкладов в таких системах может существовать квазидальний порядок. Из-за ангармонической связи изгибных колебаний и сжатия вдоль двумерной мембраны она не сминается, но на ней появляется рябь, своеобразные выпуклости, бугорки. В некотором смысле двумерные кристаллы все-таки находятся в трехмерном пространстве и благодаря этому остаются термодинамически стабильными.

Работа Гейма и Новосёлова пробудила новую волну интереса к двумерным материалам среди ученых всего мира. Оказалось, что кристаллы атомарной толщины, в первую очередь графен, обладают рядом интересных уникальных свойств, объясняемых особенностями строения на уровне атомов.

Лист графена очень напоминает плотно сомкнутые соты. Гексагональная решетка из атомов углерода возникает из-за того, что три из четырех электронов образуют соединение со своими «соседями». Орбиталь четвертого электрона перпендикулярна по отношению к плоскости графена. Связанные электроны обеспечивают прочность решетки, в то время как несвязанный электрон обеспечивает течение тока и, как следствие, придает графену высокую тепло- и электропроводность.

Самое удивительное свойство графена заключается в том, что электроны в нем подчиняются законам квантовой электродинамики, имеют нулевую массу покоя и подобны релятивистским частицам. Релятивистская физика имеет дело с частицами, имеющими околосветовые скорости. Но свойства графена обусловлены не столько околосветовыми скоростями, сколько симметрией кристаллической решетки. Из-за этого электроны в графене описываются уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера, традиционно рассматриваемого в твердотельной физике.

Дети кремниевой долины

Благодаря описанным свойствам графен может рассматриваться как перспективный материал для использования в наноэлектронике, в том числе как альтернатива кремниевым транзисторам. Вспомним принципы их устройства.

Физика твердых тел описывает материалы с помощью зонной теории. В каждом атоме есть валентная зона и зона проводимости. Когда эти две зоны пересекаются, электроны могут спокойно прыгать между уровнями, орбиталями и атомами — так получаются проводники. Когда между двумя зонами есть щель (запрещенная зона), электроны не могут двигаться. Материалы такого вида называются изоляторами (диэлектриками). Однако в случае, когда запрещенная зона небольшая, при определенных условиях электроны могут перемещаться на соседний атом. Такие материалы называются полупроводниками.

Транзисторы изготавливаются из полупроводников, например, кремния. Каждый атом кремния способен образовывать пару с четырьмя соседними атомами кремния, так как содержит четыре валентных электрона. Такая связь является ковалентной. Все электроны кремния находятся в своей валентной зоне. Электронам необходимо поглотить некоторое количество энергии, чтобы кремний мог проводить электричество.

Для повышения электропроводности полупроводников применяется метод легирования (не путать с лигированием – наложением лигатуры на кровеносные сосуды или же соединением двух молекул нуклеиновых кислот с участием фермента ДНК-лигазы). Заключается метод в введении небольших количеств примесей с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

100 самых сексуальных женщин страны: 100-53 100 самых сексуальных женщин страны: 100-53

Итоговый рейтинг «100 самых сексуальных женщин страны – 2019»

Maxim
Пещерные львы навсегда расстались со своими собратьями полмиллиона лет назад Пещерные львы навсегда расстались со своими собратьями полмиллиона лет назад

Что показало масштабное исследование эволюции современных и вымерших львов

N+1
Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies
Как изменится туризм после пандемии: 8 прогнозов от тревел-экспертов Как изменится туризм после пандемии: 8 прогнозов от тревел-экспертов

Когда-нибудь мы вновь отправимся путешествовать, но немного по-другому

Playboy
Что говорят о нас отношения с деньгами Что говорят о нас отношения с деньгами

По тому, как человек относится к деньгам, можно определить его образ мышления

Psychologies
Лайфхаки для хозяйки Лайфхаки для хозяйки

Как быстро и легко все отмыть, отчистить, отстирать и приготовить

Лиза
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
«Теперь работать будем в два раза больше»: Касперский о последствиях пандемии, «русском Илоне Маске» и Zoom «Теперь работать будем в два раза больше»: Касперский о последствиях пандемии, «русском Илоне Маске» и Zoom

Разговор о бизнесе с российским программистом и бизнесменом Евгением Касперским

Forbes
BMW X5 Diamond. Первый автомобиль нового бренда BMW X5 Diamond. Первый автомобиль нового бренда

BMW X5 Diamond — автомобиль, вызывающий уважение

4x4 Club
Отрывок романа классика фэнтези Вонды Макинтайр «Луна и Солнце» — и обращение ее коллеги по жанру к российским читателям Отрывок романа классика фэнтези Вонды Макинтайр «Луна и Солнце» — и обращение ее коллеги по жанру к российским читателям

Фрагмент из книги Вонды Макинтайр — классика литературы в жанрах фэнтези

Esquire
Правила идеальной лжи: как говорить неправду и выглядеть убедительным Правила идеальной лжи: как говорить неправду и выглядеть убедительным

Обманывать так, чтобы другие поверили, — это тоже своего рода искусство

Psychologies
Создан новый инструмент для диагностики аутоиммунных заболеваний Создан новый инструмент для диагностики аутоиммунных заболеваний

Биосенсер не только измеряет концентрацию антител, но и определяет их активность

Популярная механика
Русская чайная машина братьев Баташевых Русская чайная машина братьев Баташевых

В 1909 году Тулу взбаламутили слухи о проезде через город императорской семьи

Караван историй
Для вечеринок и секса: как креативная студия из Калифорнии создала защитный костюм для жизни после карантина Для вечеринок и секса: как креативная студия из Калифорнии создала защитный костюм для жизни после карантина

Micrashell — высокотехнологичный защитный костюм будущего

Forbes
6 правил воспитания «трудных» подростков 6 правил воспитания «трудных» подростков

Как общаться с подростками, чтобы заглянуть им в душу и не потерять их уважение?

Psychologies
Сонька Золотая Ручка: 10 фактов из биографии знаменитой мошенницы Сонька Золотая Ручка: 10 фактов из биографии знаменитой мошенницы

Разбираемся в биографии королевы преступного мира

Cosmopolitan
Революция уже в пути. Или нет, возможно Революция уже в пути. Или нет, возможно

Отношение к покупкам в интернете останется непредсказуемым

VC.RU
Последние китайские предупреждения: можно ли использовать опыт КНР для выхода из кризиса в торговле? Последние китайские предупреждения: можно ли использовать опыт КНР для выхода из кризиса в торговле?

Ретейл в Китае возвращается к жизни после карантинных ограничений

Forbes
6 женщин, изменивших автомобильную индустрию 6 женщин, изменивших автомобильную индустрию

Многим изобретениям, ставшим неотъемлемой частью автомобиля, мир обязан женщинам

Популярная механика
Что такое интроекции и чем вредны чужие убеждения Что такое интроекции и чем вредны чужие убеждения

Почему интроекции вредят нашему благополучию и как научиться ими управлять

РБК
Преступные сети: как устроено современное браконьерство Преступные сети: как устроено современное браконьерство

Сотрудник береговой охраны о браконьерстве: почему оно выгодно всем

Esquire
Вспоминая Канны: экспериментальные платья и веселые выходы на кинофестивалях 1966–1976 годов Вспоминая Канны: экспериментальные платья и веселые выходы на кинофестивалях 1966–1976 годов

Лучшие выходы на красные дорожки фестиваля разных лет

Esquire
Питались солнцем и заманивали в секс-рабство: в каких сектах состояли звезды Питались солнцем и заманивали в секс-рабство: в каких сектах состояли звезды

Cреди известных актеров довольно часто встречаются сектанты

Cosmopolitan
Гигантский прыжок космического капитализма: что значит для бизнеса отправка астронавтов Илоном Маском Гигантский прыжок космического капитализма: что значит для бизнеса отправка астронавтов Илоном Маском

Миссия SpaceX — важный символ победы частного капитала

Forbes
Джордж Мартин: «Я хочу, чтобы читатели чувствовали себя так, будто в их семье кто-то умер» Джордж Мартин: «Я хочу, чтобы читатели чувствовали себя так, будто в их семье кто-то умер»

Джордж Мартин о «Властелине колец», видеоиграх и дорнийских женщинах

Esquire
Жирные кислоты и насыщенные углеводороды сделали крылья цикад бактерицидными Жирные кислоты и насыщенные углеводороды сделали крылья цикад бактерицидными

Химический состав крылышек важен не меньше, чем рельеф их поверхности

N+1
Небесная реанимация: летающая скорая помощь Атаманова Небесная реанимация: летающая скорая помощь Атаманова

О проектах российской компании Hoversurf наш журнал рассказывал не раз

Популярная механика
Для рывка: все о пользе и вреде пива Для рывка: все о пользе и вреде пива

Чего в пиве хорошего, а чего плохого, и вообще — вредно пиво в итоге или полезно

Популярная механика
Диванный эксперт Диванный эксперт

Худейте, лёжа на диване

Худеем правильно
Ким Чен Ын и его автомобили. На чем ездят в Северной Корее Ким Чен Ын и его автомобили. На чем ездят в Северной Корее

Примечательные факты о машинах Ким Чен Ына и простых граждан Северной Кореи

РБК
Открыть в приложении