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

Даже если вам немного за 30 Даже если вам немного за 30

Как построить отношения и найти свою половинку в зрелом возрасте

Psychologies
10 сериалов для тех, кто устал от классических сериалов 10 сериалов для тех, кто устал от классических сериалов

Десяток сериалов, которые изменят ваше отношение к привычным форматам

Esquire
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

Как видеть в жизни хорошее, не вступая в противоречие со здравым смыслом

Psychologies
Городам казалось, будто их опять занимают немцы: история уникального гоночного грузовика Mercedes-Benz Городам казалось, будто их опять занимают немцы: история уникального гоночного грузовика Mercedes-Benz

Не только быстро, но и красиво

Maxim
Одержимый царь Одержимый царь

Победа в Полтавской битве стала возможной только благодаря железной воле Петра I

Дилетант
Memento Vivere Memento Vivere

Фантастический рассказ о странном пациенте Крисе

Наука и жизнь
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
«Абсолютная пустышка»: что российские политики и бизнесмены говорили об Илоне Маске и его проектах «Абсолютная пустышка»: что российские политики и бизнесмены говорили об Илоне Маске и его проектах

Илон Маск готовится запустить людей на орбиту на частном корабле

Forbes
Астральное дело Астральное дело

4 самые фантасмагорические народные теории о Юрии Гагарине

Esquire
«Изетта»: итальянский карлик, который спас BMW от банкротства «Изетта»: итальянский карлик, который спас BMW от банкротства

На лицо ужасный, зато руки у него золотые…

Maxim
Чёрный передел: версия 1939 года Чёрный передел: версия 1939 года

Секретный протокол к Пакту о ненападении

Дилетант
Проявить внимание Проявить внимание

Снимки, сделанные в СССР и России с конца 1940-х до наших дней

Esquire
Как на праздник: самые необычные профессии в мире Как на праздник: самые необычные профессии в мире

Резюме этих высококвалифицированных спецов скучными точно не назовешь

Популярная механика
Что посеешь: научные факты о мужском семени Что посеешь: научные факты о мужском семени

Как много вы знаете об этих смешных извилистых клетках?

Популярная механика
Как прекратить бесконечные чаепития и перерывы в компании? Введите «внутренюю валюту» Как прекратить бесконечные чаепития и перерывы в компании? Введите «внутренюю валюту»

Как заставить всех сотрудников компании работать эффективно?

Forbes
Сотрудничество с друзьями помогло макакам снизить стресс Сотрудничество с друзьями помогло макакам снизить стресс

Уровень кортизола у макак снижается, если они находятся рядом с сородичем

N+1
День, когда я перестала стыдиться, что моя мама пьет День, когда я перестала стыдиться, что моя мама пьет

Родственников, злоупотребляющих алкоголем, принято стесняться

Psychologies
«Брату-2» — 20 лет. Вспоминаем автомобили культового фильма «Брату-2» — 20 лет. Вспоминаем автомобили культового фильма

Автомобили, снявшиеся в одном из самых знаменитых российских фильмов

РБК
15 актеров рассказывают о своих 15-ти любимых фильмах 15 актеров рассказывают о своих 15-ти любимых фильмах

Настоящие актеры не смотрят кино, иначе не останется времени на вечеринки

Maxim
Пенсионный фонд: самые долгоживущие организмы на планете Пенсионный фонд: самые долгоживущие организмы на планете

Некоторые из живых организмов на нашей планете живут вечно

Популярная механика
Разрушительная скупость. Как подготовка к затяжному кризису делает этот кризис затяжным Разрушительная скупость. Как подготовка к затяжному кризису делает этот кризис затяжным

Драматическое сокращение спроса в экономике

СНОБ
Александр Дворкин: Унесенный Эрманом. Какая книга заставила священника Усатова отречься от веры Александр Дворкин: Унесенный Эрманом. Какая книга заставила священника Усатова отречься от веры

Монолог бывшего священника, в котором он объясняет мотивы своего отказа от сана

СНОБ
«Я заработал 173%»: как инвесторы смогли получить прибыль от отрицательных цен на нефть «Я заработал 173%»: как инвесторы смогли получить прибыль от отрицательных цен на нефть

Кто и как смог заработать на рекордном падении нефтяных цен

Forbes
Что делать, если на лобовом стекле появился скол. Варианты ремонта Что делать, если на лобовом стекле появился скол. Варианты ремонта

Какие повреждения ветрового стекла можно отремонтировать и как это сделать

РБК
«Рождение таблетки. Как четверо энтузиастов переоткрыли секс и совершили  революцию» «Рождение таблетки. Как четверо энтузиастов переоткрыли секс и совершили  революцию»

Кто такая Сэнгер, Пинкус знал, да и почти вся Америка знала

N+1
10 шагов к пониманию Дэвида Линча 10 шагов к пониманию Дэвида Линча

Разбираемся, как понимать пресловутую линчевскую иносказательность

Esquire
Каково это — едва не погибнуть, снимая войну в Афганистане. Прямая речь фотокорреспондента The New York Times Жуана Сильвы Каково это — едва не погибнуть, снимая войну в Афганистане. Прямая речь фотокорреспондента The New York Times Жуана Сильвы

Фотокорреспондент рассказывает о том, как он стал инвалидом в Афганистане

Esquire
Вся правда о глютене: мифы и факты Вся правда о глютене: мифы и факты

Что это за таинственное вещество, которое так испугало мировую общественность?

Популярная механика
Вышел сериал «Сквозь снег» — новая адаптация триллера Пона Джун Хо. Увы, до оригинала ему очень далеко Вышел сериал «Сквозь снег» — новая адаптация триллера Пона Джун Хо. Увы, до оригинала ему очень далеко

Сериал «Сквозь снег» — 10-серийный ремейк одноименного триллера Пона Джун Хо

Esquire
6 вредных финансовых привычек, которые портят тебе жизнь (и мешают разбогатеть) 6 вредных финансовых привычек, которые портят тебе жизнь (и мешают разбогатеть)

Истинные причины, почему деньги утекают сквозь пальцы

Playboy
Открыть в приложении