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

Я хочу, чтобы меня любили Я хочу, чтобы меня любили

Быть любимыми – это условие выживания, потому что любовь – не просто чувство

Psychologies
Без наркотиков и гипноза: на какие галлюцинации способен наш мозг Без наркотиков и гипноза: на какие галлюцинации способен наш мозг

Наш мозг способен чудить без химического или какого-либо другого воздействия

Популярная механика
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
Как наночастицы золота помогают победить рак Как наночастицы золота помогают победить рак

Наночастицы, которые могут применяться для диагностики и терапии онкозаболеваний

Популярная механика
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

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

Psychologies
Таких не берут в психонавты Таких не берут в психонавты

Стинг, Бен Стиллер и принцесса Лея рассказывают, как употребляли галлюциногены

СНОБ
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
Тилар Маццео: Дети Ирены Тилар Маццео: Дети Ирены

Отрывок из книги Тилара Маццео о польской героине Ирене Сендлер

СНОБ
Удовольствие по щелчку Удовольствие по щелчку

Откуда взялась мода на селфи и почему все люди делают это

Вокруг света
«В России любят миловать»: как Регина Тодоренко потеряла десятки миллионов рублей, но завоевала тысячи новых подписчиков «В России любят миловать»: как Регина Тодоренко потеряла десятки миллионов рублей, но завоевала тысячи новых подписчиков

Как быстрые и правильные шаги помогли Регине Тодоренко восстановить репутацию

Forbes
Путь «диктатора» Путь «диктатора»

Почему князь Трубецкой не пришёл на Сенатскую площадь?

Дилетант
Гениальное советское такси, которое не оценили Гениальное советское такси, которое не оценили

История такси ВНИИТЭ-ПТ

Maxim
Стойте, полиция! Как женщине путешествовать по Ирану в одиночку Стойте, полиция! Как женщине путешествовать по Ирану в одиночку

Исторические места Древняя Персия, нефтяные месторождения и остров Киш

Forbes
«На такие условия на входе никто бы не согласился»: почему не все инвесторы Telegram довольны Павлом Дуровым «На такие условия на входе никто бы не согласился»: почему не все инвесторы Telegram довольны Павлом Дуровым

Что команда Павла Дурова предложила инвесторам?

Forbes
Гигантские хищные динозавры оказались марафонцами Гигантские хищные динозавры оказались марафонцами

В зависимости от размера динозавры использовали разные стратегии перемещения

N+1
Попасть в историю: 6 новых исторических романов, которые стоит прочитать Попасть в историю: 6 новых исторических романов, которые стоит прочитать

Несколько отличных исторических романов

Esquire
«Панцерфауст» всемогущий: миф о немецком чудо-оружие «Панцерфауст» всемогущий: миф о немецком чудо-оружие

Насколько были эффективны немецкие ручные противотанковые гранатомёты?

Популярная механика
Британец воссоздал в виртуальной реальности любимый бар. Он изучил основы 3D с нуля Британец воссоздал в виртуальной реальности любимый бар. Он изучил основы 3D с нуля

Тристан Кросс воссоздал в виртуальной реальности свой любимый паб

Esquire
Иван Грозный и его отряд дрессированных киллеров Иван Грозный и его отряд дрессированных киллеров

Опричники — грозные слуги Ивана Грозного

Maxim
«Я обалдел от масштаба «трагедии»»: стилист Киркорова пришел в шок от его одежды «Я обалдел от масштаба «трагедии»»: стилист Киркорова пришел в шок от его одежды

Стилист Филиппа Киркорова рассказал о первом рабочем дне у артиста

Cosmopolitan
Как пропадают из нашей жизни целые явления Как пропадают из нашей жизни целые явления

Как из жизни пропадают целые явления, а мы этого даже не замечаем

GQ
«Снимаешь для себя, а выходит для истории» «Снимаешь для себя, а выходит для истории»

Весной 1945 года вместе с Красной армией в Берлин вошли фронтовые операторы

Дилетант
25 лучших фильмов, основанных на реальных событиях 25 лучших фильмов, основанных на реальных событиях

25 лучших криминальных фильмов в истории кинематографа

Esquire
3 вопроса, которые превратят проблему в возможность 3 вопроса, которые превратят проблему в возможность

Как перестать вязнуть в этом болоте негатива

Psychologies
«Театр онлайн — это как есть пластиковый огурец». Константин Богомолов снял сериал про карантин на карантине «Театр онлайн — это как есть пластиковый огурец». Константин Богомолов снял сериал про карантин на карантине

Константин Богомолов: о съемках на телефон и «пластмассовом» онлайн-театре

Forbes
День, когда я перестала стыдиться, что моя мама пьет День, когда я перестала стыдиться, что моя мама пьет

Родственников, злоупотребляющих алкоголем, принято стесняться

Psychologies
Львиная доля Львиная доля

Анатолий Цой — о том, каково быть в шкуре Льва

OK!
«Дуров бросил их с криком «Спасайся, кто может»: история краха TON глазами инвестора «Дуров бросил их с криком «Спасайся, кто может»: история краха TON глазами инвестора

Что пошло не так с блокчейн-платформой TON

Forbes
Рыбий жир: доказанная польза для мужчин и рекомендации по употреблению Рыбий жир: доказанная польза для мужчин и рекомендации по употреблению

Пора «подсесть» на рыбий жир?

Playboy
«Нужно избегать жить надеждами» «Нужно избегать жить надеждами»

Актриса Сальма Хайек — о том, как стать супергероиней в 53 года

Огонёк
Открыть в приложении