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

Дышать и двигаться: как связаны тело и эмоции Дышать и двигаться: как связаны тело и эмоции

Эмоции – это еще и телесные переживания, заключенные в какой-то части тела

Домашний Очаг
Убивают ли двигатель топливные присадки? Убивают ли двигатель топливные присадки?

Каждый день на дороги выезжают миллионы машин

4x4 Club
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
7 фактов о фильме «Кошмар на улице Вязов» 7 фактов о фильме «Кошмар на улице Вязов»

В 1984 году, в золотую эпоху фильмов, мы познакомились с Фредди Крюгером

Maxim
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
«Потягушки»: как встать с постели «Потягушки»: как встать с постели

Как, едва проснувшись, сразу задать правильный тон всему дню

Psychologies
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
200 лет на месте 200 лет на месте

Василий Степанов о «Грозе» Григория Константинопольского

Weekend
«Сталин» гудлак «Сталин» гудлак

Александр Горбунов о том, почему спасение утопающих – дело рук самих утопающих

Esquire
«Многие уже отказались от машины». Что происходит с ОСАГО «Многие уже отказались от машины». Что происходит с ОСАГО

Что будет с рынком обязательного автострахования после пандемии

РБК
8 шагов к эмоциональной устойчивости 8 шагов к эмоциональной устойчивости

Среди советов о том, как пережить трудности, мы выбрали 8 самых действенных

Psychologies
Кругосветное путешествие Алексея Камерзанова Кругосветное путешествие Алексея Камерзанова

Африканское дно: из Конго в Конго через Конго

4x4 Club
Как продлить отношения на много лет? Полезное мнение специалиста Как продлить отношения на много лет? Полезное мнение специалиста

Социолог Пеппер Шварц о том, как выстроить хорошие отношения с партнером

Cosmopolitan
Человек-будильник и еще 4 необычные ретрофотографии Человек-будильник и еще 4 необычные ретрофотографии

Хорошо, что человечество изобрело не только фото, но и буквы

Maxim
Дмитрий Михайлов: Почему тема Великой Отечественной войны стала главной в культурной политике государства Дмитрий Михайлов: Почему тема Великой Отечественной войны стала главной в культурной политике государства

У обращения к теме Великой Отечественной войны есть своя политическая логика

СНОБ
Авантюры, джаз и Америка 1920-х: публикуем фрагмент романа «Исповедь моего сердца» Джойс Кэрол Уотс Авантюры, джаз и Америка 1920-х: публикуем фрагмент романа «Исповедь моего сердца» Джойс Кэрол Уотс

Отрывок из саги о семье авантюристов, мошенников и жуликов

Esquire
Боевой раскрас? Как выглядят участницы реалити «Солдатки» на шоу и в жизни Боевой раскрас? Как выглядят участницы реалити «Солдатки» на шоу и в жизни

Героини реалити «Солдатки» рискнули всем, чтобы перевернуть свою жизнь

Cosmopolitan
Любовь Казарновская. Сила судьбы Любовь Казарновская. Сила судьбы

Роберт пришел к атташе по культуре: «У меня приятная новость, я женюсь»

Караван историй
Голое платье, кокошник и измена с прощением: удивительная жизнь Наталии Орейро Голое платье, кокошник и измена с прощением: удивительная жизнь Наталии Орейро

Вспоминаем любопытные моменты из биографии певицы Наталии Орейро

Cosmopolitan
Предсказан новый тип галактик Предсказан новый тип галактик

Ученые поняли, почему крошечной галактике так трудно омолодиться

Популярная механика
Кавер-дуэт Queens: о стабильно «взрывных» песнях на любых корпоративах и раскрепощенных бюджетниках Кавер-дуэт Queens: о стабильно «взрывных» песнях на любых корпоративах и раскрепощенных бюджетниках

Интервью с солистками @girlsband.ru Татьяной и Анастасией

Playboy
Разработчик поиска на сайтах и психологи для сотрудников: 25 стартапов — будущих «единорогов» по версии Forbes Разработчик поиска на сайтах и психологи для сотрудников: 25 стартапов — будущих «единорогов» по версии Forbes

Список компаний, оценка которых в ближайшее время может превысить $1 млрд

VC.RU
Поток метана от арктических морей: Взгляд из космоса Поток метана от арктических морей: Взгляд из космоса

Какова роль метана в потеплении Арктики?

Наука и жизнь
Тяжелее, когда легче: неочевидные последствия похудения Тяжелее, когда легче: неочевидные последствия похудения

Какие трудности могут возникнуть после достижения желанного результата

Psychologies
Мощные и изящные: 10 легендарных американских маслкаров Мощные и изящные: 10 легендарных американских маслкаров

Немногие автомобили превосходят маслкары по сочетанию красоты и мощи

Популярная механика
Как ухаживать за стиральной машинкой, чтобы она работала с максимальной отдачей Как ухаживать за стиральной машинкой, чтобы она работала с максимальной отдачей

Каждая стирка — очередное разочарование?

Cosmopolitan
11 продуктов, которые могут заменить друг друга на кухне 11 продуктов, которые могут заменить друг друга на кухне

Покажи всем этим Джейми Оливерам, кто на кухне шеф-повар!

Maxim
Интерьер с харизмой Интерьер с харизмой

Яркий интерьер, главным героем которого стала кухня глубокого синего цвета

SALON-Interior
Сколько людей какие животные убивают за год (анимированная статистика) Сколько людей какие животные убивают за год (анимированная статистика)

Какие животные самые смертоносные для человека?

Maxim
Почему объявленные в России нерабочие дни требуют от компаний платить больше, чем раньше Почему объявленные в России нерабочие дни требуют от компаний платить больше, чем раньше

В трудовом праве явочным порядком появилось новое понятие — «нерабочие дни»

Forbes
Открыть в приложении