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

6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

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

Как перестать вязнуть в этом болоте негатива

Psychologies
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

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

Psychologies
Пятиминутный путеводитель по гастрономическим войнам Пятиминутный путеводитель по гастрономическим войнам

Почему обычные рецепты могут перссорить народы?

Esquire
Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Нарочно не придумаешь Нарочно не придумаешь

Миланская квартира Ханнеса Пира напоминает исторический роман

AD
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
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
Песня разлуки Песня разлуки

Мы прощаемся со многими людьми… И нам приходится учиться жить с этим

Psychologies
Создан алгоритм, предсказывающий поведение кубитов под влиянием шума Создан алгоритм, предсказывающий поведение кубитов под влиянием шума

Как эффективно управлять динамикой квантовых битов при наличии внешних шумов?

Популярная механика
Сторож Мардая Сторож Мардая

Этот секретный поселок в Монголии не нанесен на карты

Вокруг света
Сенсоры холода помогли дрозофилам с полезной ленью Сенсоры холода помогли дрозофилам с полезной ленью

Благодаря ним мухи отреагировали на длительные изменения условий

N+1
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
«Это ловушка для водителей». Штрафы за среднюю скорость пропишут в КоАП «Это ловушка для водителей». Штрафы за среднюю скорость пропишут в КоАП

Минюсту предложили добавить в КоАП штрафы за превышение средней скорости

РБК
«Мне хочется узнать себя» «Мне хочется узнать себя»

Зоя Бербер — о борьбе со стереотипами и новых проектах

OK!
«Я без тебя умру»: 10 признаков созависимости «Я без тебя умру»: 10 признаков созависимости

Что поможет противостоять «психологическому хищнику»

Psychologies
«Опыт и немного визионерства»: почему венчуру нужно избавляться от стереотипов и больше инвестировать в женщин «Опыт и немного визионерства»: почему венчуру нужно избавляться от стереотипов и больше инвестировать в женщин

Как гендерный дисбаланс мешает развитию инвестиций

Forbes
Ариане: «Сын есть творение» Ариане: «Сын есть творение»

Спор о Троице, поднявшийся в начале IV века, оказался судьбоносным

Weekend
Как выглядит электромагнитное излучение: от радио до гамма-лучей Как выглядит электромагнитное излучение: от радио до гамма-лучей

Что изменилось бы в восприятии мира вокруг нас, если бы наши глаза видели фотоны

Популярная механика
Пять минут — не опоздание. Почему русские и иностранцы по-разному планируют свое время Пять минут — не опоздание. Почему русские и иностранцы по-разному планируют свое время

Как составлять расписание и распределять время в общении с зарубежными коллегами

Forbes

Мифы о китайских фабриках развеяла дизайнер Екатерина

Esquire
«Сестра четырех». Отрывок из пьесы Евгения Водолазкина про карантин «Сестра четырех». Отрывок из пьесы Евгения Водолазкина про карантин

Фрагмент из «Сестры четырех» — ироничной и абсурдной пьесы

Forbes
Трофей противника: тест-драйв танка Трофей противника: тест-драйв танка

«Популярная механика» прокатилась на знаменитом немецком танке "Пантера"

Популярная механика
Изменение климата сократило ареал летнего размножения мигрирующих видов птиц Изменение климата сократило ареал летнего размножения мигрирующих видов птиц

Распределение птиц, которые улетают зимовать в Америку, уменьшилось

N+1
Хорошее дело Хорошее дело

Для четырех наших героинь помощь другим стала делом жизни

Cosmopolitan
Lexus покоряет Байкал: лед, вода и медные трубы Lexus покоряет Байкал: лед, вода и медные трубы

Тест-драйв Lexus в экстремальных условиях

Maxim
Выбить дурь: как устроена работа агента Управления по борьбе с наркотиками США, работающего под прикрытием Выбить дурь: как устроена работа агента Управления по борьбе с наркотиками США, работающего под прикрытием

Жизнь агента под прикрытием, отмывание денег и фальшивая свадьба

Esquire
7 привычек собак и что они означают 7 привычек собак и что они означают

Так вот что собака имела ввиду, сказав «Мяу»

Maxim
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
Год без Победы. Как пандемия повлияет на память о войне Год без Победы. Как пандемия повлияет на память о войне

Впервые за два десятилетия, Красная площадь в Москве на 9 мая останется пустой

СНОБ
Открыть в приложении