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

Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies
«У русских отличное чувство юмора!» «У русских отличное чувство юмора!»

Фелисе Янкелль — о карантине, материнстве и русских

OK!
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Царь-Фараон Царь-Фараон

История наград Жана-Батиста-Луи барона де Кроссара

Дилетант
Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Химера, олицетворявшая глобализацию Химера, олицетворявшая глобализацию

Новую эпоху определит конфронтация США и Китая

Огонёк
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
Статус «все сложно»: знакомьтесь, нью-йоркский бренд Vaquera Статус «все сложно»: знакомьтесь, нью-йоркский бренд Vaquera

Эксперты не определились, можно ли считать Vaquera модным брендом

GQ
Куда исчез Тунгусский метеорит: самые смелые и оригинальные гипотезы Куда исчез Тунгусский метеорит: самые смелые и оригинальные гипотезы

Почему никто не может найти кратер таинственного Тунгусского метеорита?

ТехИнсайдер
7 самых обязательных фильмов с Клинтом Иствудом 7 самых обязательных фильмов с Клинтом Иствудом

31 мая любого года мы все отпразднуем день рождения Клинт Иствуда

Maxim
Криптовалюты. Поколение второе Криптовалюты. Поколение второе

От «цифрового золота» к полноценным деньгам

Популярная механика
Остаться в стороне? Остаться в стороне?

Как быть, если муж твоей подруги абьюзер?

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

Как перестать вязнуть в этом болоте негатива

Psychologies
Маргарет Грэм: Война. Истерли Холл Маргарет Грэм: Война. Истерли Холл

Отрывок из романа Маргарет Грэм о сложном военном времени

СНОБ
Джозеф Стиглиц: Глобальное сотрудничество в 21 веке. Отрывок из книги Джозеф Стиглиц: Глобальное сотрудничество в 21 веке. Отрывок из книги

Почему Америка и другие страны прибывают в затяжном экономическом кризисе

СНОБ
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
25 лучших фильмов о Второй мировой войне 25 лучших фильмов о Второй мировой войне

Обязательный список фильмов о Второй мировой войне

Maxim
Судный день: пять способов моментально уничтожить Землю Судный день: пять способов моментально уничтожить Землю

Самые апокалиптичные сценарии, которые могут превратить любой день в судный

Популярная механика
От обрушения рынка ипотеки сильнее всех пострадали Альфа-банк и ВТБ От обрушения рынка ипотеки сильнее всех пострадали Альфа-банк и ВТБ

Рынок ипотеки в апреле рухнул почти на треть

Forbes
Оральные контрацептивы и гормон любви - какова связь Оральные контрацептивы и гормон любви - какова связь

Как влияют на эмоции женщины противозачаточные таблетки?

Популярная механика
Хитрая схема: почему бензин в России не дешевеет даже при ценах на нефть, как в 2000-х Хитрая схема: почему бензин в России не дешевеет даже при ценах на нефть, как в 2000-х

Нефтяные котировки рухнули до уровней 2000-х, а цены на бензин не снижаются

Forbes
Музыка тёмной материи: можно ли услышать “песню” невидимой Вселенной Музыка тёмной материи: можно ли услышать “песню” невидимой Вселенной

Что особенного в темной материи?

Популярная механика
Итальянские каникулы Итальянские каникулы

Квартира, оформленная с уважением к итальянским традициям

AD
Родные... и чужие Родные... и чужие

Нередко братья и сестры не ладят и даже испытывают неприязнь друг к другу

Лиза
Колоссальная неопределенность: от чего зависит курс рубля и что с ним будет к концу года Колоссальная неопределенность: от чего зависит курс рубля и что с ним будет к концу года

От чего зависят валютные курсы, надолго ли доллар останется главной валютой мира

Forbes
Где одеваются современные европейские монархи Где одеваются современные европейские монархи

В каких рубашках ходит принц Чарльз, и у кого заказывает костюмы король Филипп

GQ
«Сейчас нет никого, кто бы не чувствовал себя уязвимым». Юлий Дубов о Босове, Быкове, Березовском и других героях «лихих 90-х» и дней сегодняшних «Сейчас нет никого, кто бы не чувствовал себя уязвимым». Юлий Дубов о Босове, Быкове, Березовском и других героях «лихих 90-х» и дней сегодняшних

«Сноб» побеседовал с российским предпринимателем и писателем Юлием Дубовым

СНОБ
Далеко не первая Далеко не первая

Если ты выбрала «мужчину с прошлым», в браке будет маячить призрак его бывшей

Cosmopolitan
Яблоко раздора, или Почему растет живот Яблоко раздора, или Почему растет живот

Как все-таки избавиться от лишних килограммов в области талии?

Psychologies
Хватит ныть! Хватит ныть!

Вытри слезы – они только мешают справляться с трудностями!

Лиза
Открыть в приложении