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

Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

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

Популярная механика
Пять противоядий от зависти Пять противоядий от зависти

Увидеть в себе «монстра» зависти — значит начать бороться со своей токсичностью

Psychologies
Био-механизм Био-механизм

Пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете

Вокруг света
Вино и голуби Вино и голуби

Отец и сын Пумпянские занялись возрождением виноделия в Лангедоке

Forbes
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
Posh сквош Posh сквош

Сквош — любимый досуг выпускников престижных частных школ

Robb Report
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
Дмитрий Прохоров: Пивоварение как искусство: между техрегламентом и творчеством Дмитрий Прохоров: Пивоварение как искусство: между техрегламентом и творчеством

Крафтовая революция раскрыла творческий потенциал пивоваров

СНОБ
Подлинная история д’Артаньяна Подлинная история д’Артаньяна

Жизнь д’Артаньяна точно нельзя назвать скучной

Дилетант
Та, что помоложе: знаменитости, поменявшие молодых жен на еще более юных Та, что помоложе: знаменитости, поменявшие молодых жен на еще более юных

В творческой среде крепкие и долгие браки — редкость

Cosmopolitan
Сносное жилье Сносное жилье

Как устроена московская реновация и кто уже зарабатывает на ней миллиарды

Forbes
Ранние зародыши мыши не смогли полноценно развиться в космосе Ранние зародыши мыши не смогли полноценно развиться в космосе

Кажется, в этом виновата в большей степени радиация, чем невесомость

N+1
Русский грипп: самая странная пандемия современности Русский грипп: самая странная пандемия современности

Пандемия «красного» гриппа, охватившая мир в 1977-78 гг., остается загадкой

Популярная механика
И мякоть, и косточки: почему оливковое масло такое вкусное И мякоть, и косточки: почему оливковое масло такое вкусное

Священное масло, елей, дар дерева, не боящегося засухи…

Популярная механика
Северная надбавка Северная надбавка

Спустя пять лет Владимир Потанин вновь занял первое место в списке Forbes

Forbes
Ученые нашли способ повысить безопасность квантовой криптографии Ученые нашли способ повысить безопасность квантовой криптографии

Разработан способ повысить уровень защищенности квантовой криптографии

Популярная механика
Облегчить, нельзя вылечить Облегчить, нельзя вылечить

Рассказываем об эффективности (и бесполезности) плацебо

N+1
Посягнули на святое: что делать, если вам сокращают зарплату во время пандемии Посягнули на святое: что делать, если вам сокращают зарплату во время пандемии

Как вести себя, если руководство объявило, что ваш доход придется сократить

Forbes
Как приготовить шампиньоны на мангале: лучшие рецепты грибного шашлыка Как приготовить шампиньоны на мангале: лучшие рецепты грибного шашлыка

Шампиньоны на мангале или гриле — одна из самых шикарных закусок

Playboy
Те же грабли: чем 2020-й будет напоминать начало 1990-х Те же грабли: чем 2020-й будет напоминать начало 1990-х

С такой ситуацией экономика РФ имела дело лишь в 1992-м

Forbes
Мира, труд, май Мира, труд, май

Как Мирослава Дума с единомышленниками создали модный бренд будущего

Vogue
5 фантастических историй о конфликтах за ресурсы Солнечной системы 5 фантастических историй о конфликтах за ресурсы Солнечной системы

Книги, в которых разворачиваются конфликты из-за космических ресурсов

Популярная механика
Увлечение серьезных людей. Почему сейчас самое время играть в видеоигры и не стесняться этого Увлечение серьезных людей. Почему сейчас самое время играть в видеоигры и не стесняться этого

Почему именно видеоигры помогут в самоизоляции сохранить душевное спокойствие

Forbes
Гендерный дисбаланс: сколько на самом деле женщин среди инвесторов и предпринимателей Кремниевой Долины Гендерный дисбаланс: сколько на самом деле женщин среди инвесторов и предпринимателей Кремниевой Долины

Как обстоят дела с женским предпринимательством в Кремниевой Долине

Forbes
7 подкастов о том, как бизнесмены и стартаперы переживают кризис и пандемию 7 подкастов о том, как бизнесмены и стартаперы переживают кризис и пандемию

Подкасты про бизнес, где звучат голоса тех, кто сейчас работает на износ

Forbes
Летучие мыши ни при чем: в Китае нашли нулевую пациентку, с которой началась эпидемия Летучие мыши ни при чем: в Китае нашли нулевую пациентку, с которой началась эпидемия

Расследование пути передачи инфекции в Китае привело к женщине

Домашний Очаг
«Ненавижу машины, которые напоминают мне Брежнева», и другие незабвенные цитаты Джереми Кларксона «Ненавижу машины, которые напоминают мне Брежнева», и другие незабвенные цитаты Джереми Кларксона

Джереми Кларксон о любви и ненависти к автомобилям и людям

Maxim
Эректильная дисфункция у мужчин: основные симптомы, причины и лечение Эректильная дисфункция у мужчин: основные симптомы, причины и лечение

Эректильная дисфункция — проблема, которую нельзя игнорировать

Playboy
Война, родившая джип Война, родившая джип

Наибольшее число типов армейского автотранспорта породила Вторая мировая война

Популярная механика
Двойной шок: экономический кризис из-за пандемии может пойти не по тому сценарию, к которому готовятся страны Двойной шок: экономический кризис из-за пандемии может пойти не по тому сценарию, к которому готовятся страны

Этот экономический кризис, вызванный пандемией, может пойти по другому сценарию

Forbes
Открыть в приложении