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 /
-22:04

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

25 вещей, которые на самом деле ненавидят женщины 25 вещей, которые на самом деле ненавидят женщины

Эта статья поможет тебе прожить чуть более счастливую и долгую жизнь

Maxim
Вышел сериал «Сквозь снег» — новая адаптация триллера Пона Джун Хо. Увы, до оригинала ему очень далеко Вышел сериал «Сквозь снег» — новая адаптация триллера Пона Джун Хо. Увы, до оригинала ему очень далеко

Сериал «Сквозь снег» — 10-серийный ремейк одноименного триллера Пона Джун Хо

Esquire
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

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

Psychologies
Ты сможешь! Как вера в ребенка помогает вырастить его счастливым Ты сможешь! Как вера в ребенка помогает вырастить его счастливым

Отрывок из книги Дмитрия Чернышева: какие методики воспитания существовали

Forbes
Одержимый царь Одержимый царь

Победа в Полтавской битве стала возможной только благодаря железной воле Петра I

Дилетант
Mercedes обновил купе и кабриолет E-Class. Все подробности Mercedes обновил купе и кабриолет E-Class. Все подробности

Вслед за седаном и универсалом Е-Класса Mercedes-Benz обновил купе и кабриолет

РБК
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
Галина Щербакова: Женщины в игре без правил Галина Щербакова: Женщины в игре без правил

Отрывок из нового романа Галины Щербаковой о судьбах трех поколений женщин

СНОБ
Обри ди Грей: «Медицина может предложить совершенно другое качество жизни» Обри ди Грей: «Медицина может предложить совершенно другое качество жизни»

Почему богатые не смогут жить дольше бедных, а диктаторы — править вечно

РБК
«В свой Олифан трубит Роланд с трудом…» «В свой Олифан трубит Роланд с трудом…»

Призыв стал последним, что король услышал от своего верного паладина

Дилетант
Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
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
Сам себе дизайнер: 5 способов переделать одежду своими руками (и немного развлечься в процессе) Сам себе дизайнер: 5 способов переделать одежду своими руками (и немного развлечься в процессе)

Как изменить вещи, которые разонравились или обзавелись дефектами

Esquire
Почему они не говорили о войне Почему они не говорили о войне

Те, кто прошел Великую Отечественную войну, мало говорили о ней. Почему?

Psychologies
Итальянские каникулы Итальянские каникулы

Квартира, оформленная с уважением к итальянским традициям

AD
Гости из других миров: как получить образцы с межзвездных объектов Гости из других миров: как получить образцы с межзвездных объектов

Проект по добыче образцов грунта с комет и астероидов получил финансирование

Популярная механика
Лучшие бесплатные программы для проверки компьютера: тестируем компоненты Лучшие бесплатные программы для проверки компьютера: тестируем компоненты

Для тестирования комплектующих ПК есть большое количество специальных утилит

CHIP
Жизнь после карантина. Аll-Terrain для коротких поездок Жизнь после карантина. Аll-Terrain для коротких поездок

Кроссоверы и внедорожники довольно часто обитают в городах

4x4 Club
Ричард Докинз: Высокомерие религии, скромность науки и интеллектуальное и нравственное бесстрашие атеизма Ричард Докинз: Высокомерие религии, скромность науки и интеллектуальное и нравственное бесстрашие атеизма

Отрывок из дискуссии интеллектуалов о вере, атеизме, религии и многом другом

СНОБ
Обнулились: 10 звезд, которые кардинально поменяли имидж Обнулились: 10 звезд, которые кардинально поменяли имидж

Звезды, которые прошли бьюти-перезагрузку

Cosmopolitan
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
Обычные отношения. Как сериал «Нормальные люди» стал манифестом любви миллениалов и поколения Z Обычные отношения. Как сериал «Нормальные люди» стал манифестом любви миллениалов и поколения Z

Сериал «Нормальные люди» стал хитом: его уже посмотрело 16 млн человек

Forbes
«Непонятно, как такое кино продавать зрителю». Режиссер «Папа, сдохни» о провале на родине и  успехе на Западе «Непонятно, как такое кино продавать зрителю». Режиссер «Папа, сдохни» о провале на родине и  успехе на Западе

Кирилл Соколов рассуждает, как находить деньги и зарабатывать на авторском кино

Forbes
Древнее мексиканское озеро стало ловушкой для 60 мамонтов Древнее мексиканское озеро стало ловушкой для 60 мамонтов

Эти мамонты попались в грязевые ловушки и погибли

N+1
7 привычек собак и что они означают 7 привычек собак и что они означают

Так вот что собака имела ввиду, сказав «Мяу»

Maxim
До сих пор работают! Лучшие упражнения из аэробики 90-х от Синди Кроуфорд До сих пор работают! Лучшие упражнения из аэробики 90-х от Синди Кроуфорд

Несложный комплекс упражнений поможет преобразить фигуру

Cosmopolitan
Запоздалые припарки: успеет ли правительственная поддержка предотвратить гибель малого ретейла в России Запоздалые припарки: успеет ли правительственная поддержка предотвратить гибель малого ретейла в России

Более половины малых ретейлеров теряют 50% оборота

Forbes
Наталья Крачковская: «У меня был шанс устроить свою личную жизнь, но как-то не получилось...» Наталья Крачковская: «У меня был шанс устроить свою личную жизнь, но как-то не получилось...»

Я одна. Иногда думаю: вот упаду — никто даже и не узнает

Караван историй
Дифференцировку моноцитов в толстой кишке у мышей связали с интерфероном 5 Дифференцировку моноцитов в толстой кишке у мышей связали с интерфероном 5

Патогенез воспаления слизистой оболочки толстой кишки стал полнее

N+1
Новая глава семьи: кто такие stay-at-home dads — «домашние папы» Новая глава семьи: кто такие stay-at-home dads — «домашние папы»

Что означает выпущенная Lego в 2016 году фигурка «домохозяина»?

Esquire
Открыть в приложении