Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в XX веке

Наука и жизньНаука

Невидим, свободен...

Записала Наталия Лескова

Фото Андрея Афанасьева

Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в середине XX века, однако возможность их создания в то время вызывала сомнения. Тем не менее графен, материал толщиной в один слой углеродных атомов, был получен, а за прорывные эксперименты с ним Андрею Гейму и Константину Новосёлову присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12 , 2010 г.). Невероятно тонкий и потому свободный от множества ограничений трёхмерного мира, графен демонстрировал небывалые качества: высочайшую прочность, феноменальную подвижность электронов, необычные квантовые эффекты. Материал с такими свойствами «обещал» революцию в электронике. Однако создать технологию промышленного производства графена оказалось не так-то просто.

Доктор физико-математических наук Александр Лебедев, руководитель отделения твердотельной электроники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), где разрабатывают отечественную технологию получения однородного графена, рассказывает, зачем нужен качественный графен и как его вырастить.

Профессор Александр Александрович Лебедев.

Углерод — интереснейшее вещество, которое может существовать в сильно отличающихся структурой и свойствами формах. Графит и алмаз — казалось бы, одно и то же по составу, но у них разные кристаллические решётки. В алмазе решётка очень плотная и связи между атомами крепкие, а в графите есть плоскости, внутри которых атомы связаны хорошо, но сами плоскости между собой связаны слабо. Из-за этого возникают разные свойства. Если куском графита провести по плоскости, то останется след — это свойство используется в карандашном грифеле. А если отделить от графита один слой, то это и будет графен, двумерный материал с новыми свойствами.

Графен — классический пример того, как совершаются открытия. Сначала все говорили о том, что такой материал никак не получить. Крупные теоретики писали, что двумерную структуру создать невозможно, она будет разрушаться тепловыми колебаниями при любой температуре. А когда наши соотечественники Андрей Гейм и Константин Новосёлов сделали это буквально «на коленке» — с помощью липкой ленты отсоединив кусочки графита и получив таким способом удивительный наноматериал, то сразу появилось множество людей, которые якобы открыли графен гораздо раньше.

Графит состоит из слоёв углеродных атомов. Каждый слой образует гексагональную кристаллическую решётку. Рисунок: Anton/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.5

Например, Вальтер дер Хир, американский физик голландского происхождения, тоже занимался двумерными плёнками и получал графен на карбиде кремния. Когда Нобелевскую премию дали Гейму и Новосёлову, он высказывал недовольство, писал письма в Нобелевский комитет, доказывая, что он сам и другие исследователи получали графен гораздо раньше. Однако в Нобелевском комитете объяснили, что премию лауреатам дали не за то, что они первыми получили графен, а за то, что доказали двумерность этого материала.

Действительно, Гейм с Новосёловым получили двумерные кристаллы графена, что и было установлено в последующих экспериментах. Но эти кристаллы были маленькие, неправильной и непредсказуемой формы. Именно из-за своей несовершенной формы такой графен был непригоден для практического использования. Как шутил сам Гейм, нельзя представить себе технологическую линейку, в начале которой сидел бы человек и липкой лентой отдирал бы от графита кусочки графена. Поэтому многие сразу начали думать, как сделать технологию, с помощью которой стало бы возможным промышленное производство такого материала.

Монослой атомов углерода представляет собой двумерный кристалл — графен. Рисунок: AlexanderAlUS/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Когда я впервые слушал доклад о структуре и свойствах графена, то через несколько минут сообразил, что его можно получать термодеструкцией, испарением поверхности карбида кремния (SiC). Если взять карбид кремния и начать его греть в вакууме при температуре примерно полторы тысячи градусов, то начинается испарение кремния, а на поверхности образуется плёнка углерода. Этот эффект называется графитизацией. Мы, проводя такие эксперименты с карбидом кремния, всегда думали, что это сугубо отрицательный эффект, потому что такая плёнка на поверхности углерода всё «закорачивает». Считали это браком и выкидывали, вместо того чтобы поехать в Стокгольм и поговорить насчёт Нобелевской премии.

После открытия графена и его свойств мы решили отрицательное явление графитизации превратить в полезную технологию роста графена. Для этого надо было в процессе нагрева карбида кремния подобрать такие технологические параметры, чтобы образовалась моноатомная плёнка углерода, то есть графен.

При нагреве подложки SiC до температуры 1300—1400°C её поверхность приобретает ступенчатый вид, а при температуре нагрева выше 1500°C начинается образование плёнки графена. Внизу — схематическое изображение подложки SiC со сформированной графеновой плёнкой. Справа — 3Dизображение поверхности структуры графен/SiC, полученное методом атомно-силовой микроскопии. К сожалению, разрешающая способность данного метода не позволяет увидеть атомы графеновой плёнки, однако ступени высотой всего 1 нанометр видны хорошо. Рисунок из статьи: Yazdi G.R., Iakimov T., Yakimova R. l. Crystals 2016, 6, 53.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
«Я говорю ему все как есть»: 15 советов, как построить отношения на доверии «Я говорю ему все как есть»: 15 советов, как построить отношения на доверии

Настоящая близость начинается с доверия

VOICE
«Уэбб»: получены первые снимки «Уэбб»: получены первые снимки

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
Изучение иностранного языка: почему так важно выбрать учебник правильно Изучение иностранного языка: почему так важно выбрать учебник правильно

Почему не все учебники нам подходят?

Psychologies
«Пришёл дать вам волю» «Пришёл дать вам волю»

30 августа 2022 года ушёл из жизни Михаил Сергеевич Горбачёв. Вспоминаем

Дилетант
Как вывести неприятный запах из обуви за несколько минут: подручные средства, которые работают Как вывести неприятный запах из обуви за несколько минут: подручные средства, которые работают

Стоит снять ботинки, как неприятное амбре распространяется по всей квартире?

ТехИнсайдер
Почему пароход был «философским»? Почему пароход был «философским»?

Почему пароход был философским и что собой вообще представляла русская философия

Дилетант
Как со вкусом носить вечерние платья: гид Жаклин Кеннеди Как со вкусом носить вечерние платья: гид Жаклин Кеннеди

Как одевалась Джеки Кеннеди?

VOICE
Ниже солнца, выше воды Ниже солнца, выше воды

Беспилотное судно с почти неограниченным запасом хода

Популярная механика
Как правильно искать (и находить!) грибы Как правильно искать (и находить!) грибы

Вернуться с «тихой охоты» пустым обидно и унизительно

Maxim
«Им нужны твои деньги»: честный отзыв российской туристки о Кубе и кубинцах «Им нужны твои деньги»: честный отзыв российской туристки о Кубе и кубинцах

Россиянка осталась разочарована Островом свободы

Вокруг света
Плоды осени: самые полезные ягоды, овощи и фрукты Плоды осени: самые полезные ягоды, овощи и фрукты

Осенний урожай очень богат и разнообразен

ТехИнсайдер
Не только для подогрева еды Не только для подогрева еды

10 неочевидных способов использования микроволновки в быту

Лиза
Смузимейкер: что это такое и чем он лучше блендера Смузимейкер: что это такое и чем он лучше блендера

Такие устройства созданы для приготовления смузи, а не взбивания

CHIP
Наркотики, измены и смерть обоих: каким на самом деле был Наркотики, измены и смерть обоих: каким на самом деле был

Союз Джона Кеннеди-младшего и Кэролин Бессет — каким был их брак?

VOICE
Как встают на якорь гигантские корабли, если масса якоря ничтожна мала в сравнении с колоссальным судном? Как встают на якорь гигантские корабли, если масса якоря ничтожна мала в сравнении с колоссальным судном?

Казалось бы, что может быть проще корабельного якоря?

ТехИнсайдер
В Южной Корее снова отредактировали собак. Теперь — чтобы укрепить лабрадорам бедра В Южной Корее снова отредактировали собак. Теперь — чтобы укрепить лабрадорам бедра

В Южной Корее родились два генетически модифицированных лабрадора

N+1
Донья Пас: катастрофа, унесшая больше жизней, чем гибель Титаника Донья Пас: катастрофа, унесшая больше жизней, чем гибель Титаника

Паром Донья Пас должен был прибыть в Манилу в четыре часа утра

VOICE
Самые короткие и захватывающие детективные сериалы — посмотри за вечер или за выходные! Самые короткие и захватывающие детективные сериалы — посмотри за вечер или за выходные!

Собрали остросюжетные шоу в формате мини-сериалов

VOICE
«Все, что движется». Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей «Все, что движется». Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Отрывок из книги «Все, что движется» — как развивалась научная картина мира

N+1
Как на самом деле действуют отбеливающие пасты и чем могут быть опасны Как на самом деле действуют отбеливающие пасты и чем могут быть опасны

Советуют ли стоматологи использовать отбеливающие пасты?

Лиза
«Это недопустимо»: нейл-мастер рассказала о самой опасной ошибке при наращивании ногтей «Это недопустимо»: нейл-мастер рассказала о самой опасной ошибке при наращивании ногтей

«Самые кошмарные ногти, которые она когда-либо видела»

VOICE
Экономные наши! Звезды, которым не стыдно дважды надевать одно и то же Экономные наши! Звезды, которым не стыдно дважды надевать одно и то же

Некоторые звезды без проблем носят одни и те же вещи по два, три, пять раз!

VOICE
Зачем России понадобилась отдельная сборная молодых звезд хоккея? Зачем России понадобилась отдельная сборная молодых звезд хоккея?

У российского спорта есть только два союзника

Maxim
Как вернуть ребенка в школу после каникул? Отвечает Дима Зицер Как вернуть ребенка в школу после каникул? Отвечает Дима Зицер

Как начать учебный год без скандалов, слез и уговоров?

СНОБ
«В моем доме вечный беспорядок»: 5 шагов на пути к организации пространства «В моем доме вечный беспорядок»: 5 шагов на пути к организации пространства

Вы наводите порядок дома, но в конце недели вас снова окружает хаос?

Psychologies
Весь мозг на одном кристалле. Будущее мемристоров приближается Весь мозг на одном кристалле. Будущее мемристоров приближается

Мемристорная вычислительная техника может прийти на смену традиционной

ТехИнсайдер
«Становится все абсурднее»: Александр Хант о фильме «Межсезонье» и самоцензуре в кино «Становится все абсурднее»: Александр Хант о фильме «Межсезонье» и самоцензуре в кино

Режиссер Александр Хант — о новом поколении, свободе и новой цензуре

Forbes
Женщина с молотом: почему фильм «Тор: любовь и гром» не смог преодолеть неравенство Женщина с молотом: почему фильм «Тор: любовь и гром» не смог преодолеть неравенство

Смогли ли Marvel внедрить супергеройское кино в феминистский контекст?

Forbes
Хрупкое мужское эго Хрупкое мужское эго

Почему сегодня вокруг стало так много мужчин-истеричек

Лиза
Открыть в приложении