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

Ядовитые реки, отравленные моря Ядовитые реки, отравленные моря

Катастрофы, угрожающие живым организмам, происходят довольно часто

Наука и жизнь
10 вещей, которые нельзя делать с кошкой 10 вещей, которые нельзя делать с кошкой

10 вещей, которые могут навредить вашей кошке

Maxim
«Уэбб»: получены первые снимки «Уэбб»: получены первые снимки

Первые глубокие и чёткие снимки «Уэбба»

Наука и жизнь
Как диагностировали беременность до изобретения тестов и анализов? Ты удивишься! Как диагностировали беременность до изобретения тестов и анализов? Ты удивишься!

Как определяли наличие беременности до того, как изобрели анализ крови и тесты?

VOICE
Маниок с тапиокой Маниок с тапиокой

С недавних пор в кулинарии появились необычные продукты: маниок и тапиока

Наука и жизнь
Правила жизни Салмана Рушди Правила жизни Салмана Рушди

Правила жизни романиста Салмана Рушди

Правила жизни
Как перестать бороться с сорняками и превратить врага в союзника Как перестать бороться с сорняками и превратить врага в союзника

Ещё вчера трава была вашим врагом, а сегодня это ваш друг и лучший помощник!

Наука и жизнь
Зерно требует тонкой настройки Зерно требует тонкой настройки

Большой урожай в России при слабом экспорте обрушил цены на зерно внутри страны

Эксперт
Mazda6 Mazda6

Mazda6. Бензиновый хорош, но все-таки дизель

Quattroruote
Как сохранить желание: интервью с сексологом Как сохранить желание: интервью с сексологом

Можно ли сохранять сексуальный аппетит на протяжении долгого времени?

Psychologies
Что разрушает наши отношения: 3 причины Что разрушает наши отношения: 3 причины

«Черная триада» — три причины, по которым разрушаются отношения

Psychologies
Парад гигантов: Кролик размером с человека, конь — со слона и еще троица аномально огромных животных Парад гигантов: Кролик размером с человека, конь — со слона и еще троица аномально огромных животных

Эти звери не догадываются, что занимают почетное место в Книге рекордов Гиннеса

ТехИнсайдер
3 привычки, которые помогут партнерам стать ближе 3 привычки, которые помогут партнерам стать ближе

Инструкция, которая поможет вам укрепить отношения

Psychologies
Пан и не пропал: 55 лет назад вышел дебютный альбом Pink Floyd. Вот почему он знаковый Пан и не пропал: 55 лет назад вышел дебютный альбом Pink Floyd. Вот почему он знаковый

Как The Piper at the Gates of Dawn прославил Pink Floyd

Правила жизни
Тобольск: перепрограммирование городского «софта» Тобольск: перепрограммирование городского «софта»

Задача Тобольска — стать туристической столицей Сибири

Эксперт
Репродуктивный потенциал Репродуктивный потенциал

И хотя родить можно в весьма зрелом возрасте, подготовиться лучше заранее

Собака.ru
Великий Горби: как страна получила свободу и не воспользовалась ей Великий Горби: как страна получила свободу и не воспользовалась ей

Михаил Горбачев вернул человеку человеческое

Forbes
Как избавиться от домашних клопов за один день: готовимся к сезону вредителей Как избавиться от домашних клопов за один день: готовимся к сезону вредителей

Как обезопасить свою постель от домашних клопов?

ТехИнсайдер
Сосредоточьтесь на чем-то одном: как многозадачность вредит нашему здоровью и отношениям Сосредоточьтесь на чем-то одном: как многозадачность вредит нашему здоровью и отношениям

Многозадачность на самом деле снижает нашу общую продуктивность

Psychologies
«Секс с живыми мне не нравился»: история каширского маньяка Андрея Ежова «Секс с живыми мне не нравился»: история каширского маньяка Андрея Ежова

Задержали каширского маньяка недавно — 2020 году

VOICE
«Прошу признать меня некрофилом»: история петербургского душителя Дмитрия Вороненко «Прошу признать меня некрофилом»: история петербургского душителя Дмитрия Вороненко

В последнем слове Дмитрий Вороненко заявил, что ему безразличен приговор

VOICE
Что появилось раньше: мышечный орган в ротовой полости или речь? И вообще, почему язык прозвали языком? Что появилось раньше: мышечный орган в ротовой полости или речь? И вообще, почему язык прозвали языком?

Орган или речь — кто был первым?

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

Как одевалась Джеки Кеннеди?

VOICE
Люди + технологии = любовь. Как не терять связь даже на разных концах мира Люди + технологии = любовь. Как не терять связь даже на разных концах мира

Самые удивительные способы быть ближе даже сквозь расстояния

Правила жизни
«Почему ты не отвечаешь?»: минусы онлайн-общения «Почему ты не отвечаешь?»: минусы онлайн-общения

Почему мы так придирчиво относимся к онлайн-общению?

Psychologies
Не спешите считать овец: 6 необычных способов заснуть Не спешите считать овец: 6 необычных способов заснуть

Мучает бессонница? Неочевидные приемы, которые помогут уснуть

Psychologies
Как ухаживать за кожаной обувью: следуйте этим правилам, и ботинки прослужат вам дольше Как ухаживать за кожаной обувью: следуйте этим правилам, и ботинки прослужат вам дольше

Как правильно ухаживать за ботинками из кожи, чтобы сохранить их состояние

ТехИнсайдер
Можно ли снять фильм на смартфон? Еще как! Вот что нужно знать Можно ли снять фильм на смартфон? Еще как! Вот что нужно знать

В XXI веке снять кино буквально ничего не стоит

ТехИнсайдер
Сколько стоит робопес и зачем он нужен Сколько стоит робопес и зачем он нужен

Для чего используются роботы-собаки и сколько они стоят?

CHIP
Что делать с кабачками? 3 необычных рецепта, которые спасут, если тебе опять всучили кабачок Что делать с кабачками? 3 необычных рецепта, которые спасут, если тебе опять всучили кабачок

Что делать, если у вас слишком много кабачков?

VOICE
Открыть в приложении