Кто и когда открыл графен. Что такое графен: способ получения, свойства и применение. Где производится графен

От редакции: затрагивая тему модернизации экономики России и развития высоких технологий в нашей стране , мы ставили задачу не только обратить внимание читателей на недостатки, но и рассказать о положительных примерах. Тем более что таковые есть, и немало. На минувшей неделе мы рассказывали о разработке в России топливных элементов, а сегодня поговорим о графене, за изучение свойств которого «бывший наш народ» недавно получил Нобелевскую премию. Оказывается, и в России, а точнее - в Новосибирске, над этим материалом работают весьма серьезно.

Кремний как основа микроэлектроники прочно завоевал позиции в пространстве высоких технологий, и произошло это не случайно. Во-первых, кремнию относительно легко придать нужные свойства. Во-вторых, он известен науке давно, и изучен «вдоль и поперек». Третья причина заключается в том, что в кремниевые технологии вложены поистине гигантские средства, и делать сейчас ставки на новый материал, пожалуй, мало кто решится. Ведь для этого придется перестраивать огромную промышленную отрасль. Вернее, строить ее почти с нуля.

Тем не менее, есть и другие претенденты на лидерство в качестве полупроводникового материала. Например, графен, который после вручения Нобелевской премии за изучение его свойств, стал очень моден. Для перехода на него с кремния действительно есть основания, так как графен обладает рядом существенных преимуществ. Но получим ли мы в итоге «электронику на графене» - еще не ясно, потому что рядом с достоинствами притаились и недостатки.

Чтобы поговорить о перспективах графена в микроэлектронике и о его уникальных свойствах, мы встретились в Новосибирске с главным научным сотрудником Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, доктором химических наук, профессором Владимиром Федоровым.

Алла Аршинова: Владимир Ефимович, каковы современные позиции кремния в микроэлектронике?

Владимир Федоров: Кремний очень давно используется в отрасли в качестве основного полупроводникового материала. Дело в том, что он легко легируется, то есть, в него можно добавлять атомы различных элементов, которые направленным образом изменяют физические и химические свойства. Подобная модификация высокочистого кремния позволяет получать полупроводниковые материалы n- или р-типа. Таким образом, направленным легированием кремния регулируют важные для микроэлектроники функциональные свойства материалов.

Кремний - действительно уникальный материал, и именно это является причиной того, что в него вложено столько сил, средств и интеллектуальных ресурсов. Фундаментальные свойства кремния изучены настолько детально, что есть распространенное мнение о том, что ему просто не может быть замены. Однако недавние исследования графена дали зеленый свет другой точке зрения, которая заключается в том, что новые материалы могут быть доведены до такой степени, что смогут заменить кремний.

Кристаллическая структура кремния

Подобные дискуссии возникают в науке периодически, и разрешаются они, как правило, только после серьезных исследований. Например, недавно была схожая ситуация с высокотемпературными сверхпроводниками. В 1986 году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в барий -лантан -медном оксиде (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия уже в 1987 году - через год после открытия!), которая обнаруживалась при температуре, значительно превышающей значения, характерные для известных к тому времени сверхпроводящих материалов. При этом по строению купратные сверхпроводящие соединения значительно отличались от низкотемпературных сверхпроводников. Затем лавинообразные исследования родственных систем привели к получению материалов с температурой сверхпроводящего перехода 90 К и выше. Это означало, что в качестве хладоагента можно использовать не дорогой и капризный жидкий гелий, а жидкий азот - в газообразном виде его в природе очень много, и к тому же он существенно дешевле гелия.

Но, к сожалению, эта эйфория вскоре прошла после тщательных исследований новых высокотемпературных сверхпроводников. Эти поликристаллические материалы, как и другие сложные оксиды, подобны керамике: они хрупкие и непластичные. Оказалось, что внутри каждого кристалла сверхпроводимость имеет хорошие параметры, а вот в компактных образцах критические токи достаточно невысокие, что обусловлено слабыми контактами между зернами материала. Слабые Джозефсоновские переходы (Josephson junction) между сверхпроводящими зернами не позволяют изготовить материал (например, сделать провод) с высокими сверхпроводящими характеристиками.

Солнечная батарея на основе поликристаллического кремния

С графеном может получиться такая же ситуация. В настоящее время у него найдены очень интересные свойства, но еще предстоит провести широкие исследования для окончательного ответа на вопрос о возможности получения этого материала в промышленном масштабе и использования его в наноэлектронике.

Алла Аршинова: Объясните, пожалуйста, что такое графен, и чем он отличается от графита?

Владимир Федоров: Графен - это моноатомный слой, образованный из атомов углерода, который, как и графит, имеет решетку в форме сот. А графит это, соответственно, уложенные друг на друга в стопочку графеновые слои. Слои графена в графите связаны между собой очень слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, потому и удаётся, в конце концов, оторвать их друг от друга. Когда мы пишем карандашом, это пример того, что мы снимаем слои графита. Правда, след карандаша, остающийся на бумаге, это еще не графен, а графеновая мультислойная структура.

Теперь каждый ребенок может на полном серьезе утверждать, что он не просто переводит бумагу, а создает сложнейшую графеновую мультислойную структуру

А вот если удается расщепить такую структуру до одного слоя, тогда получается истинный графен. Подобные расщепления и провели Нобелевские лауреаты по физике этого года Гейм и Новоселов. Им удалось расщепить графит с помощью скотча, и после исследования свойств этого «графитового слоя» выяснилось, что у него очень хорошие параметры для использования в микроэлектронике. Одним из замечательных свойств графена является высокая подвижность электронов. Говорят, графен станет незаменимым материалом для компьютеров, телефонов и прочей техники. Почему? Потому что в этой области идет тенденция на ускорение процедур обработки информации. Эти процедуры связаны с тактовой частотой. Чем выше рабочая частота, тем больше можно обработать операций в единицу времени. Поэтому скорость носителей заряда очень важна. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Такие свойства графена действительно позволяют надеяться, что можно будет создать устройства, способные работать на терагерцовых частотах, которые недоступны кремнию. Это одно из наиболее интересных свойств материала.

Нобелевские лауреаты по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов

Из графена можно получить гибкие и прозрачные пленки, что также очень интересно для целого ряда применений. Еще одним плюсом является то, что это очень простой и очень легкий материал, легче кремния; к тому же в природе углерода предостаточно. Поэтому если действительно найдут способ использовать этот материал в высоких технологиях, то, конечно, он будет иметь хорошие перспективы и, возможно, заменит в коне концов кремний.

Но есть одна фундаментальная проблема, связанная с термодинамической устойчивостью низкоразмерных проводников. Как известно, твердые тела подразделяются на различные пространственные системы; например, к системе 3D (three-dimensional) относят объемные кристаллы. Двумерные (2D) системы представлены слоистыми кристаллами. А цепочечные структуры относятся к одномерной (1D) системе. Так вот низкоразмерные - 1D цепочечные и 2D слоистые структуры с металлическими свойствами с термодинамической точки зрения не устойчивы, при понижении температуры они стремятся превратиться в систему, которая теряет металлические свойства. Это так называемые переходы «металл-диэлектрик». Насколько устойчивы будут графеновые материалы в каких-то устройствах, еще предстоит выяснить. Конечно, графен интересен, как с точки зрения электрофизических свойств, так и механических. Считается, что монолитный слой графена очень прочен.

Алла Аршинова: Прочнее алмаза?

Владимир Федоров: Алмаз обладает трехмерными связями, механически он очень прочный. У графита в плоскости межатомные связи такие же, может, и прочнее. Дело в том, что с термодинамической точки зрения алмаз должен превращаться в графит, потому что графит стабильнее алмаза. Но в химии есть два важных фактора, которые управляют процессом превращения: это термодинамическая стабильность фаз и кинетика процесса, то есть скорость превращения одной фазы в другую. Так вот, алмазы в музеях мира лежат уже столетиями и в графит не хотят превращаться, хотя должны. Может быть, через миллионы лет они все-таки превратятся в графит, хотя было бы очень жалко. Процесс перехода алмаза в графит при комнатной температуре протекает с очень медленной скоростью, но если вы нагреете алмаз до высокой температуры, тогда кинетический барьер преодолеть будет легче, и это точно произойдет.

Графит в первозданном виде

Алла Аршинова: То, что графит можно расщеплять на очень тонкие чешуйки, известно уже давно. В чем же тогда было достижение нобелевских лауреатов по физике 2010 года?

Владимир Федоров: Вы, наверное, знаете такого персонажа, как Петрик. После вручения Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новоселову он заявил, что у него украли Нобелевскую. В ответ Гейм сказал, что, действительно, подобные материалы были известны очень давно, но им дали премию за изучение свойств графена, а не за открытие способа его получения как такового. На самом деле, их заслуга в том, что они смогли отщепить от высоко ориентированного графита очень хорошие по качеству графеновые слои и детально изучить их свойства. Качество графена очень важно, как и в кремниевой технологии. Когда научились получать кремний очень высокой степени чистоты, только тогда и стала возможна электроника на его основе. Такая же ситуация и с графеном. Гейм и Новоселов взяли очень чистый графит с совершенными слоями, сумели отщепить один слой и изучили его свойства. Они первые доказали, что этот материал обладает набором уникальных свойств.

Алла Аршинова: В связи с вручением Нобелевской премии ученым с русскими корнями, работающим заграницей, наши соотечественники, далекие от науки, задаются вопросом, можно ли было прийти к таким же результатам здесь, в России?

Владимир Федоров: Наверное, можно было. Просто они в свое время уехали. Их первая статья, опубликованная в Nature, написана в соавторстве с несколькими учеными из Черноголовки. По-видимому, наши российские исследователи тоже вели работу в этом направлении. Но завершить ее убедительным образом не получилось. Жалко. Возможно, одной из причин являются более благоприятные условия для работы в зарубежных научных лабораториях. Я недавно приехал из Кореи и могу сравнить условия работы, которые мне были там предоставлены, с работой дома. Так вот там я ничем не был озабочен, а дома - полно рутинных обязанностей, которые отнимают много времени и постоянно отвлекают от главного. Меня обеспечивали всем, что было необходимо, причем исполнялось это с поразительной быстротой. Например, если мне нужен какой-то реактив, я пишу записку - и на следующий день мне его привозят. Подозреваю, что у нобелевских лауреатов тоже очень хорошие условия для работы. Ну и им хватило упорства: они многократно пытались получить хороший материал и, наконец, достигли успеха. Они действительно потратили большое количество времени и сил на это, и премия в этом смысле вручена заслуженно.

Алла Аршинова: А какие именно преимущества дает графен по сравнению с кремнием?

Владимир Федоров: Во-первых, мы уже сказали, что он обладает высокой подвижностью носителей, как говорят физики, носители заряда не обладают массой. Масса всегда тормозит движение. А в графене электроны движутся таким образом, что можно считать их не обладающими массой. Такое свойство уникально: если и есть другие материалы и частицы со схожими свойствами, то встречаются они крайне редко. Этим графен оказался хорош, этим же он выгодно отличается от кремния.

Во-вторых, графен обладает высокой теплопроводностью, и это очень важно для электронных устройств. Он очень легкий, а графеновый лист - прозрачный и гибкий, его можно свернуть. Графен может быть и очень дешевым, если разработают оптимальные методы его получения. Ведь «скотч-метод», который продемонстрировали Гейм и Новоселов, не является промышленным. Этим методом получают образцы действительно высокого качества, но в очень малых количествах, только для исследований.

И сейчас химики разрабатывают другие способы получения графена. Ведь нужно получать большие листы, чтобы поставить производство графена на поток. Этими вопросами занимаемся и мы здесь, в Институте неорганической химии. Если научатся синтезировать графен с помощью таких методов, которые бы позволили получать материал высокого качества в промышленных масштабах, тогда есть надежда, что он произведет революцию в микроэлектронике.

Алла Аршинова: Как, наверное, все уже знают из СМИ, графеновую мультислойную структуру можно получить с помощью карандаша и липкой ленты. А в чем заключается технология получений графена, применяемая в научных лабораториях?

Владимир Федоров: Существует несколько методов. Один из них известен очень давно, он основан на использовании оксида графита. Его принцип довольно прост. Графит помещают в раствор высоко окисляющих веществ (например, серная, азотная кислота и др.), и при нагревании он начинает взаимодействовать с окислителями. При этом графит расщепляется на несколько листочков или даже на одноатомные слои. Но полученные монослои не являются графеном, а представляют собой окисленный графен, в котором есть присоединенный кислород, гидроксильные и карбоксильные группы. Теперь главная задача заключается в том, чтобы эти слои восстановить до графена. Поскольку при окислении получаются частички небольшого размера, то надо их каким-то образом склеить, чтобы получить монолит. Усилия химиков направлены на то, чтобы понять, как можно из оксида графита, технология получения которого известна, сделать графеновый лист.

Есть еще один метод, также достаточно традиционный и известный уже давно - это химическое осаждение из газовой фазы с участием газообразных соединений. Его суть заключается в следующем. Сначала реакционные вещества возгоняют в газовую фазу, потом их пропускают через нагретую до высоких температур подложку, на которой и осаждаются нужные слои. Когда подобран исходный реагент, например, метан, его можно разложить таким способом, чтобы водород отщепился, а углерод остался на подложке. Но эти процессы трудно контролируемы, и идеальный слой получить сложно.

Графен— одна из аллотропных модификаций углерода

Существует и другой метод, который сейчас начинает активно применяться, - метод использования интеркалированных соединений. В графит, как и в другие слоистые соединения, можно помещать между слоями молекулы различных веществ, которые называются «молекулы гостя». Графит - это матрица «хозяина», куда мы поставляем «гостей». Когда происходит интеркаляция гостей в решетку хозяина, естественно, слои разъединяются. Это как раз то, что и требуется: процесс интеркаляции расщепляет графит. Интеркалированные соединения являются очень хорошими предшественниками для получения графена - нужно только вынуть оттуда «гостей» и не дать слоям снова схлопнуться в графит. В этой технологии важным этапом является процесс получения коллоидных дисперсий, которые можно превращать в графеновые материалы. Мы в нашем институте поддерживаем именно такой подход. На наш взгляд, это самое продвинутое направление, от которого ожидаются очень хорошие результаты, потому что из различного рода интеркалированных соединений можно наиболее просто и эффективно получать изолированные слои.

По структуре графен похож на соты. И с недавних пор он стал очень «сладкой» темой

Выделяют и еще один способ, который называют тотальный химический синтез. Он заключается в том, что из простых органических молекул собирают нужные «соты». Органическая химия обладает очень развитым синтетическим аппаратом, который позволяет получать огромное разнообразие молекул. Поэтому методом химического синтеза пытаются получить графеновые структуры. Пока что удалось создать графеновый лист, состоящий примерно из двухсот атомов углерода.

Разрабатываются и другие подходы к синтезу графена. Несмотря на многочисленные проблемы, наука в этом направлении успешно продвигается вперед. Есть большая доля уверенности в том, что существующие препятствия будут преодолены, и графен приблизит новую веху в развитии высоких технологий.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Славянский Педагогический Государственный университет

КАФЕДРА ФИЗИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По теме: Графен и его свойства. Нобелевская премия 2010 года по физике

Выполнила

студентка 3-го курса,

физико-математического факультета, группа 3

Щербина И.Л.

Преподаватель

Костиков А.П

Славянск 2011г.

1. История открытия

2. Получение

3. Дефекты

4. Возможные применения

5.1 Теория

5.1.1 Кристаллическая структура

5.1.2 Зонная структура

5.1.3 Линейный закон дисперсии

5.1.4 Эффективная масса

5.1.5 Хиральность и парадокс Клейна

5.2 Эксперимент

5.2.1 Проводимость

5.2.2 Квантовый эффект Холла

6. Интересные факты

Литература

1. История открытия

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристаллграфита.

Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит являетсяполуметаллом. Как было показано в1947 годуП. Воллесом, взонной структуреграфена также отсутствуетзапрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны, изоны проводимостиэнергетический спектрэлектронов идыроклинеен, как функцияволнового вектора. Такого рода спектром, обладают безмассовыефотоныи ультрарелятивистские частицы, а такженейтрино. Поэтому говорят, что эффективная массаэлектронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являютсяфермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытияуглеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простойкарандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит)в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science , где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрикаSiO2по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощьюМПЭ. Впервые были измереныпроводимость,эффект Шубникова- де Гааза,эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов:BN,MoS2,NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

2. Получение

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графитиликиш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм).Найденныес помощью оптического микроскопа, (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена) или, используякомбинационное рассеяние. Используя стандартнуюэлектронную литографиюиреактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смесисернойисолянойкислот. Графит окисляется и на краях образца появляютсякарбоксильные группыграфена. Их превращают в хлориды при помощитионилхлорида. Затем под действиемоктадециламинав растворахтетрагидрофурана,тетрахлорметанаидихлорэтанаони переходят в графеновые слои толщиной 0,54нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

В статьях описан ещё один химический метод получения графена, встроенного вполимернуюматрицу. Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD ), рост при высоком давлении и температуре (англ.HPHT ) . Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластинуслюды.

Существует также несколько сообщений, посвящённых получению графена, выращенного на подложкахкарбида кремнияSiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла:C - стабилизированная или Si - стабилизированная поверхность - в первом случае качество плёнок выше. В работах та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC- C из-за разностиработ выходадвух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

3. Дефекты

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного родадефектам.

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названиемфуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

4. Возможные применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был полученполевой транзисторна графене, а такжеквантово-интерференционныйприбор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщинойтранзисторовдо 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при созданииполевого транзисторабез токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть, не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерномуэффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем вкремнии, используемом вмикроэлектронике) 104см²·В−1·с−1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения предложена в статьеи заключается в использовании графена в качестве очень чувствительногосенсорадля обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, какNH3,CO,H2O,NO2. Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать какдонорыиакцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работетеоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. В работебыло показано, что NO2молекула является хорошим акцептором из-за своихпарамагнитныхсвойств, адиамагнитнаямолекула N2O4создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеютмагнитный момент(неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Кандидат химических наук Татьяна Зимина.

Нобелевскую премию по физике 2010 года присудили за исследования графена - двумерного материала, проявляющего необычные и одновременно весьма полезные свойства. Его открытие сулит не только новые технологии, но и развитие фундаментальной физики, результатом чего могут стать новые знания о строении материи. Лауреатами Нобелевской премии по физике нынешнего года стали Андре Гейм и Константин Новосёлов - профессора Манчестерского университета (Великобритания), выпускники Московского физико-технического института.

Атомы углерода в графене образуют двумерный кристалл с ячейками гексагональной формы.

Нобелевский лауреат по физике 2010 года Андре Гейм (род. в 1958 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания). Окончил Московский физико-технический институт, кандидатскую диссертацию защитил в Институте физики твёрдого тела (г. Черноголо

Нобелевский лауреат по физике 2010 года Константин Новосёлов (род. в 1974 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания) и выпускник Московского физико-технического института. Работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо

Графен - одна из аллотропных форм углерода. Впервые был получен поэтапным отшелушиванием тонких слоёв графита. Графен, сворачиваясь, образует нанотрубку или фуллерен.

Одно из возможных применений графена - создание на его основе новой технологии расшифровки химической структуры (секвенирования) ДНК. Учёные из Института наноисследований Кавли (Kavli Institute of nanoscience, Нидерланды) под руководством профессора Декке

Графен, материал толщиной всего в один атом, построен из «сетки» атомов углерода, уложенных, подобно пчелиным сотам, в ячейки гексагональной (шести-угольной) формы. Это ещё одна аллотропная форма углерода наряду с графитом, алмазом, нанотрубками и фуллереном. Материал обладает отличной электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой прочностью и практически полностью прозрачен.

Идея получения графена «лежала» в кристаллической решётке графита, которая представляет собой слоистую структуру, образованную слабо связанными слоями атомов углерода. То есть графит, по сути, можно представить как совокупность слоёв графена (двумерных кристаллов), соединённых между собой.

Графит - материал слоистый. Именно это свойство нобелевские лауреаты и использовали для получения графена, несмотря на то что теория предсказывала (и предыдущие эксперименты подтверждали), что двумерный углеродный материал при комнатной температуре существовать не может - он будет переходить в другие аллотропные формы углерода, например сворачиваться в нанотрубки или в сферические фуллерены.

Международная команда учёных под руководством Андре Гейма, в которую входили исследователи из Манчестерского университета (Великобритания) и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Россия, г. Черноголовка), получила графен простым отшелушиванием слоёв графита. Для этого на кристалл графита наклеивали обычный скотч, а потом снимали: на ленте оставались тончайшие плёнки, среди которых были и однослойные. (Как тут не вспомнить: «Всё гениальное - просто»!) Позже с помощью этой техники были получены и другие двумерные материалы, в том числе высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Сейчас такой способ называется «микромеханическим расслоением», он позволяет получать наиболее качественные образцы графена размером до 100 микрон.

Другой замечательной идеей будущих нобелевских лауреатов было нанесение графена на подложку из окиси кремния (SiO 2). Благодаря этой процедуре графен стало возможным наблюдать под микроскопом (от оптического до атомно-силового) и исследовать.

Первые же эксперименты с новым материалом показали, что в руках учёных не просто ещё одна форма углерода, а новый класс материалов со свойствами, которые не всегда можно описать с позиций классической теории физики твёрдого тела.

Полученный двумерный материал, будучи полупроводником, обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников - меди. Его электроны имеют весьма высокую подвижность, что связано с особенностями его кристаллического строения. Очевидно, что это качество графена вкупе с его нанометровой толщиной делает его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе в будущих быстродействующих компьютерах, не удовлетворяющий нынешним запросам кремний. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (на графене уже получен полевой транзистор) не за горами.

Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности электронов в графене. Расчёты показывают, что ограничение подвижности носителей заряда в нём (а значит, проводимости) связано с наличием в SiO 2 -подложке заряженных примесей. Если научиться получать «свободновисящие» плёнки графена, то подвижность электронов можно увеличить на два порядка - до 2×10 6 см 2 /В. с. Такие эксперименты уже ведутся, и довольно успешно. Правда, идеальная двумерная плёнка в свободном состоянии нестабильна, но если она будет деформирована в пространстве (то есть будет не идеально плоской, а, например, волнистой), то стабильность ей обеспечена. Из такой плёнки можно сделать, к примеру, наноэлектромеханическую систему - высокочувствительный газовый сенсор, способный реагировать даже на одну-единственную молекулу, оказавшуюся на его поверхности.

Другие возможные приложения графена: в электродах суперконденсаторов, в солнечных батареях, для создания различных композиционных материалов, в том числе сверхлёгких и высокопрочных (для авиации, космических аппаратов и т.д.), с заданной проводимостью. Последние могут чрезвычайно сильно различаться. Например, синтезирован материал графан, который в отличие от графена - изолятор (см. «Наука и жизнь» № ). Получили его, присоединив к каждому атому углерода исходного материала по атому водорода. Важно, что все свойства исходного материала - графена - можно восстановить простым нагревом (отжигом) графана. В то же время графен, добавленный в пластик (изолятор), превращает его в проводник.

Почти полная прозрачность графена предполагает использование его в сенсорных экранах, а если вспомнить о его «сверхтонкости», то понятны перспективы его применения для будущих гибких компьютеров (которые можно свернуть в трубочку подобно газете), часов-браслетов, мягких световых панелей.

Но любые приложения материала требуют его промышленного производства, для которого метод микромеханического расслоения, используемый в лабораторных исследованиях, не годится. Поэтому сейчас в мире разрабатывается огромное число других способов его получения. Уже предложены химические методы получения графена из микрокристаллов графита. Один из них, к примеру, даёт на выходе графен, встроенный в полимерную матрицу. Описаны также осаждение из газовой фазы, выращивание при высоком давлении и температуре, на подложках карбида кремния. В последнем случае, который наиболее приспособлен к промышленному производству, плёнка со свойствами графена формируется при термическом разложении поверхностного слоя подложки.

Фантастически велика ценность нового материала для развития физических исследований. Как указывают в своей статье, опубликованной в 2008 году в журнале «Успехи физических наук», Сергей Морозов (Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН), Андре Гейм и Константин Новосёлов, «фактически графен открывает новую научную парадигму - ”релятивистскую” физику твёрдого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых не реализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях… Впервые в твёрдотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики». То есть речь идёт о том, что многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом - тончайшим в мире материалом.

Комментарий специалиста

Мы думали о полевом транзисторе…

Редакция попросила прокомментировать результаты работы нобелевских лауреатов Андре Гейма и Константина Новосёлова их коллегу и соавтора. На вопросы корреспондента «Науки и жизни» Татьяны Зиминой отвечает заведующий лабораторией Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (г. Черноголовка) Сергей Морозов.

Как вообще родилась идея получить двумерный углеродный материал? В связи с чем? Ожидали какие-либо необычные свойства у этой формы углерода?

Первоначально у нас не было цели получить двумерный материал из полуметалла, мы пытались сделать полевой транзистор. Металлы, даже толщиной в один атом, для этого не годятся - в них слишком много свободных электронов. Сначала мы получали счётное число атомных плоскостей с кристалла графита, затем стали делать всё более и более тонкие пластинки, пока не получили одноатомный слой, то есть графен.

Графен давно, с середины ХХ века, рассматривали теоретики. Они же и ввели само название двумерного углеродного материала. Именно графен стал у теоретиков (задолго до его экспериментального получения) отправной точкой для расчёта свойств других форм углерода - графита, нанотрубок, фуллеренов. Он же и наиболее хорошо теоретически описан. Конечно, какие-то эффекты, обнаруженные теперь экспериментально, теоретики просто не рассматривали. Электроны в графене ведут себя подобно релятивистским частицам. Но никому в голову раньше не приходила идея изучать, как будет выглядеть эффект Холла в случае релятивистских частиц. Мы обнаружили новый тип квантового эффекта Холла, который явился одним из первых ярких подтверждений уникальности электронной подсистемы в графене. То же можно сказать о присущем графену парадоксе Клейна, известному из физики высоких энергий. В традиционных полупроводниках или металлах электроны могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, но с вероятностью существенно меньше единицы. В графене электроны (подобно релятивистским частицам) проникают даже сквозь бесконечно высокие потенциальные барьеры безотражательно.

Почему считалось, что двумерный углеродный материал (графен) будет неустойчив при комнатной температуре? И как тогда его удалось получить?

Ранние работы теоретиков, в которых показана неустойчивость двумерных материалов, относились к бесконечной идеальной двумерной системе. Более поздние работы показали, что в двумерной системе всё-таки может существовать дальний порядок (который присущ кристаллическим телам. - Прим. ред.) при конечной температуре (комнатная температура для кристалла - достаточно низкая температура). Реальный же графен в подвешенном состоянии всё же, видимо, не идеально плоский, он слегка волнистый - высота поднятий в нём порядка нанометра. В электронный микроскоп эти «волны» не видны, но есть другие их подтверждения.

Графен - это полупроводник, если я правильно понимаю. Но кое-где я нахожу определение - полуметалл. К какому же классу материалов он относится?

Полупроводники имеют запрещённую зону определённой ширины. У графена она - нулевая. Так что его можно назвать полупроводником с нулевой запрещённой зоной или же полуметаллом с нулевым перекрытием зон. То есть он занимает промежуточное положение между полупроводниками и полуметаллами.

Кое-где в популярной литературе упоминается о других двумерных материалах. Пробовала ли ваша группа получить какие-либо из них?

Буквально через год после получения графена мы получили двумерные материалы из других слоистых кристаллов. Это, например, нитрид бора, некоторые дихалькогениды, высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Они не повторяли свойств графена - одни из них вообще были диэлектриками, другие имели очень низкую проводимость. Многие исследовательские группы в мире занимаются изучением двумерных материалов. Сейчас мы используем нитрид бора в качестве подложки для графеновых структур. Оказалось, это радикально улучшает свойства графена. Также, если говорить о применении графена для создания композитных материалов, нитрид бора здесь один из главных его конкурентов.

- Какие существующие методы получения графена наиболее перспективны?

На мой взгляд, сейчас существуют два таких основных метода. Первый - это рост на поверхности плёнок некоторых редкоземельных металлов, а также меди и никеля. Затем графен надо перенести на другие подложки, и это уже научились делать. Данная технология переходит в стадию коммерческих разработок.

Другой метод - выращивание на карбиде кремния. Но хорошо бы научиться растить графен на кремнии, на котором построена вся современная электроника. Тогда бы разработка графеновых устройств пошла бы семимильными шагами, поскольку графеновая электроника естественным путём расширила бы функциональные возможности традиционной микроэлектроники.

Поскольку получен графен был относительно недавно, повышенный интерес к себе он привлекает как со стороны ученых, так и простых людей. В любом случае, благодаря своим необычным свойствам, он считается одним из самых перспективных наноматериалов, способов применения которому можно найти множество.

Что такое графен

С давних времен людям были известны две модификации углерода - алмаз и графит. Разница между этими двумя веществами заключается лишь в строении кристаллической решетки.

У алмазов атомные ячейки имеют кубическую форму и отличаются плотной организацией. Графит на атомарном уровне состоит из расположенных в разных плоскостях пластов. Именно строение кристаллической решетки и определяет свойства обоих этих веществ.

Алмаз - самый твердый материал на планете, графит же легко разрушается и крошится. Происходит разрушение графита из-за того, что атомы в его кристаллической решетке, находящиеся в разных слоях, практически не имеют связей. То есть при механическом воздействии пласты графита просто-напросто начинают отделяться друг от друга.

Именно благодаря такому свойству этой углеродной модификации и был получен новый материал - графен. Представляет он собой просто один из пластов графита толщиной в один атом.

Внутри каждого одноатомного слоя связи в графите даже более прочны, чем в кубических ячейках алмаза. Соответственно, и материал этот является более твердым, чем алмаз.

Способ получения и свойства

Способ получения графена К. Новоселов и А. Гейм разработали технологически простой, но достаточно трудоемкий. Ученые просто закрашивали графитовым карандашом обычный скотч, а затем складывали его и разлепляли. В результате графит разделялся на два пласта. Далее ученые повторяли эту процедуру огромное количество раз до получения самого тонкого слоя в один атом.

Поскольку связи в двухмерной решетке этого материала необыкновенно прочны, на настоящий момент он является самым тонким и прочным из всех известных человечеству. Свойства графен имеет следующие:

• почти полную прозрачность;
• хорошую теплопроводность;
• гибкость;
• инертность к кислотам и щелочам при обычных условиях.

Вес графен имеет очень небольшой. Всего несколько грамм этого материала можно использовать для того, чтобы полностью покрыть футбольное поле.

Также графен является идеальным проводником. Учеными была создана лента этого материала, в которой электроны способны пробегать, не встречая препятствий, более 10 микрометров.

Расстояние между атомами в этой углеродной модификации очень невелико. Поэтому через этот материал не могут проходить молекулы каких-либо веществ.

Возможные способы применения графена

Материал это на самом деле очень перспективный. Из графена, к примеру, можно делать гибкие и абсолютно прозрачные экраны смартфонов и телевизоров.

Также считается, что этот материал в скором времени будет активно использоваться для получения питьевой воды из морской или очистки пресной. Тонкие пластины графена со специально проделанными в них отверстиями по размеру молекул воды могут быть использованы как фильтры для солей и других веществ.

На основе непроницаемого графена можно также создавать антикоррозийные аэрогели для металла, к примеру, для кузовов автомобилей.

Поскольку этот материал отличается высокой прочностью и при этом имеет небольшой вес, его можно использовать и в авиастроительной отрасли. Считается также, что прозрачный графен будет широко применяться в качестве альтернативы кремнию при производстве фотоэлементов.

Многие ученые полагают, что этот материал способен, помимо всего прочего, использоваться для производства емких батарей. Смартфоны с такими батарейками, к примеру, будут заряжаться всего несколько минут или даже секунд, а работать затем очень долгое время.

Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена выходцам из России, работающим в Великобритании - Константину Новоселову и Андрею Гейму - за создание графена, объявила Шведская академия. Премия ученым присуждена "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена", говорится в сообщении на сайте премии.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот.

Графен обладает высокой прочностью, он прозрачен в силу своей чрезвычайно малой толщины. Кроме того, графен является прекрасным проводником электрического тока, что делает его очень привлекательными для использования в качестве прозрачных электродов солнечных батарей или сенсорных дисплеев.

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом , работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом - преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ - метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 г. , он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза - из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков. Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

Андрей Гейм родился в Сочи в 1958 г., сейчас имеет голландское гражданство.

В 1982 г. окончил МФТИ, факультет общей и прикладной физики, получил степень кандидата физико-математических наук в Институте физики твердого тела АН СССР.

Работал научным сотрудником в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в подмосковной Черноголовке, Ноттингемском университете, университете Бат (Великобритания), в университете Неймегена (Нидерланды), с 2001 г. - в Манчестерском университете.

В настоящее время Андрей Гейм - руководитель Манчестерского центра по мезонауке и нанотехнологиям, а также глава отдела физики конденсированного состояния.

Константин Новоселов родился в Нижнем Тагиле в 1974 г., сейчас имеет британское и российское гражданство.

В 1997 г. окончил МФТИ, факультет физической и квантовой электроники.

В настоящее время является профессором университета Манчестера.

Совместная работа выходцев из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в подмосковной Черноголовке в Университете Манчестера началась в 2001 г., когда Гейм был приглашен на должность директора Центра мезонауки и нанотехнологии Манчестерского университета. Константин Новоселов, стипендиат Фонда Леверхульма, присоединился к новым исследованиям своего соотечественника.

Гейм и Новосёлов - лауреаты премии Европейского Физического общества Europhysics Prize 2008 г. Эта высокая европейская награда присуждается ежегодно с 1975 года. Официальная формулировка присуждения премии размером в 10 тысяч евро: "за открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода, и объяснение его выдающихся электронных свойств".

5 октября 2010 г. стало известно, что Константину Новоселову и Андрею Гейму присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.

Премия ученым присуждена "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена" , говорится в сообщении на сайте премии.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников