Исследования графена
Дата публикации: 08.03.2017
Два исследователя получили Нобелевскую премию по физике за свою работу по графену, сверхтонкому листу углеродного атома, который обладает необычными и потенциально полезными свойствами.
Андрей Гейм и Константин Новоселов, в настоящее время являющиеся профессорами Университета Манчестера, завоевали наивысшую награду в области физики за свою работу по изоляции графена из графита – самая обыкновенная форма углерода, используемая в карандашах – с его характеризующими характеристиками.
Области применения
Графен обладает потенциальными возможностями для науки, изучающей глубоко трансформируемые материалы – все, начиная от компьютерных чипов и эластичных экранов до солнечных элементов и более легкого самолета. Такие продукты не находятся на полках магазинов, но ведется их активное исследование – например, корпорация IBM, одна из старейших компьютерных компаний в мире, работает над графеновыми транзисторами.
«В качестве материала графен является абсолютно новым материалом – не только самый тонкий из когда-либо существующих материалов, но и самый прочный. В качестве проводника электричества он обладает такими же проводящими способностями, как и медь.
В качестве проводника тепла он превосходит все остальные известные материалы. Он практически полностью прозрачный, и еще настолько плотный, что даже гелий, самый маленький атом газа, не может пройти через него», – заявила Шведская Академия Наук при объявлении Нобелевской премии.
«Углерод, основа всех известных форм жизни на земле, еще раз нас удивил».
Физикам уже было известно, что графит состоит из листов атомов углерода, выстроенных в шестиугольный ряд, однако до тех пор, пока Новоселов и Гейм не изолировали графен в 2004 году, было не ясно, может ли графен существовать в стабильной форме сам по себе.
Они изолировали графен, используя практически до смешного обыкновенную технику – отшелушивание слоя с графитового кристалла при помощи клейкой ленты. Хотя их производственный метод и можно назвать низким техническим уровнем, однако нельзя сказать того же о тяжелой работе, необходимой для того, чтобы изучить слой, перемещенный на силиконовую подложку.
Графен является сродни другим новаторским распределениям атомов углерода – нанотрубкам, в которых лист сворачивается в форму трубки и бакминстерфуллерен, 60-атомные сферы, также называемые бакиболлами.
Свойства графена
Одним из основных свойств графена является его способность проводить электричество. Он не является сверхпроводником, но теряет относительно мало энергии на сопротивление в сравнении с большинством материалов. Он может быть использован, например, для изготовления пластикового проводящего материала.
Он также является очень прочным материалом – 1 квадратный метр графена, завязанного между двумя деревьями может выдержать более 8 фунтов веса (около 3 кг.). Не так плохо для празрачного листка толщиной в один атом, который сам будет весить менее, чем одна тысячная грамма.
По словам академии, до этого производились лишь пластинки шириной в 70 см.
Как же можно будет использовать графен? Его сферы применения весьма разнообразны. По мнению многих ученых, с течением времени графен может полностью заменить кремний в производстве компьютерных процессоров. Как считают специалисты, процессорам на основе графена будет под силу обрабатывать громаднейшие объемы информации со скоростью в сотни раз превышающей нынешнюю скорость обработки.
Источник: http://vmesto.net/issledovaniya-grafena/
Битва за графен: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего. Фото
Графен может стать основой для нового поколения гиперспектральных камер, элементной базы для космической техники или беспилотных летательных аппаратов, материалом для сверхпрочных бронежилетов и многого другого.
Разнообразие применений графена возможно из-за его уникальных физико-химических свойств, которые моментально сделали этот двумерный материал объектом для фундаментальных исследований.
Так, двумерность графена, а также характерное для него особое поведение электронов, открыли возможность для экспериментальной демонстрации различных явлений квантовой физики, среди которых квантовый эффект Холла, парадокс Клейна, сверхпроводимость и многие другие.
Графен обладает высокой электропроводностью и рекордной среди всех известных материалов теплопроводностью. Для него характерна высокая прочность (в 200 раз прочнее стали) и гибкость, химическая и термическая стабильность, а также самая большая площадь поверхности на единицу массы.
У рассматриваемого материала интересные оптические свойства: является перспективным материалом для создания оптических инструментов, работающих одновременно в широком диапазоне частот — от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения.
Это лишь небольшая часть из интересных особенностей графена, но главное — его свойства сильно зависят от материала подложки, наличия дефектов и примесей, внешних воздействий и многого другого.
Так что поле для научных изысканий здесь очень велико, и вложения в эту сферу только продолжат расти.
- И да и нет: ответ на главный вопрос о квантовом компьютере
Исследовательский бум
Поэтому доля научных публикаций с упоминанием графена год от года непрерывно растет. Если в 2010 году мы имели 0,2% относительно всех научных публикаций, то в 2016 году — это уже 1% с прогнозом на 2017 — около 1,3%, согласно базе данных научных публикаций Web of Science.
Для сравнения: в 2016 году доля публикаций с упоминанием слов «полупроводник» — 0,8%, «золото» — 0,9% , «лазер» — 1,7%. Абсолютным лидером в сфере графеновых исследований остается Китай: этой стране принадлежит почти половина всех научных публикаций с упоминанием графена.
12% самых высокоцитируемых работ, написанных китайскими учеными в ушедшем году, — публикации о графене. Уже сейчас с Китаем сложно конкурировать даже США, но говорить о финальной расстановке сил пока рано.
Министр финансов Великобритании Джордж Осборн заявил, что Британия, где расположен один из крупнейших графеновых центров в мире, получивший название «Родина графена», стремится удержать мировое лидерство в освоении графеновых технологий в условиях серьезной конкуренции со стороны Китая и Южной Кореи. К гонке за лидерство подключились исследовательские центры Сингапура, Германии, Австралии, Японии, стремительно догоняющей их Индии и… Ирана.
Где мы?
Если в первые годы после открытия графена Россия была весьма заметным игроком в области графеновых исследований, то сейчас мы с каждым годом понемногу отстаем: 5,6% публикаций в середине 2000-х и 2,3 % в 2016 году. По общему числу публикаций с упоминанием графена за 2014-2016 гг.
мы находимся на 14 месте, а по числу публикаций с высоким индексом цитирования или среднему цитированию на одну работу мы не входим в список 20 лучших стран. При этом надо отметить, что такое положение нашей страны обеспечиваются главным образом за счет сотрудничества с зарубежными коллегами.
Например, доля России в высокоцитируемых работах 2014-2016 гг., где авторы в качестве места работы указали российскую научную организацию, составляет всего 12%. То есть даже имеющиеся скромные показатели — не полностью заслуга нашей страны.
Свидетельством тому является отсутствие патентов и приглашенных докладов на профильных международных конференциях. Так, на крупнейшей конференции Graphene за последние три года Россия была представлена только одним устным докладом.
Графен и Россия
В нашей стране исследования с графеном проводятся по инициативе отдельных ученых. Помимо ряда институтов РАН в исследовании графена заметны успехи МГУ, СПбГУ и МФТИ. Физтех (МФТИ), помимо нобелевских лауреатов, подарил миру графена целый ряд других выдающихся ученых.
Это, например, Александр Баландин (исследование теплопроводности графена), Леонид Левитов (теоретические исследования графена), Виктор Рыжий (графеновая оптоэлектроника) и другие. Не так давно на Физтехе был создан Центр фотоники и двумерных материалов, объединяющий несколько лабораторий.
Его основная задача — разработка и создание с использованием графена и других двумерных материалов принципиально нового класса оптоэлектронных приборов и компонентов широкого спектра применений (наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, инфракрасные камеры, энергоэффективные световые устройства и многое другое).
Нам уже удалось создать высокочувствительные графеновые биосенсоры, которые могут помочь в создании новых лекарств и вакцин от опасных заболеваний, в том числе от ВИЧ и рака. А сейчас совместно с датскими коллегами мы работаем над технологиями низкотемпературного синтеза графена, чтобы выращивать его непосредственно на элементах приборов электроники.
Это бы позволило создать, например, сверхширокодиапазонные камеры, способные обеспечить видимость в темноте сквозь дым и туман. Однако пока это совершенно не тот масштаб, который бы позволил говорить о претензиях на лидерство.
Кто виноват?
У стран, которые обгоняют нас в графеновой гонке, есть кое-что общее: исследования в области двумерных материалов в них последовательно поддерживаются на государственном уровне. Например, в одном лишь городе-государстве Сингапуре вложения в эту область превышают $300 млн.
А Европейская комиссия, запустила программу Graphene Flagship и выделила более €1 млрд на десятилетние исследования и разработки, которые проводят ведущие исследовательские институты и корпорации в 23 европейских странах. При этом только Великобритания дополнительно выделила более £235 млн на эти же цели.
И это не считая финансирования, которое выделяется национальными научными фондами на конкурсной основе.
В России же отсутствуют какие-либо целевые программы по исследованиям в области графена даже в рамках научных фондов, а ведущие российские университеты, несмотря на отчаянную гонку в мировых рейтингах, не выделяют эту тематику в качестве своих приоритетов.
Что делать?
В странах, которые сделали ставку на графен, ученым дают большой простор для научных исследований: обеспечивают необходимыми финансами и оборудованием, и предоставляют свободу в выборе тем исследований. При этом новые научные результаты — не главное в истории с графеном.
Выявляемые и исследуемые уникальные свойства графена позволяют создать на его основе целый класс устройств нового типа, а потому исследовательская гонка сейчас — это гонка за захват рынка графеновых технологий. Причем речь далеко не всегда идет о принципиально новых рынках.
Графен рассматривается в качестве материала, который изменит авиастроение, технологии освоения космоса, вооружение и военную технику, а также энергетическую отрасль. Все это — лишь вопрос времени. Не уделяя должного внимания материалам из двумерного мира, можно потерять позиции в том числе и в этих отраслях.
Необходимо осознать важную вещь: в мире произошла графеновая революция, как когда-то с изобретением транзистора состоялась революция в электронике. Каких технологий нам стоит ожидать и когда они выйдут к массовому потребителю — в следующем материале серии.
Источник: http://www.forbes.ru/tehnologii/349739-bitva-za-grafen-mirovoe-sostyazanie-za-liderstvo-v-tehnologiyah-budushchego
Зачем России графен
На этой неделе исследовательское подразделение Samsung Electronics представило новый тип литийионных аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут – секрет в особых наночастицах, покрытых слоем графена, двумерного углерода, за открытие уникальных свойств которого выпускники МФТИ, сотрудники Университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов получили в 2010 г. Нобелевскую премию по физике. Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов – в том числе за патенты на технологии с использованием подобных графену двумерных материалов, новости о применении которых появляются фактически каждую неделю. Apple, например, недавно получила патент на акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений, а патентный портфель Samsung уже настолько широк, что можно говорить о целой линейке будущих продуктов с графеном.
Интерес крупных компаний к графену логичен: его уникальные физико-химические свойства позволяют создавать на его основе самые разные технологии. На наших глазах совершается новая технологическая революция – графеновая, однако Россия в нее пока не включилась.
Масштаб интереса ученых к графену описывается огромным количеством публикаций в мировых научных журналах: менее чем за 14 лет с момента его открытия вышло около 130 000 работ.
Свойства этого материала открывают новые возможности для фундаментальных исследований, однако конкретно в случае графена особенно интересны их коммерческие перспективы. Значительный рост числа патентов, в которых предлагается использовать графен, говорит о том, что мир уже вступает в эру применения новых материалов.
Согласно мультидисциплинарной базе данных Scopus, включающей записи пяти ведущих патентных ведомств, на сегодня в мире зарегистрировано более 50 000 заявок и патентов с упоминанием графена. Больше половины принадлежит Китаю – и его доля продолжает расти, следом в группе лидеров находятся Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
Любопытно, что в Китае по числу заявок лидируют национальные университеты, в Южной Корее – корейские коммерческие компании, а в США – частный бизнес, как американский, так и иностранный.
Лидерство Китая неудивительно. Развитие индустрии новых материалов там поддерживается на государственном уровне – в рамках планов тринадцатой китайской пятилетки (2016−2020 гг.).
Ожидается, что двумерные материалы в целом и графен в частности будут играть решающую роль в модернизации традиционных и создании новых отраслей промышленности Китая.
Для координации исследований и разработок и внедрения их в промышленность в далеком по меркам графена 2013 году был создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая, по оценкам которого на Китай в будущем будет приходиться до 80% мировой графеновой индустрии.
Китай не одинок: графен в качестве одного из самых перспективных материалов ближайшего будущего рассматривают практически все ведущие азиатские экономики. Миллиардные вложения в эту область делают и на Западе.
В Евросоюзе координация исследований в области графена, взаимодействие научных организаций и индустриальных партнеров идут в рамках десятилетнего пилотного проекта Graphene Flagship стоимостью 1 млрд евро. В США в 2017 г.
была создана Национальная графеновая ассоциация, объединившая предпринимателей, исследователей, разработчиков и производителей, инвесторов, венчурных капиталистов и государственные учреждения для стимулирования инноваций, продвижения и коммерциализации продуктов и технологий на основе графена.
В консультативный совет ассоциации входят представители Apple, IBM, Cisco, а также два наших соотечественника – выпускника МФТИ: генеральный директор одного из ведущих производителей графена в мире Graphene 3D Lab Inc. (среди клиентов – Apple и NASA) Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин.
Мир графена вообще славен российскими именами.
Помимо Гейма и Новоселова графеном занимаются множество российских ученых с мировыми именами: Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Виктор Рыжий (МФТИ), Владимир Фалько (директор Национального института графена, Университет Манчестера) и др. Но практически все заметные достижения россиян в области двумерных материалов получены за рубежом: в России выстроенная госполитика в отношении таких перспективных исследований отсутствует. За рубежом поддержка проводится не просто за счет создания научных лабораторий и профессорских позиций в ведущих университетах, а посредством открытия национальных исследовательских центров, которые совмещают научные исследования с практическими разработками, – такие центры есть в Китае, США, Великобритании, Японии, Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Бразилии и Южной Африке. Чтобы оценить, насколько такая модель поддержки оправдывает себя, достаточно сравнить показатели публикационной активности и востребованности научных публикаций России и Сингапура в целом и отдельно Сингапурского центра двумерных материалов: по части графеновых исследований один центр в небольшом городе-государстве оказывается в несколько раз эффективнее всей российской науки.
Россия, несмотря на отсутствие сколько-нибудь выраженного интереса к этой области со стороны государства, по общему числу публикаций о графене находится на 14-м месте мирового рейтинга – в сложившихся условиях весьма достойный результат.
В нашей стране исследования с графеном сосредоточены по большей части в стенах Академии наук и в нескольких лабораториях ведущих вузов – участников Проекта 5-100.
В МФТИ исследования и разработки в этой области ведутся в Центре фотоники и двумерных материалов.
В России пока не осознали масштаба влияния новых материалов на высокотехнологичную промышленность.
Но есть ли у нас в принципе производство, которое было бы заинтересовано в таких исследованиях? Да, в области наноэлектроники, где использование графена открывает очень большие перспективы, наши шансы на лидерство уже минимальны.
Но для сохранения позиций в авиационной, ракетно-космической и оборонной промышленности России необходимо обратить внимание на двумерные материалы.
Американские гиганты Boeing и Lockheed Martin уже стали одними из ведущих разработчиков новых технологий на основе графена, а европейские Airbus и Thales называются в числе основных выгодоприобретателей общеевропейской программы Graphene Flagship.
Манчестерский институт графена совместно с Институтом аэрокосмических технологий Великобритании разработали долгосрочную программу прикладных исследований графена в аэрокосмической сфере, которая будет запущена в конце 2017 г. Boeing 787 Dreamliner уже сейчас на 50% состоит из композитных материалов, что позволило снизить расход топлива на 30%. И вытеснение традиционных для авиастроения материалов теперь уже за счет использования двумерных материалов будет продолжаться.
Графен также может быть использован в ключевой для России области нефте- и газодобычи: ведущие нефтесервисные компании мира изучают и патентуют графенсодержащие жидкости, которые могут быть использованы в буровых растворах для управления толщиной и свойствами фильтрационной корки.
Ряд компаний предлагают использовать графен для изготовления полимерных труб и функциональных покрытий для нефте- и газопроводов. Двумерные материалы открывают большие перспективы для развития возобновляемой энергетики за счет разработки прозрачных солнечных батарей и сверхъемких аккумуляторов.
Это вынуждает нефтедобывающие компании (например, Repsol, Statoil и Petronas) диверсифицировать риски, инвестируя в графеновые технологии. В частности, испанская Repsol c 2013 г. является инвестором ведущего европейского производителя графена Graphenea.
Арабские Эмираты на государственном уровне вложились в создание инновационного инжинирингового графенового центра в Манчестере. Центр будет носить имя национальной компании ОАЭ Masdar, инвестирующей в возобновляемые источники энергии и чистые технологии.
Также двумерные материалы имеют большой потенциал применения в автомобилестроении, робототехнике и легкой промышленности. Это строительный материал для различных устройств и датчиков, которые могут обеспечить работу интернета вещей.
И просто фантастическим видится применение двумерных материалов в области биомедицинских приложений: возможности in vivo мониторинга состояния организма, направленной стимуляции и высокоточной регистрации активности нейронов головного мозга.
Это позволит создать принципиально новые технологии нейропротезирования и нейроинтерфейсов, которые смогут напрямую передавать информацию из мозга человека в компьютер и наоборот.
В разные периоды развития цивилизации человек учился обрабатывать камень, работать с металлами и полупроводниками. Теперь пришло время работы с двумерными материалами вообще и с графеном в частности – и важно не растратить его попусту. В этом смысле у графена есть важное преимущество.
Для работы с ним и, что гораздо важнее, для получения на его основе коммерчески перспективных технологий далеко не всегда требуется дорогостоящее научное оборудование. Экспериментальные образцы Гейм и Новоселов получили, отшелушивая одноатомные слои от кусочка графита при помощи обычного скотча.
Этот метод они используют в своих лабораториях и по сей день: так удается получать и другие двумерные материалы самого высокого качества.
Конечно, передовые лаборатории оснащены самыми современными приборами, а исследования проводятся в помещениях с минимальным числом пылинок в воздухе, но при этом значительная часть прикладных разработок может выполняться в условиях, доступных большинству исследователей во всем мире.
Сейчас, когда в России говорят о будущем, мы слышим в основном об искусственном интеллекте, блокчейне, криптовалютах и квантовых технологиях. Графен же у нас подобен Золушке, которая, как мы помним, была самой скромной и недооцененной, но при этом самой талантливой из своих сестер.
Безусловно, роль информационных технологий в ближайшем будущем будет только расти, однако одни лишь они не могут решить всех задач, которые стоят перед человечеством. В новом дивном мире, где важную роль будет играть индустрия двумерных материалов, Россия тоже может занять достойное место.
Главное – осознать этот факт сейчас, пока и у нас еще есть шансы на графеновое будущее.
Авторы – директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ; научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ
Источник: https://www.vedomosti.ru/opinion/articles/2017/11/29/743427-zachem-grafen
Нобелевская премия по физике 2010 года. Новое лицо углерода
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 (SiO2). 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 SiO2-подложке заряженных примесей.
Если научиться получать «свободновисящие» плёнки графена, то подвижность электронов можно увеличить на два порядка — до 2×106 см2/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» № 4, 2009 г.). 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.
Детальное описание иллюстрации
Источник: https://www.nkj.ru/archive/articles/18837/
«Графен открыл дорогу созданию многих других двумерных материалов»
Считается, что самый плодотворный возраст ученого — от 40 до 50 лет. Выпускнику Физтеха (Московский физико-технический институт, МФТИ), нобелевскому лауреату, профессору Манчестерского университета Константину Новоселову — 43.
Своего Нобеля по физике в 2010 году он получил совместно с другим «физтехом» (выпускником Физтеха) Андреем Геймом за открытие графена — первого из двумерных материалов.
Еще совсем недавно считалось, что такая структура — пленка толщиной в один атом — не может существовать в природе.
В конце ноября сэр Новоселов (титул пожаловала ему королева Елизавета II) приехал в Москву для участия в работе Наблюдательного совета своей альма-матер.
— Как часто вам удается посещать родной институт?
— Заседания Наблюдательного совета Физтеха проходят раз в полгода, и я обязательно приезжаю на каждое. Но в этот раз я поучаствовал еще и в работе 60-й научной конференции МФТИ, а также в открытии нового корпуса института. Он называется «Физтех.Арктика».
Арктика безусловно является очень важным и долгосрочным направлением для российской науки и технологии. К нему надо очень серьезно отнестись, значительно расширить существующую программу. Это рекомендация скорее даже не для Физтеха, а для правительства.
— Правительство Великобритании очень серьезно отнеслось к вашему открытию, построив для вас при Манчестерском университете целый Институт графена за £38 млн (примерно $50 млн). Как там принимаются решения о финансировании подобных проектов?
— Как тратить деньги британских налогоплательщиков на науку, решает не правительство, а только научное сообщество. По подобным проектам всегда проводится открытый конкурс с широким обсуждением в среде британских ученых.
Для этого существует британский аналог РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований. — «Известия»).
Он называется Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC, и именно через него проходили все решения по проекту Института графена.
— Есть ли в Британии аналог нашей Академии наук?
— Конечно. Но он имеет совершенно другой смысл и по-другому работает. Называется кратко Королевское общество, а полностью — Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе (The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge).
Королевское общество представляет собой не административный орган, а клуб — в лучших британских традициях. Клуб ученых. И если в России академики получают от Академии наук зарплату, то в Британии, наоборот, члены Королевского общества платят членские взносы.
Эти деньги идут не только на организационные расходы, но и, например, на спонсирование стипендий для молодых ученых. Как раз такую стипендию я получал десять лет назад благодаря Королевскому обществу.
А сейчас, когда меня туда избрали, я сам плачу членские взносы, чтобы помогать молодым ребятам.
— Верили вы в начале карьеры, что двумерные материалы вообще когда-нибудь будут созданы?
— Я был на 100% уверен, что сделать материал толщиной в один слой атомов невозможно. В один невозможно. А в три? А в два? Мы пытались добиться минимальной толщины образца и исследовали этот «толстый графен». Там очень интересная физика, совершенно разная при разном количестве слоев.
Мы изучали эту физику и постепенно получали все более тонкие образцы. И вот однажды нам повезло: у нас вдруг один образец вышел однослойным! Почему он оказался устойчивым, мы тогда не знали. Но по поведению электронов в этом образце мы поняли, что имеем дело именно с двумерным материалом.
— Чем отличалось это поведение от того, что наблюдается в трехмерных веществах?
— Есть много причин, по которым графен интересен, и первая — что он в принципе существует. Вторая — его электронные свойства. Они коренным образом отличны от электронных свойств трехмерных материалов. Например, в двумерном мире нет узлов. Если вы там захотите завязать узел, как шнурки на ботинке, вам придется выйти в третье измерение.
И это сразу налагает ограничения на поведение электронов. Электроны в графене начинают вести себя как безмассовые частицы. У обычных частиц кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости. А у безмассовых энергия линейно зависит от импульса, как у фотонов, например. Поэтому у таких частиц очень многие свойства совершенно другие.
Их нельзя остановить, они не существуют без движения: те же фотоны всегда летят со скоростью света. Еще они могут проходить через потенциальный барьер, туннелировать сквозь него со стопроцентной вероятностью. Вот почему графен обладает такой хорошей проводимостью.
Вообще, все его свойства определяются вот этим поведением электронов: и прозрачность, и теплопроводность, и всё остальное.
— И какие промышленные применения этим свойствам уже удалось найти? Совершилась ли «графеновая революция», о которой так долго говорили?
— Применений нашлось уже громадное количество, но не все они достаточно интересны. В основном пока пытаются в разных областях заменить тот или иной материал графеном, и в результате что-то получается чуть-чуть лучше.
Но ведь графен обладает уникальной комбинацией редких свойств, и мы ищем применение именно этой комбинации. Мы пытаемся найти такие решения, которые невозможны без графена. Это самое интересное. Например, мы сделали контактные линзы, которые могут менять фокус.
Для этого нужен проводящий прозрачный гибкий прочный материал. Это всё графен, и другого такого материала нет.
— Далеко ли этим линзам до промышленного производства?
— Пока не могу сказать: этим сейчас занимаются другие люди другой специальности. Мы все-таки ученые: можем показать, продемонстрировать, что нечто возможно. А дальше кто-то должен создавать новые технологии. И это не менее сложно и занимает намного больше времени, чем проведение перспективных исследований.
— Сейчас много говорят о военных применениях графена…
— Над ними активно работают, насколько я знаю, китайцы. Есть в Пекине такой институт BIAM — Beijing Institute of Aeronautical Materials, Пекинский институт авиационных материалов. Там разрабатываются все материалы для китайской авиации. Я с ними общаюсь, но они мне далеко не всё рассказывают.
Знаю, что наши материалы они пытаются применить для стелс-технологий — тех, которые скрывают самолет от радаров. Свои материалы тоже делают: у них есть серьезные разработки по жаропрочным сплавам, которые применяются для изготовления турбинных лопаток. Они добавляют туда графен, и он дает прекрасные результаты.
В Китае ходят слухи, что какие-то модели реактивных истребителей уже с ним летают.
— А ваша лаборатория работает с военными заказами? Ведете ли вы «закрытые темы»?
— А у вас какая форма допуска? Шучу. У нас нет ни одного контракта с министерством обороны Британии. Правда, много работ по заказу американских военных: и ВВС США, и ВМФ, и сухопутных войск.
Но там всё открыто, обычные несекретные исследования. Впрочем, с Lockheed Martin были проблемы: они хотели сами всё очень пристально контролировать. Но мы стараемся не работать с такими.
У меня в лаборатории все исследования открыты, «закрытых тематик» нет.
— Эти тематики посвящены только графену?
— Я всегда говорил, что самое неправильное — это если мы в Институте графена будем заниматься именно графеном. Нам нужно двигаться дальше. И я надеюсь, что за свою жизнь смогу создать еще немало новых материалов, не менее интересных, чем графен.
В графене ведь что подкупает? Святая простота: углерод, гексагональная решетка — проще некуда. Простые решения всегда хорошо работают. Но графен открыл дорогу созданию многих других двумерных материалов.
Мои исследования в значительной части направлены сейчас именно на них: нитрид бора, дисульфид молибдена…
— Входит ли графен в нашу жизнь так стремительно, как это предсказывали лет пять назад?
— Входит-входит. Но постепенно. Графен примерно повторяет путь многих других материалов, особенно углеродных. Как, например, лет 50 назад в нашу жизнь входили углеродные волокна: их использовали сначала в спортивном инвентаре, потом в автомобилях, а потом и до авиации добрались.
Так же и графен: он начал путь в составе композитных материалов. А сейчас уже всё чаще используется в микроэлектронике для решения одной из главных ее проблем — теплоотвода. Используется и в батарейках — как для того же теплоотвода, так и для улучшения механических свойств.
Постепенно это развивается во всё более и более высокотехнологичные решения.
Вы уже сегодня можете купить телефон или часы с сенсорной панелью на основе графена. У меня есть несколько таких, и это не эксклюзивные подарочные экземпляры: я их все купил в магазине.
Одна из наших компаний работает в области печатной электроники: мы печатаем графеновые RFID-метки.
Бывшая Nokia уже производит видеокамеры с графеновой матрицей…
— Работая со студентами, ощущаете ли вы разницу между британской и российской системами подготовки молодых ученых?
— В британских вузах студент получает, наверное, не столь широкий спектр формальных знаний, как в России. Там больше внимания уделяют стимулированию самостоятельной работы, поиску личной мотивации для достижения результата. Иногда это именно то, чего не хватает нашим ребятам.
Широкий кругозор и энциклопедическая образованность — это прекрасно. Но мотивация… Когда я беру на работу студента, я, разумеется, всегда смотрю на уровень его знаний. Но еще больше я смотрю на его мотивацию. Мотивированного студента я смогу научить всему, да он и сам научится. А немотивированный — какой бы он ни был семи пядей во лбу — он учиться не будет, и я его тоже не сумею научить.
— А легендарная «система Физтеха»? Приносит ли она все еще те плоды, которыми гордились в «ваше» время?
— Основу системы Физтеха составляла концентрация научной работы на базовых кафедрах в академических НИИ. Из-за этого на рубеже 1990-х и нулевых годов Физтех попал по не зависящим от него причинам в довольно сложную ситуацию.
Условия работы с Академией наук слишком изменились, и сейчас мы не можем полностью полагаться на академические институты. Приходится опираться прежде всего на собственные силы.
За относительно короткое время нам удалось создать значительное количество новых собственных институтских лабораторий и корпусов, и я считаю это правильным откликом на изменившиеся внешние условия.
— В чем вы видите причины этих изменений?
– Я очень мало что знаю про Академию наук. Очень мало. На Физтехе я бываю постоянно, а в Академии наук… Я там был один раз. Год назад, после мероприятий, посвященных 70-летию Физтеха, мы с друзьями поехали в Академию наук: там в здании президиума наверху есть замечательный ресторан. Он оставил об Академии самые приятные воспоминания, и я надеюсь сохранить этот позитив.
Источник: https://iz.ru/677330/dmitrii-liudmirskii/grafen-otkryl-dorogu-sozdaniiu-mnogikh-drugikh-dvumernykh-materialov
Графен: мифы и реальность
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.
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Источник: https://3dnews.ru/602322
Загрузка...