Графен кто открыл

«Материал будущего» графен оказался опасным

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что «материал будущего» графен, обещающий революцию во многих областях технологий, далеко не безопасен. Он может оказывать губительное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Графен — это материал с уникальными свойствами, многие связывают с ним будущее всей электронной индустрии. Графен прочнее стали, гибок, обладает высокой электропроводимостью, при этом состоит всего из одного слоя атомов углерода. Эти свойства привели к тому, что материал стали воспринимать как основу для множества будущих «прорывных» изобретений человечества.

Тем не менее, до недавнего времени серьезным изучением экологических последствий применения нового материала никто не занимался. После продолжительного исследования ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде пришли к выводу, что графен может быть опасен.

Выяснилось, что при попадании материала в грунтовые воды гексагональная структура графена начинает разрушаться, микрочастицы довольно быстро теряют стабильность, разрушаются и значительного вреда принести не могут. А вот графеновое загрязнение поверхностных вод, в которых больше органики, а жесткость ниже, может оказаться гораздо более серьезным. Молекулярная структура графена такова, что острые выступы нано-частиц материала способны разрывать мембраны клеток живых организмов, что обуславливает его токсичность. Ученые призывают максимально тщательно изучить свойства графена до того, как его начнут активно использовать в производстве электроники.

Тем не менее, вряд ли это открытие остановят человечество от масштабного применения графена. Материал обладает настолько уникальными свойствами, что заменить его попросту нечем. Ни один сплав не может похвастаться такой теплопроводностью, выдающейся прочностью и максимальными из всех известных материалов электропроводящими качествами. Подвижность электронов в графеновых структурах в сто раз превышает показатель кремния, который в данный момент является основой практически всей электроники на планете.

По своим свойствам графен куда надежнее, чем сталь. Гаджеты будущего на его основе окажутся куда более устойчивыми к повреждениям, чем то, что мы имеем сейчас. Но и это еще не все — графен может в сто раз ускорить скорость доступа к Интернету, привести к революции в компьютерной индустрии, на несколько порядков увеличив мощность процессоров. Графен нашел применение в медицине, в укреплении старых зданий, в производстве электроэнергии и сотнях других областей.

Первыми графен получили в 2004 году, работая в Великобритании в Манчестерском университете, выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов. В 2010 году за свой вклад в изучение «материала будущего» они были удостоены Нобелевской премии.

О теории этого сверхсовременного материала можно было услышать от физика-теоретика Филипа Волласа еще в далеком 1947 году. Отправной точкой его исследований стало изучение и понимание трехмерного графита. Однако название для описания мономолекулярного слоя (слоя, толщиной в одну молекулу) атомов углерода, которые плотно упакованы в двухмерную решетку, по форме напоминающую пчелиные соты, — «графен» было дано этому материалу лишь спустя сорок лет.

Эта двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, в двумерную кристаллическую решётку, которая представляется как отделенная часть от объемного кристалла графита и получила названия «графен». Как и ожидалось, графен материал, обладающий большой механической жесткостью и отличной проводимостью: из-за своих особенностей энергетического спектра, графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Проще говоря, графен был открыт на кончике пера, но сам материал в действительности был получен только в 2004 году. Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои.

А за передовые опыты с этим материалом, ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм стали лауреатами Нобелевской премии в 2010 году. Данная награда, служит признанием многообещающего будущего графена. Он может произвести революцию в индустрии электроники и позволит создавать легкие, крепче стали, материалы. И это только некоторые, из длинного списка возможных применений. Гейм заявил, что он «видит параллели с ситуацией, которая сложилась около 100 лет назад, когда были открыты полимеры. Прошло некоторое время и полимеры вошли в нашу жизнь в виде пластмассы и стали играть важную роль в жизни людей».

За истекший период в восемь лет, ученые продолжают открывать его поразительные свойсва, некоторые из которых стали полной неожиданностью. Теперь уже понятно, что он кардинально изменит жизнь людей в 21 веке. И это имеет под собой почву. Например совсем недавно опыты, производимые с мембраной из этого материала, блокирует прохождение нескольких газов и жидкостей, но пропускает через себя воду! Получается суперфильтр, который потенциально может быть использован для фильтрации токсичных веществ из воды и очистки промышленных химикатов. Или вот еще: Чен Мин Юк из Калифорнийского университета и его коллеги показали, что специальные карманы, созданные из листов графена могут быть использованы для изучения жидкостей с использованием просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) с очень высоким разрешением, качества которого не возможно достичь при использовании традиционных нитрида или оксида кремния.

Графен и его производные — это не только самый тонкий материал, но он также примерно в 200 раз прочней стали и проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал, известный человечеству. Исследователи из Колумбийского университета, которые доказали, что графен является самым прочным материалом который когда либо измерялся, заявили: «Чтобы порвать пленку графена толщиной в 0.01 мм, понадобится слон, при этом его вес должен уместиться на площади равной кончику карандаша».

Ученые бьются в поиске лучшего материала для замены кремниевым полупроводникам. Ею должен стать графен. Самая актуальная проблема создателей компьютерных чипов, заключается в том, чтобы увеличивая их мощность, сделать чипы как можно меньших размеров и достичь всего этого без значительного увеличения температуры. В теории, графеновые транзисторы, смогут обеспечить значительно более высокую скорость, при этом препятствуя увеличению температуры на микроскопическом уровне.

Какие еще существуют потенциальные области графена? Такие возможности вполне могут включить замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников; внедрение в пластмассу, с целью придания ей высокой электропроводности; датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы; использование графеновой пудры в электрических аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности; внедрение в оптоэлектронику; создание более крепкого, прочного и легкого пластика и герметичных пластиковых контейнеров, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей; прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов; более крепкие ветряные двигатели; более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты; лучшее спортивное снаряжение; суперконденсаторы; мощнейшие высокочастотные электронные устройства; искуственные мембраны для разделения двух жидкостей в резервуаре; улучшение тачскринов; ЖКД (жидкокристаллические дисплеи); дисплей на органических светодиодах; графеновые наноленты позволят создать баллистические транзисторы; нанобреши в графене могут позволить создать новые техники скоростного секвенирования ДНК.

И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения. Человечество еще в самом начале длинного пути. Представьте себе, хотя бы, последствия только компьютерной революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1THz. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он вероятно станет для нас таким же обычным материалом, как пластиковые пакеты. Но не рвущиеся и не трущиеся — вечные. Может быть тогда и решится проблема современности — скопление мусора на планете? Или станет еще хуже…

 

Электронные свойства графена и других двумерных кристаллов Морозов, Сергей Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Углерод может формировать разнообразные аллотропные формы. Кроме графита и алмаза, которые были известны с давних времен, недавно открытые фуллерены и нанотрубки находятся в центре внимания научного сообщества. Однако были известны только 3-мерные (графит, алмаз), 1-мерные (нанотрубки) и 0-мерные (фуллерены) кристаллические формы углерода. До недавнего времени все попытки получить экспериментально 2-мерную форму углерода были безуспешными.

Эта двумерная форма (планарная гексагональная упаковка углеродных атомов) была названа графеном и, может быть, была более изучена теоретически по сравнению с другими аллотропами углерода по той причине, что графен является стартовой точкой для всех расчетов по графиту, фуллеренам и нанотрубкам. При этом многочисленные попытки синтезировать такие двумерные кристаллы оканчивались неудачей, результатом которых являлись только кристаллиты нанометрового размера.

Из теоретических работ следовало, что в чисто двумерной системе не может быть дальнего кристаллического порядка . Хотя позднее этот теоретический запрет в значительной степени был ослаблен для низкотемпературной фазы , оставалось сомнение, что графен как двумерный объект в трехмерном пространстве может быть устойчив — иными словами, не приводят ли флуктуации смещения к превращению графена в смятый комок или в другие аллотропные формы в процессе роста кристалла.

Так продолжалось до 2004 года, когда группа исследователей из Университета Манчестера и ИПТМ РАН (Черноголовка), включая автора диссертации, использовала простой подход для получения графена, что сделало графен одной из самых горячих тем современной физики твердого тела. Отдельная моноатомная плоскость была выделена из трехмерного кристалла графита с помощью техники, называемой микромеханическим расслоением (графит обладает ярко выраженными слоистыми свойствами и

может рассматриваться как совокупность двумерных графеновых кристаллов, слабо связанных между собой). Более того, тем же способом были получены двумерные кристаллы из других слоистых материалов, таких как нитрид бора, некоторые дихалькогениды и высокотемпературный сверхпроводник Bi2Sr2CaCu20x. Фактически, появился новый класс материалов — двумерные кристаллы, стабильные в свободном состоянии.

Графен, существовавший до 2004 г. как модельный объект, обладает уникальными электронными свойствами с фундаментальной точки зрения. Электроны в графене обладают линейным законом дисперсии, а энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости отсутствует, так что квазичастицы в графене подобно релятивистским частицам описываются двумерным уравнением Дирака для безмассовых частиц, а не традиционным для физики твердого тела уравнением Шредингера . На примере этой системы можно изучать фактически новый вид частиц — заряженные безмассовые Дираковские фермионы, нигде больше не существующие в природе. Такие свойства этих частиц, как двумерность, киральность, нулевая масса и отсутствие щели в спектре, приводят (как показано ниже) к ряду новых электронных явлений.

Изначально трудно было надеяться на практическую реализацию графена, и первоначальной мотивацией этой работы было создание полевого транзистора на основе полуметалла, в частности, на основе тонких пленок графита, что и удалось нам реализовать. С открытием графена, он немедленно заявил о себе, как о перспективном материале для целого ряда приложений. Являясь двумерной системой, графен обеспечивает абсолютный предел миниатюризации, по крайней мере в одном направлении, и идеальным образом подходит к современным планарным технологиям. Подвижность носителей заряда в графене достигает рекордных значений и почти не зависит от их концентрации. Это делает возможным реализацию в реальных приборах баллистического транспорта даже при комнатной температуре, что перспективно для высокочастотных и малошумящих

элементов микроэлектроники. Почти полная прозрачность, высокая проводимость, химическая инертность, а также возможность управления запрещенной зоной двухслойного графена делают его перспективным для оптоэлектронных приложений. Из «неэлектронных» приложений упомянем только такие, как газовые сенсоры, наномеханические резонаторы, элементы хранения водорода — и этот список можно продолжать.

Нам впервые удалось реализовать графен, и ранее он не изучался экспериментально. Уникальная зонная структура и необьшные свойства графена делают его исследование актуальным как с фундаментальной точки зрения, так и с целью его практического применения.

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании электронных транспортных свойств графена и других двумерных кристаллов, а также создании прототипов устройств на их основе.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

Разработать способ получения одно- и двухмонослойных кристаллов графена с помощью микромеханического расслоения. Изготовить на их основе микроструктуры, управляемые внешним электрическим полем.

Изучить магнитотранспортные свойства графена в широком диапазоне температур, магнитных полей и концентраций носителей.

Изучить трансформацию зонной структуры и магнитотранспортных свойств тонких пленок графита в зависимости от их толщины.

Исследовать механизмы рассеяния носителей заряда в графене.

Изучить процессы легирования графена из газовой фазы.

Получить двумерные кристаллы из других (не углеродных) слоистых материалов.

Научная новизна и достоверность. Основные результаты, положенные в основу диссертации, получены впервые, а ее научные выводы обоснованы, во-первых, согласием экспериментальных результатов с теоретическими выводами и, во-вторых, с более поздними экспериментами других авторов. По данным международной базы данных ISI Web of Knowledge, общее число цитирований печатных работ с соавторством диссертанта по теме диссертации превышает 6500 ссылок (на май 2010 г.), что подтверждает научную новизну работ. Кроме того, диссертант в 2008 году отмечен наградой международной базы данных Scopus, как соавтор самой цитируемой в мире научной статьи за последние 5 лет с российскими соавторами («1000 ссылок).

Практическая значимость работы:

1. Впервые создан полуметаллический полевой транзистор в Холловской конфигурации на основе тонких кристаллических пленок графита. Высокая подвижность носителей заряда в графитовых структурах не только при низкой, но и при комнатной температуре делают возможным их движение без рассеяния (баллистически) на субмикронных расстояниях даже при комнатной температуре. На сегодняшний день подвижность электронов достигает величины 20 000 см /В с. Эксперименты показали, что оценка верхнего предела подвижности носителей в графене ограничена значением 200 000 см /В с, если исключить сторонний беспорядок. Это делает графен перспективным материалом для высокочастотных и малошумящих приборов микроэлектроники.

2. Экспериментально продемонстрировано, что величина запрещенной зоны в двухмонослойном графене может варьироваться с помощью затвора в широких пределах (при допустимых пробойных полях подзатворного диэлектрика — в интервале от 0 до 0.2 эВ). Такая

уникальная возможность управления запрещенной зоной графена может быть использована в оптоэлектронных приборах.

1. Экспериментально показано, что в графене, в достаточно сильных магнитных полях, наблюдается квантовый эффект Холла даже при комнатной температуре, что может иметь важное значение для создания и использования метрологического стандарта на основе кванта сопротивления.

2. Изготовлены прототипы газовых датчиков на основе графена. Экспериментально продемонстрировано, что графеновые датчики способны достигать предельной чувствительности к различным газам, позволяющей регистрировать ступенчатые изменения сопротивления при адсорбции или десорбции даже одной молекулы.

3. Графен обладает высокой оптической прозрачностью (-98%), низким удельным сопротивлением и высокой химической стабильностью. Это делает его реальным кандидатом для использования в различных оптоэлектронных устройствах. Экспериментально продемонстрирована работа прототипов высококонтрастной ячейки жидкокристаллического дисплея, в которой роль прозрачного и хорошо проводящего электрода выполняет графеновая пленка.

4. Предложен метод получения многослойных графеноподобных пленок, использующий химическое расслоение объемных кристаллов графита с последующим осаждением кристаллитов из полученной суспензии практически на любую подложку.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Получен графен — монослойный лист кристалла графита, устойчивый в свободном состоянии и незащищенный от окружающей среды. Продемонстрировано, что двумерные кристаллы могут быть получены и из других слоистых материалов, таких как BN, M0S2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

1. В транзисторах с Холловской конфигурацией на основе графена наблюдался сильный амбиполярный эффект электрического поля, позволяющий изменять концентрацию индуцированных носителей заряда и величину проводимости в десятки раз.

2. Экспериментально продемонстрировано, что циклотронная масса в графене имеет корневую зависимость от концентрации носителей в графене, что указывает на линейный закон дисперсии.

3. Экспериментально обнаружены новые физические эффекты в монослойном графене, такие как «полуцелый» квантовый эффект Холла и квантовый минимум проводимости.

4. Получен и исследован двухмонослойный графен, который по электронно-физическим свойствам принципиально отличается как от монослойного графена, так и от объемного графита. Обнаружен новый, «киральный» квантовый эффект Холла в двухмонослойном графене.

5. Экспериментально продемонстрировано, что величина запрещенной зоны в двухмонослойном графене может варьироваться с помощью внешнего перпендикулярного электрического ПОЛЯ.

6. Обнаружено, что слаболокализационные поправки к проводимости в графене в слабых магнитных полях существенно подавлены.

7. Продемонстрировано, что изменение диэлектрического окружения и рассеивающих центров в приповерхностных слоях подложек слабо влияет на величину подвижности носителей в графене.

8. Показано, что гидрогенизация графена в водородной плазме приводит к образованию нового квазидвумерного кристалла — графана, обладающего диэлектрическими свойствами.

9. Изготовлены прототипы газовых датчиков на основе графена, позволяющие регистрировать ступенчатые изменения сопротивления при адсорбции или десорбции даже одной молекулы.

10. Экспериментально продемонстрирована работа прототипов высококонтрастной ячейки жидкокристаллического дисплея, в которой

роль прозрачного и хорошо проводящего электрода выполняет графеновая пленка.

Личный вклад автора состоял в непосредственном проведении большинства магнитотранспортных экспериментов, составивших основу представленных в диссертационной работе результатов, при участии К.С. Новоселова, Л.А. Пономаренко и D.C. Elias. Автор, наряду с А.К. Геймом и К.С. Новоселовым, внес существенный вклад в процедурах постановки задач, анализа и интерпретации результатов. Идея и первая реализация тонкопленочного графитового транзистора принадлежит К.С. Новоселову. Процессинг изготовления образцов проводили D. Jiang, СВ. Дубонос, Y. Zhang, А.А. Фирсов, F. Schedin, P. Blake, А.А. Жуков, R.R. Nair. Измерения на сканирующем туннельном микроскопе проводил В.В. Хоткевич. Исследования спектров Рамана проводили А.С. Ferrari, R.R. Nair. Теоретически расчеты принадлежат М.И. Кацнельсон, В.И. Фалько, Е. McCann, Eduardo V. Castro, А.Н. Castro Neto, Т.О. Wehling.

Апробация работы. Результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались на следующих конференциях:

VII Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2005», Москва, 2005 г.

13th International Symposium «Nanostructures: physics and technology», St.-Petersburg, Russia, 2005 r.

International conference «Micro- and nanoelectronics-2007» (1С MNE —

2007), Zvenigorod, Russia, 2007 r.

VIII Российская конференция по физике полупроводников, «Полупроводники-2007», Екатеринбург, 2007 г.

Международный форум по нанотехнологиям, Москва, 2008 г.

Санкт-Петербургский научный форум: «Наука и общество. Нанотехнологии: исследования и образование», С.-Петербург, 2008 г.

Второй Международный форум по нанотехнологиям, Москва, 2009 г.

Международная конференция «XXXV Совещание по физике низких

температур (НТ-35)», Черноголовка, 2009 г.

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на семинарах в ИФТТ РАН, ИПТМ РАН, а также на Научной сессии Отделения физических наук РАН (ФИАН, 2008 г.).

Публикации. Содержание работы опубликовано в 19 статьях в ведущих научных журналах, приведенных отдельным списком в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа содержит 192 страницы текста, включая 53 иллюстрации и библиографию из 210 ссылок.

Открытие графена произошло уже более десяти лет назад, а Нобелевскую премию за его открытие Андрей Гейм и Константин Новоселов получили еще в 2010 году. Но несмотря на то, что графен уже используется в некоторых устройствах, пока он не так сильно изменил нашу жизнь, как многие ожидали. О том, почему это так и какие новые двумерные материалы появились вслед за графеном, N+1 вместе с коллегами из «Известий», РИА Новости и «Популярной механики» побеседовал на 60-й научной конференции МФТИ с выпускником Физтеха нобелевским лауреатом Константином Новоселовым.

N+1: Константин Сергеевич, графен был открыт уже довольно давно, и вы говорили, что сейчас можно купить устройства, в которых он используется. Действительно ли сейчас уже есть такие устройства?

Такие технологии действительно есть, но они входят в нашу жизнь постепенно. Мы считаем, что графен является уникальным материалом, но он более-менее повторяет путь всех других материалов, особенно углеродных. Так же 50 лет назад происходило с углеродными волокнами. Сначала их использовали в спортивном инвентаре и в машинах. И у графена первое применение было в композитных материалах. А сейчас графен все больше используется для решения проблемы теплоотвода — одной из серьезных проблем современной микроэлектроники. Например, в батарейках графен используется для теплоотвода и для улучшения механических свойств.

Постепенно графен начинает использоваться для все более и более технологических приложений. Сейчас вы можете купить телефон или часы с тач-падом из графена. У меня есть несколько. Я купил их в частном порядке, в магазине, никто не подарил. Одна из наших компаний работает в области печатной электроники: мы печатаем RFID метки. А бывшая Nokia пытается развивать оптические камеры для инфракрасного диапазона на основе графена.

N+1: Насколько дешевы сейчас графеновые технологии?

Все зависит от приложения. Сенсорные панели, наверно, проигрывают по цене материалам на основе оксида индия и олова (ITO — indium tin oxide). А RFID-метки — наоборот, очень дешевые по сравнению с медными или алюминиевыми.

Константин Новоселов

Евгений Пелевин / Пресс-служба МФТИ

Поделиться РИА: В научной фантастике часто рассказывают про броню из графена, солнечные паруса из графена, какие-то строительные конструкции. Можно ли будет создавать в будущем конструкции из графена площадью хотя бы с телевизор?

Они есть, их уже делают.

РИА: А более масштабные?

И такие, наверно, делают. Но пленку размером с один телевизор легко сделать.

РИА: Даже в промышленных условиях?

Да, вы можете купить лист графена размером метр на метр, принципиальных проблем здесь нет. Это вопрос рынка: есть ли на это спрос.

Одна из компаний, работающих с LG, пытается использовать графен в качестве барьера для влаги. Сейчас с помощью технологии непрерывного роста они могут получать непрерывную графеновую ленту шириной 20 сантиметров. При такой технологии образующуюся ленту просто подрезают на выходе. Следующая их цель — сделать ленту шириной полметра.

РИА: Пять лет назад вы опубликовали одну из первых статей, посвященных графеновым транзисторам. Удалось ли вам создать «чистый» графеновый транзистор без добавлений каких-то примесей, или это пока нельзя реализовать?

Графеновые транзисторы существуют, но из-за того, что у графена нет запрещенной зоны, они работают не так хорошо. Поэтому мы попытались придумать, как этой проблемы избежать. Для этого мы сделали гетероструктурные транзисторы. Я думаю, что полупроводниковая промышленность заинтересована в подобных материалах, но будут ли именно они использоваться или нет — я не знаю, поскольку эта технология слишком сильно отличается от той, которая используется в традиционных транзисторах.

С другой стороны, мы опубликовали нашу статью, а буквально через полгода Samsung опубликовал в том же журнале статью об очень похожем транзисторе. Но он был на порядок проще, чем наш туннельный транзистор. Наши устройства без графена работать не будут, а с графеном они работают, и их можно сделать, но вопрос, готова ли технология к тому, чтобы это использовать.

ПМ: Из всех этих применений, которые появились за все эти годы, какое применение было на ваш взгляд самым странным (вот недавно, например, из оксида графена сделали фильтр для виски), а какое — таким, о котором вы подумали: черт, жаль, что это сделали не мы?

Вообще у графена применений много, но пока не все они интересны. В данный момент все пытаются просто заменить другой материал графеном. Получается чуть-чуть лучше, но и только. Гораздо интереснее было бы создавать принципиально новые приборы, используя всю комбинацию уникальных свойств графена. Мы сделали, например, контактные линзы, которые могут менять фокус. Для этого нам нужен прозрачный, проводящий, гибкий и прочный материал. И это именно графен, другого такого материала нет. Поэтому мы пытаемся искать для графена такие применения, которые без него в принципе были бы невозможны. Очень легко взять графен и засунуть вместо чего-то другого, а вот придумать ему новое применение не так просто.

«Известия»: А эта технология с линзами уже выходит на промышленное производство или еще нет?

Нет, далеко еще не выходит, этим нужно заниматься. Мы все-таки ученые, мы можем показать, продемонстрировать, что это возможно. А дальше кто-то должен развивать эти технологии. Развитие технологий — это так же сложно и так же долго, как и исследования в лаборатории, если не дольше.

«Известия»: Во время своего выступления на конференции вы говорили про применение графена для военной авиации и создания стелс-технологий. Такие технологии тоже уже существуют?

Активно над такими технологиями работают китайцы. В Китае есть институт Beijing Institute of Aeronautical Materials, который занимается всеми материалами для китайской авиации. Я с ними общаюсь, но они далеко не все мне рассказывают. Они, в частности, наши материалы проверяют на возможность использования для стелс-технологий, но при этом проверяют и свои материалы и не всегда рассказывают нам что лучше. У них есть очень хорошие разработки по сверхсплавам, которые они используют для лопаток турбин. В одну часть турбины ставятся титановые сплавы, в другую — суперсплавы. Добавление графена сильно улучшает характеристики таких сплавов. В Китае ходят слухи, что какие-то самолеты уже с ним летают. Я не знаю. Но то, что они туда добавляют графен, и свойства меняются в лучшую сторону, это правда — мы участвовали в тестировании.

Графен против нанотрубок

Графен является не единственной низкоразмерной модификацией углерода. Кроме него, существуют углеродные нанотрубки, в которых графеновый слой свернут в однослойную или многослойную трубку, фуллерены — молекулы, в которых атомы углерода располагаются по вершинам усеченного икосаэдра, — или более необычные пентаграфен или фаграфен. Подробнее о самых интересных формах углерода вы можете прочитать в нашем материале. Поделиться ПМ: Вы, наверняка, знаете про компанию «Оксиал» в Новосибирске, которая делает одностенные нанотрубки в каких-то огромных количествах. На своем сайте они предлагают купить сто грамм нанотрубок примерно за 50 тысяч рублей. То есть их уже научились производить довольно много и довольно дешево.

Я не уверен, что это дешево.

ПМ: По крайней мере, более-менее доступно. Вы можете объяснить читателям, чем отличается графен от углеродных нанотрубок с точки зрения их возможного применения?

Нанотрубка — это свернутый в трубку графен. Это одномерный объект, а графен — двумерный. В зависимости от применения, вам лучше использовать либо одно, либо другое. Например, если нужно сделать транзистор, то по современной технологии надо сначала получить сплошную поверхность, и потом из нее вырезать транзистор. С нанотрубками это сделать гораздо сложнее.

Структура одностенной углеродной нанотрубки

Wikimedia commons

Поделиться ПМ: А можно ли сделать те же RFID метки не на графене, а на нанотрубках?

Я думаю, что это было бы гораздо дороже. И я не уверен, что оно бы так же хорошо работало. Потому что для этих меток очень важно получить низкое сопротивление. Я думаю, что с использованием графена это получается лучше. Наверное, это в принципе возможно, но будет дороже и хуже.

ПМ: Есть такая мечта (кажется, об этом говорил Обама), что очень хочется получить краску, которой можно было бы покрасить, например, дом и превратить его таким образом в солнечную батарейку.

Да, такими проектами мы как раз занимаемся.

ПМ: И что мешает создать реальную технологию?

В лаборатории это уже существует, но от лаборатории до реальных технологий нужно очень-очень долго идти. Встают вопросы цены, технологичности их нанесения и эффективности. И на каждый из этих сложных технологических вопросов нужно поставить по 10 человек, чтобы они помогали решать их в течение 2-3 лет. Давайте я вам вопрос задам. Вы представляете себе компьютер? Там есть микропроцессор. Эти микропроцессоры делаются из кремния на заводах. Представьте: на заводы приходит тоненькая пластина, там стоят разные станки, на которых выполняются разные операции. Как вы думаете, за какое время из пустой пластины будет сделан микропроцессор?

РИА: Сутки? Месяц?

Три месяца. От одного до трех месяцев. Это только для того, чтобы сделать один микропроцессор. А эту технологию еще нужно отточить, и каждый эксперимент занимает три месяца. Так что разработка технологии — это очень сложный процесс. А люди этого не понимают. Для людей современная технология — это добавить кнопку в Фейсбуке. Я ничего плохого не могу сказать про big data, но все-таки нужно понимать, что такие технологии за один день не рождаются. Это годы упорного труда.

ПМ: А вы уверены, что такие краски, если они появятся, будут именно на графене, а не на нанотрубках, например?

Они конечно, появятся, но на чем они будут работать — не знаю. Я сегодня говорил, что мы создали Институт графена, но исследовать в нем только графен — неправильно. Нам нужно двигаться куда-то дальше. Разумеется, я надеюсь, что в своей жизни смогу придумать еще какой-то материал, который будет более интересен, чем графен. Но, если честно, это вряд ли произойдет. Графен — это только шестиугольники из углерода, проще некуда. Как правило, что-то простое всегда работает. Но надежда всегда есть. Поэтому я не знаю, будут ли, например, краски сделаны из графена или из чего-то еще. Мы чему-то научились с этим материалом, графен открыл дорогу многим другим двумерным материалам. И сейчас мы в основном сфокусированы на других двумерных материалах.

Двумерные материалы

Сейчас ученые могут получать двумерные кристаллы, которые по своим электронным свойствам от графена сильно отличаются. Это могут быть полупроводники, сверхпроводники, изоляторы или ферромагнетики. Например, нитрид бора, ближайший структурный аналог графена, является изолятором. А полупроводниковые двумерные кристаллы обычно получают из халькогенидов переходных металлов (в основном, это сульфиды и селениды вольфрама и молибдена). Наиболее популярным среди них сейчас является сульфид молибдена, но существует и большое количество других соединений с разной шириной запрещенной зоны. Большая часть из них работает в ультра-фиолетовой области, поэтому наиболее перспективным материалом для будущих телекоммуникационных технологий считаются материалы на основе двумерного теллурида молибдена, который работает в той же области длин волн, что и кремниевая электроника. Поделиться ПМ: Вы можете назвать три главных конкурента графена среди этих двумерных материалов?

Они все разные, и они не конкуренты, они друг друга дополняют. Например, для солнечной батареи вам нужен материал, который хорошо поглощает солнечный свет. Графен все-таки не такой, он прозрачный. Поэтому для этого мы используем те материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, например, дисульфид молибдена. Я рассказывал про относительно новый материал теллурид молибдена, который мы хотим использовать в кремниевой фотонике. Такие работы уже есть, но пока это только экспериментальные работы. После них должен последовать рост в технологиях, а в технологии можно споткнуться и на ерунде. Вот, например, будет температура отличаться от нужной на 10 градусов. Чтобы получить нужный материал, нам нужно на 10 градусов больше, а на производстве — на 10 градусов меньше. И это никак не изменить.

Структура двумерного кристалла дисульфида молибдена

Wikimedia commons

Поделиться РИА: Почему-то дисульфид молибдена в прессе встречается достаточно редко и не приобрел такой статус, как графен. Хотя по многим параметрам он обходит его.

Просто графен — это все-таки уникальный материал. Он очень простой, и при этом обладает набором уникальных свойств. В случае графена с помощью очень простой модели можно получить очень красивый результат. Но как такой результат будет потом использоваться в применениях, я не знаю. Но то, что в графене очень симпатичная физика — это доказано.

РИА: В дисульфиде молибдена, получается, менее симпатичная?

Нет, там тоже есть очень красивые эксперименты, но они немножко более сложные. Например, недавно там был очень красивый эксперимент по контролированию квантового состояния экситона. Там тоже можно много чего сделать. Но это немного сложнее и менее интуитивно понятно, поэтому широкая публика об этом мало что знает.

N+1: А можно ли как-то предсказать, какой именно двумерный материал будет обладать какими-то интересными свойствами? И связаны ли свойства этого двумерного материала со свойствами трехмерного кристалла?

Они часто связаны, но определенные отличия есть. Свойства можно пытаться предсказать, но вопрос, насколько эти предсказания будут точны. Сейчас есть много проектов (по-английски это называется «material genomics»), в которых люди с помощью расчетов смотрят на какие-то материалы и пытаются предсказать их свойства. Сейчас уже существует довольно большое количество материалов, которые можно получить. И исследовать их все экспериментально очень сложно. Поэтому мы очень сильно стараемся развить теорию.

N+1: То есть какой-то однозначной связи между свойствами трехмерного кристалла и одноатомной пленки нет?

Она есть, и до какой-то степени свойства двумерных кристаллов можно предсказать, но не на сто процентов.

«Известия»: И как вы сужаете круг «подозреваемых»? Чисто теоретически? Используете ли вы какие-то алгоритмы?

Я этим не занимаюсь, но есть люди, которые этим занимаются, и я читаю их статьи. Я думаю: «А вот здорово было бы исследовать, например, двумерные ферромагнетики. Давайте поищем, что сейчас существует, и сделаем». То есть, теоретики предсказывают, а мы выбираем из их предсказаний то, что нам интересно. Иногда мы сами выдумываем, что бы такого интересного попробовать, и пробуем более-менее наугад.

ПМ: Михаил Кацнельсон говорил, что за 50 лет теоретического изучения графена, когда самого графена еще не было, было получено теоретических знаний в 10 раз меньше, чем за пять лет после его получения. Возникает вопрос, а зачем тогда нужны физики-теоретики? Они предсказали, что графен не может существовать. Как вот вы, например, взаимодействуете с теоретиками?

Взаимодействие экспериментаторов и теоретиков очень важно. Есть проекты, где лидируют теоретики, где они нам подсказывают эксперименты. Есть проекты, где я придумываю эксперимент, потому что мне кажется, что система должна вести себя определенным образом.

ПМ: Вы можете привести самый яркий пример вот такого эксперимента?

Это сложно. Практически все наши проекты проходят в коллаборации с теоретиками. Какие-то очень простые вычисления я и сам могу сделать, по каким-то мне приходится общаться с теоретиками, математиками. Например, проблема экситонов во всех новых двумерных материалах — довольно-таки сложная. Чтобы рассчитать все возможные переходы, мы общаемся с теоретиками.

N+1: А все эти двумерные кристаллы — это обязательно одноатомные пленки? Или это может быть двухатомный или трехатомный слой? В какой момент у такого материала теряются его уникальные двумерные свойства, и графен становится графитом?

Это всегда вопрос. Один слой ведет себя совершено не так, как два. По электронной структуре это очень здорово видно. А два слоя ведут себя не так, как три. При этом три слоя можно еще и составить по-разному. Можно вот так, а можно вот так (показывает на пальцах разные ориентации одного слоя относительно другого — прим. N+1). И они себя тоже ведут по-разному. Это сложно сказать, и я не уверен, что есть смысл проводить такую градацию. В зависимости от применения иногда нужно иметь один слой, иногда два, иногда три, иногда пять. Это зависит от конкретного приложения.

Многослойные пироги

Объединив несколько одноатомных слоев разного состава в многослойные гетероструктуры, можно получить сложные функциональные устройства, состоящих из нескольких элементов, выполняющих разные функции: например, для кодирования, в качестве транзисторов или солнечных батарей. Чтобы получить такие сложные многослойные структуры, студентам из группы Константина Новоселова приходится атом за атомом с помощью вандерваальсовых пинцетов составлять нужный двумерный кристалл. В результате один слой нужного состава можно составить примерно за полдня, а на сборку некоторых сложных гетероструктур уходит до полутора недель. Поделиться N+1: Вы много изучаете гетерогенные многослойные структуры. За счет чего вообще такие структуры возможны? Почему один слой с другим связывается? Это только сила Ван-дер-Ваальса?

Да, это только сила Ван-дер-Ваальса.

N+1: Разве эти силы не больше обычных сил Ван-дер-Ваальса?

Нет, это те же самые силы Ван-дер-Ваальса. Они довольно-таки сильные. Но не бесконечно сильные, поэтому иногда мы видим, что, например, слои сами по себе поворачиваются. С одной стороны, это не очень хорошо, потому что эти повороты иногда ломают контакты или еще что-то. А с другой стороны, мы можем попробовать использовать это в полезных целях. Можно представить эту систему как наномоторчик, который мы можем заставить поворачиваться на микро- и наноуровне. И это само по себе будет интересно.

Структура гетерогенного кристалла, составленного из слоев различного состава

K. S. Novoselov et al./ Science, 2016

Поделиться N+1: И такое взаимодействие будет возникать между любыми слоями?

Нужны атомарно плоские слои, а сила притяжения зависит от их химического состава. Между каким-то слоями взаимодействие лучше, между какими-то — хуже. Мы, в основном, работаем с таким, где сильное взаимодействие.

ПМ: А предсказать свойства такого многослойного пирога — это пока тяжелая задача?

Да, это всегда очень сложно понять. Эта система сама по себе очень сложная. Как нас учили на физтехе, всегда нужно найти малый параметр и им пренебречь. И нужно определить, каким именно параметром можно пренебречь в конкретном случае. Это наша задача, экспериментаторов. Мы пренебрегаем, и смотрим, получается ли в этом случае описать поведение системы. Если нет, то начинаем этот параметр учитывать. Это сложный итерационный процесс изучения новых материалов.

Александр Дубов