Статья за распространение о здоровье человека. За разглашение вич-статуса можно договориться и до суда. Как доказать факт раскрытия сведений

Не так давно компания Samsung объявила о том, что её учёные открыли недорогой способ массового производства графена. В данном материале мы попытаемся рассказать, что такое графен и почему его принято называть «материалом будущего».

Что такое графен?

Графен - это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Графен был открыт в 2004 году двумя выходцами из России - Андреем Геймом и Константином Новосёловым - которые, как это часто бывает, не смогли реализовать свой научный потенциал в родной стране и уехали работать в Нидерланды и Великобританию соответственно. За открытие графена Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Открыватели графена Андрей Гейм и Константин Новосёлов

Чем он интересен?

Необычные свойства графена сулят этому материалу блестящее будущее. Мы перечислим лишь некоторые из них, которые на наш взгляд, представляют максимальный интерес.

Начнём с механических свойств. Графен обладает очень высокой прочностью. Лист графена площадью в один квадратный метр (и толщиной, напомним, всего лишь в один атом!) способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Вследствие двумерной структуры, графен является очень гибким материалом, что в будущем позволит использовать его, например, для плетения нитей (при этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату). Кроме того, в определённых условиях графен способен сам «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре.

Графен - это материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла, что делает его идеальным для применения в различных электронных устройствах, особенно если впомнить о его гибкости и полной оптической прозрачности. Уже были изготовлены экспериментальные солнечные батареи, в которых графен используется в качестве замены сравнительно дорогого селенида индия. При этом «графеновые» солнечные батареи демонстрируют более высокую эффективность.

Гибкая подложка с графеновыми электродами

Ещё одно возможное применение графена - создание гибкой электроники и, в частности, гибких дисплеев. Сейчас в экранах (как жидкокристаллических, так и OLED) в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, который относительно дорог и при этом хрупок. В этом смысле высокая прочность и гибкость графена делают его идеальным кандидатом на замену. Широкое распространение графена наверняка даст хороший стимул развитию носимой электроники, поскольку позволит встраивать чипы в одежду, бумагу и другие повседневные вещи.

Тестовая пластина с «графеновыми» чипами IBM

Графен также рассматривается в качестве перспективного материала для создания полевых транзисторов, что открывает широкие возможности по миниатюризации электроники. Например, в последнее время принято говорить о том, что знаменитый «закон Мура» скоро себя исчерпает, поскольку классический кремниевый транзистор нельзя уменьшать бесконечно. В то же время транзисторы, в которых используется графен, можно сделать очень небольшими без потери полезных свойств. Компания IBM уже объявила о создании интегральных схем на основе графеновых транзисторов, которые к тому же способны бесперебойно работать при температурах до 128 градусов Цельсия.

Схема работы графенового фильтра

Также графеновая плёнка, как оказалось, является отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, в будущем это поможет снизить стоимость опреснения морской воды. Несколько месяцев назад компания Lockheed Martin представила графеновый фильтр для воды под названием Perforene, которые, по утверждению производителя, на 99% снижает энергетические затраты на опреснение.

Наконец, не можем не отметить, что благотворительный Фонд Билла и Мелинды Гейтс в прошлом году выделил грант в размере 100 тысяч долларов на «разработку новых композитных эластичных материалов для презервативов, включающих наноматериалы типа графена».

В сухом остатке

У каждой эпохи есть своё ключевое открытие, которое задаёт темпы и направление прогресса на много лет вперёд. Например, металлургия стала основой промышленной революции, а изобретение полупроводникового транзистора в XX веке сделало возможным появление современного мира в том виде, каким мы его знаем. Станет ли графен таким чудо-материалом XXI века, который позволит создавать устройства, о которых мы сейчас и не догадываемся? Вполне может быть. Пока же нам остаётся только с интересом следить за исследованиями в этой области.

Графит используется в карандашах с 1564 г. Как минерал его описал Геснер в 1565 г., название дал Вернер Шееле в 1779 г. от греч. γράφω – рисовать, писать.

Графит состоит из атомов углерода, является полуметаллом, поскольку с ростом температуры сопротивление уменьшается.

Кристалл графита представляет собой стопку плоских шестиугольных кристаллических решеток. Соседние слои расположены на расстоянии 3,37 Å друг от друга и повернуты на , их положения повторяются через одну решетку для α-гафита, и через две – для метастабильного β-графита. Между решетками связи ван-дер-ваальсовы – сила притяжения вызвана диполь-дипольным взаимодействием. Сила слабая, решетки отделяются друг от друга, оставляя след карандаша на бумаге. Отделенная от графита плоская гексагональная решетка называетсяграфеном.

Толщина графена ~(0,6–0,8) Å, расстояние между соседними атомами 1,42 Å. Связи ковалентные – валентные электроны соседних атомов являются общими для двух атомов – в своем движении охватывают оба атома. Связи сильные, поэтому решетка практически не имеет дефектов.

Графен в туннельном микроскопе

Свойства графена

1. Химически стабилен, оптически прозрачен. Графен на Si, покрытом слоем SiO 2 толщиной d ~ 300 нм, наблюдается оптически в виде темного пятна. Модуль Юнга превышает сталь в ~20 раз.

2. Атом углерода имеет четыре валентных электрона, три обеспечивают ковалентные связи с соседними атомами гексагональной решетки. Четвертый не образует ковалентной связи, его орбиталь сосредоточена вблизи перпендикуляра к кристаллической плоскости. Орбитали соседних атомов направлены в противоположные стороны от плоскости. Поэтому гексагональная решетка состоит из двух треугольных подрешеток. Проводимость без свободных носителей обеспечивается перескакиванием четвертого электрона с одного атома на другой в обеих подрешетках. Отсутствие этого электрона является дыркой.

3. В пространстве векторов обратной решетки первая зона Бриллюэна имеет форму шестиугольника с двумя неэквивалентными вершинами
и
, называемымиточками Дирака . От этих точек отсчитывается энергия. Области около точек Дирака называются долинами . В долинах при
зонная структура имеет коническую форму. На рис. a 0  2,46 Å.

Решетка графена Зона Бриллюэна

и элементарная ячейка (u , v , w , z ) обратной решетки

Зоны графена

Точка Дирака K совпадает с уровнем Ферми, в ней соприкасаются зона проводимости с валентной зоной, запрещенная зона отсутствует. В зоне проводимости носителем тока является электрон, в валентной зоне – дырка. При комнатной и более низкой температуре носители тока находятся вблизи уровня Ферми.

4. Электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу , высокую подвижность и при комнатной температуре проходят без рассеяния более 1 мкм – тысячи межатомных расстояний. Проводимость конечная даже при нулевой концентрации свободных носителей тока и равна кванту проводимости
, где множитель 4 учитывает электрон и дырку в двух долинах.

5. В графене наблюдается релятивистский эффект Клейна – при нормальном падении на потенциальный барьер любой высоты электрон проходит его без отражения.

6. В магнитном поле спектр не эквидистантный, как для уровней Ландау, имеется уровень с нулевой энергией. Магнитные состояния термостабильны – разность энергий уровней превышает тепловую энергию при комнатной температуре
.

7. Нанолента графена может быть полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, или полупроводником с запрещенной зоной, ширина которой зависит от поперечного размера наноленты, от кристаллической формы края, от посторонних атомов, присоединенных к краю, от внешних электрического и магнитного полей.

8. В графене наблюдается целочисленный квантовый эффект Холла при нормальной температуре в сильном магнитном поле ~30 Тл.

9. Упругое напряжение сдвига вдоль главных кристаллографических направлений раздвигает конусы энергетических зон в точках Дирака в противоположные стороны и создает поля, подобные электромагнитному полю.

10. Молекулы, адсорбированные на поверхность графена, выступают как доноры (
,
,
), как или акцепторы (
,
). В результате изменяется концентрация носителей тока и сопротивление графена. Поэтому графен являетсясенсором отдельных молекул.

11. Для движущихся носителей заряда n –p -переход в графене создает отрицательный показатель преломления . Плоский n – p - переход преобразует расходящийся электронный пучок в сходящийся.

12. Присоединение атомов водорода к атомам графена посредством химической реакции дает графан , являющийся диэлектриком с энергетической щелью ~5,4 эВ. Комбинирование на одной пленке графена и графана (проводника и изолятора) создает устройства с разнообразными физическими свойствами.

13. На основе графена получен полевой транзистор p -типа в 2006 г., из графеновой наноленты создан полевой транзистор n -типа в 2009 г. Размеры затворов ~10 нм.

14. Графен является перспективным материалом в наноэлектронике – в элементах памяти, в солнечных элементах, как накопитель электроэнергии, как оптически прозрачный электрод с высокой электро- и теплопроводностью, как стандарт электрического сопротивления, как транзистор терагерцевого диапазона частот (
). Главным препятствием для широкого использования графена является трудность получения при массовом производстве качественной однослойной решетки площадью 100х100 мкм и выше.

Получение графена . В 1935–37 г.г. Р. Пайерлс и Л.Д. Ландау доказали, что в двумерной системе отсутствует дальний кристаллический порядок. Тепловые флуктуации смещений атомов вызывают искривление плоскости и ее самопроизвольное сворачивание. В 1973–77 г.г. показано, что при низких температурах может быть квазидальний порядок. Критические температуры и расстояния были неизвестны. В 2004 г. К.С. Новоселов, А.К. Гейм и С.В. Морозов получили графен площадью до 1000 мкм 2 методом микромеханического расслоения графита при трении о поверхность окисленного кремния. Графен в виде мембраны в пространстве, или на подложке, оказался механически стабильным при комнатной температуре. Тепловые колебания вызывают лишь локальные искривления нанометрового размера – рипплы .

Методы получения :

Мембрана графена получается отделением графенового слоя от подложки путем ее травления. Далее графен переносится на устройство. На рис. (а ) показан электромеханический резонатор на основе графена. Графен и подложка из Si образуют конденсатор. Переменное электрическое поле вызывает колебания графена. На рис. (б ) дано изображение реального устройства в сканирующем электронном микроскопе с масштабом 1 мкм.

Концентрация свободных носителей тока , степень заполнения зон и положение уровня Ферми регулируется затвором. Электрическое напряжение V прикладывается между подложкой из кремния и графеном. В зависимости от полярности напряжения графен обогащается электронами или дырками, возникает p - n переход.

Величина напряжения ограничена пробоем диэлектрика SiO 2 толщиной
нм с
. Возникающий конденсатор имеет электроемкость

,

n – поверхностная концентрация зарядов;

S – площадь графена.

Поверхностная концентрация свободных носителей тока пропорциональна напряжению

.

Достигнуто значение

.

В случае дырок это означает удаление практически всех электронов, которые не задействованы в ковалентных связях. Минимальное значение

.

При нормальной температуре носители тока имеют высокую и слабо зависящую от температуры подвижность

.

Она существенно снижается при помещении графена на SiO 2 . Отсутствие дефектов решетки не дает рассеяния. В результате велики время рассеяния
и длина свободного пробега
даже при комнатной температуре, что соответствуетбаллистическому движению зарядов . Эти данные сопоставимы с показателями для гетероструктуры GaAs-AlGaAs при низкой температуре

,
,
.

Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.

Основное направление новой области науки

Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.

Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.

Нанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.

Область применения

Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:

Устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;
- различная видеотехника;
- сенсоры, полупроводниковые транзисторы;
- информационные, вычислительные и информационные технологии;
- наноимпринтинг и нанолитография;
- устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;
- оборонные, космические и авиационные приложения;
- биоинструментарий.

На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.

Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.

Новый материал

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.

Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.

История открытия

Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.

Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме.

Использование нового материала

По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.

Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить в Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.

Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.

Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.

Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.

На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.

Также графен и его применение актуальны для:

Высокочастотных высокомощных электронных устройств;
- искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;
- улучшения свойства проводимости различных материалов;
- создания дисплея на органических светодиодах;
- освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
- улучшения жидкокристаллических дисплеев;
- создания баллистических транзисторов.

Использование в автомобилестроении

Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.

Графен-полимерный аккумулятор - прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.

Сенсорные экраны

Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.

Ученые получили графеновый лист прямоугольной формы и превратили его в прозрачный электрод. Он-то и участвует в работе сенсорного дисплея, отличаясь при этом долговечностью, повышенной прозрачностью, гибкостью, экологичностью и низкой стоимостью.

Получение графена

Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:

Механической эксфолиации;
- эпитаксиального роста в вакууме;
- химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).

Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.

При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.

Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.

Где производится графен?

На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя - Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.

Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.

Сравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. В составе этого столь необходимого для оптических приборов элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до 1000 раз). При этом наблюдается и снижение потребления электроэнергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.

Получение в бытовых условиях

Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Оксиды наноматериала

Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.

Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.

Биомедицинское применение

Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Индустриальное применение

Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.

Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Создатели графена:

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

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

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

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

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

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

В настоящее время является профессором университета Манчестера.

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

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

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

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

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников