Слово "суперматериал" стало достаточно популярным в последнее время: керамический суперматериал, аэрогелевый суперматериал, эластомерный суперматериал. Но один суперматериал затмевает их всех, заработав своим изобретателям Нобелевскую премию, и определив предел научного ажиотажа и вдохновения. У него есть потенциал революционизации обработки информации, хранения энергии, и даже исследования космоса... но он пока ничего не достиг. Он называется графен, и это дедушка всех прорывов в области современного материаловедения. Графен обладает потенциалом одного из самых разрушительных одиночных изобретений всех времен - но почему?

Ученые говорили о графене большую часть последних ста лет, хоть и не всегда называя его этим именем. Идея была достаточно проста: а что если бы мы могли взять алмаз и нарезать его пластинками, толщиной в один атом? Это позволит сделать его так называемым двухмерным веществом, сделанным полностью из углерода, но обладающим такой гибкостью, которая никогда не будет доступна алмазу. У него не только невероятные физические свойства, которые вы можно получить от листового кристалла (он широко цитируется как самый прочный материал по отношению к весу), но он также обладает невероятно высокой электрической проводимостью. Учитывая атомарный размер, графен мог бы предоставить гораздо, гораздо более плотное расположение транзисторов в процессоре, например, и позволить индустрии электроники сделать огромные шаги вперед.

Исследования показали, что в то время, как нарезка алмаза может быть очень сложной, атомно-тонкий углерод крайне легко добывать в малых количествах. Кусочки графена даже получаются, когда школьники пишут чистым графитом на бумаге.

Однако, несмотря на некоторые храбрые попытки получить его на начальном уровне, пришлось ждать до 2004 года, когда, наконец, графен смогли создать достаточно быстро и большого размера, чтобы тот стал полезным. Техника основана на так называемом "снятии" слоев графена с образца при помощи "метода скотча", который заключается в приклеивании и срывании скотча с графита. С каждым отрыванием скотча, с графита снимается по несколько атомов. Английской команде впоследствии присудили Нобелевскую премию за выяснение того, как экономно создать субстанцию, которая, после премии, захватила все научно-исследовательские лаборатории.

Структура графена на молекулярном уровне.

Но волнение все еще сохранилось. Почему? Ну, потому что потенциал материала настолько велик, что его игнорировать просто невозможно.

Невероятные физические свойства графена практически умоляют применить его в разного рода сложных экспериментах. Если бы удалось из такого волокна соткать нить хотя бы в метр длиной, ученые полагают, ее прочность и гибкость были бы достаточно высоки, чтобы нить можно было бы использовать для лифта в космос. Этого кусочка хватило бы чтобы растянуть его от поверхности Земли до геостационарной орбиты. Эти научно-фантастические изобретения станут реальными если производство графена наладится на постоянной основе.

Графеновая вода, тест IBM.

Графен может быть революционным для самых разнообразных областей науки и техники. В биоинженерии ученые пытаются использовать невероятно малый размер графена, чтобы проникнуть в стенки клетки, вводя в нее молекулу, которую хотят ученые. Графен также может использоваться для создания ульра-тонких и анти-биотических водных фильтров для быстрой, простой фильтрации потенциально опасной питьевой воды. Он мог бы просто позволить строительство и дизайн при более маленьких масштабах, чем прежде, и совсем не удивительно, что дизайнеры и инженеры теряют голову, когда речь заходит об этом материале.

Однако, есть ограничения для практически идеальной полезности графена. Несмотря на его высокую проводимость, графен не обладает полезной маленькой "запрещенной зоной", которая нужна для многих приложений в мире электроники. Запрещенная зона вещества это разность потенциалов между проводящей и непроводящей полосой для электронов в этом веществе. А использование приложенного тока для движения электронов между этими состояниями является основой всех современных вычислительных систем. Без умения легко переключать графеновый транзистор между "вкл" и "выкл", регулируя протекающий через него ток, графеновый процессор будет первопроходцем-альтернативой стандартному цифровому исчислению.

Трисульфид титана является примером нового, вдохновленного графеном материала.

Проблема запрещенной зоны также ограничивает графен в усовершенствовании солнечной энергии. Низкое электрическое сопротивление графена может сделать технологии солнечных панелей в разы эффективней, но энергия, которая хранится в фотоне, слишком мала, чтобы активировать графеновый транзистор. Добавление разных загрязнителей в графен для повышения поглощающей способности было основным источником исследования, так как недостаток проводимости графена и его свойство быть запрессованным достаточно плотно, могут предоставить огромный прирост производства энергии, причем очень быстро. Впрочем, как и со всеми изобретениями, основанными на графене, чтобы убедиться с их работоспособности, надо подождать.

Слово "графен" очень часто взаимозаменяемо используется с понятием "карбоновые нанотрубки" или CNT. CNT - полностью соответствуют названию: это листы графена, свернутые в нано-трубки. Стенки трубки толщиной всего в один атом, но трубка более стабильна, и менее активно реагирует с другими веществами, чем простой листовой графен. Многие исследователи добились большего успеха, используя технологию CNT, но поскольку углеродные нанотрубки сделаны из графена, многие из наиболее перспективных применений по-прежнему сдерживаются основной неэффективностью производства.

Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения.

Уже давно решено, что графен изменит мир - единственный вопрос в том, будет это непосредственно, или косвенно. На самом деле, вывод графена на рынок, влияние графеновых технологий на мир - вот что имеется в виду. Но также легко представить, что множество конкретных, графеноподобных материалов с учетом специфики каждого конкретного применения, превзойдут сам графен. Все равно, даже если единственным достижением материала станет вдохновение нового поколения науки двумерных материалов, он будет иметь невероятно большое значение в формировании облика современной технологии.

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

Что такое графен

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

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

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

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

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

Способ получения и свойства

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

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

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

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

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

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

Возможные способы применения графена

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

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

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

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

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

Математическая формулировка...

Получение

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 (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окислённого кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена) или используя комбинационное рассеяние . Используя стандартную электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы . Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида . Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана , тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм . Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита .

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

Дефекты

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

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

Возможные применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор . Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным из-за отсутствия запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния, пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе . В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше, чем в кремнии , используемом в микроэлектронике) 10 4 см²·В −1 ·с −1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения предложена в статье и заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH 3 , , H 2 O , NO 2 . Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO 2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы , что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работе теоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. В работе было показано, что NO 2 молекула является хорошим акцептором благодаря своим парамагнитным свойствам, а диамагнитная молекула N 2 O 4 создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Ещё одна перспективная область применения графена - его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг) .

Недавно был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC) . Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

Физика

Физические свойства нового материала можно изучать по аналогии с другими подобными материалами. В настоящее время экспериментальное и теоретическое исследование графена сосредоточено на стандартных свойствах двумерных систем: проводимости, квантовом эффекте Холла, слабой локализации и других эффектах, исследованных ранее в двумерном электронном газе .

Теория

В этом параграфе кратко описываются основные положения теории, некоторые из которых получили экспериментальное подтверждение, а некоторые ещё ждут верификации .

Кристаллическая структура

а соответствующие им векторы обратной решётки:

(без множителя ). В декартовых координатах положение ближайших к узлу подрешётки A (все атомы которой на рисунке 3 показаны красным) в начале координат атомов из подрешётки B (показаны соответственно зелёным цветом) задаётся в виде:

Зонная структура

Кристаллическая структура материала находит отражение во всех его физических свойствах. В особенности сильно от порядка, в котором расположены атомы в кристаллической решётке, зависит зонная структура кристалла.

Линейный закон дисперсии приводит к линейной зависимости плотности состояний от энергии, в отличие от обычных двумерных систем с параболическим законом дисперсии, где плотность состояний не зависит от энергии. Плотность состояний в графене задаётся стандартным способом

где выражение под интегралом и есть искомая плотность состояний (на единицу площади) :

где и - спиновое и долинное вырождение соответственно, а модуль энергии появляется, чтобы описать электроны и дырки одной формулой. Отсюда видно, что при нулевой энергии плотность состояний равна нулю, то есть отсутствуют носители (при нулевой температуре).

Концентрация электронов задаётся интегралом по энергии

где - уровень Ферми . Если температура мала по сравнению с уровнем Ферми, то можно ограничиться случаем вырожденного электронного газа

Концентрацией носителей управляют с помощью затворного напряжения. Они связаны простым соотношением при толщине диэлектрика 300 нм. При такой толщине эффектами квантовой ёмкости можно принебречь, хотя при уменьшении расстояния до затвора в десять раз концентрация уже не будет линейной функцией приложенного напряжения.

Здесь также следует обратить внимание на тот факт, что появление линейного закона дисперсии при рассмотрении гексагональной решётки не является уникальной особенностью для данного типа кристаллической структуры, а может появляться и при существенном искажении решётки вплоть до квадратной решётки .

Эффективная масса

Благодаря линейному закону дисперсии эффективная масса электронов и дырок в графене равна нулю. Но в магнитном поле возникает другая масса, связанная с движением электрона по замкнутым орбитам и называемая циклотронной массой . Связь между циклотронной массой и энергетическим спектром для носителей в графене получается из следующего рассмотрения. Энергия уровней Ландау для уравнения Дирака задаётся в виде

где «±» соответствует псевдоспиновому расщеплению . Плотность состояний в графене осциллирует как функция обратного магнитного поля, и её частота равна

где - площадь орбиты в пространстве волновых векторов на уровне Ферми. Осциллирующий характер плотности состояний приводит к осцилляциям магнетосопротивления, что эквивалентно эффекту Шубникова - де Гааза в обычных двумерных системах. Исследуя температурную зависимость амплитуды осцилляций, находят циклотронную массу носителей.

Из периода осцилляций также можно определить концентрацию носителей

Хиральность и парадокс Клейна

Рассмотрим часть гамильтониана для долины K (см. формулу (3.2)):

Матрицы Паули здесь не имеют отношения к спину электрона, а отражают вклад двух подрешёток в формирование двухкомпонентной волновой функции частицы. Матрицы Паули являются операторами псевдоспина по аналогии со спином электрона. Данный гамильтониан полностью эквивалентен гамильтониану для нейтрино , и, как и для нейтрино, существует сохраняющаяся величина проекции спина (псевдоспина для частиц в графене) на направление движения - величина, называемая спиральностью (хиральностью). Для электронов хиральность положительна, а для дырок - отрицательна. Сохранение хиральности в графене приводит к такому явлению, как парадокс Клейна . В квантовой механике с этим явлением связано нетривиальное поведение коэффициента прохождения релятивистской частицей потенциальных барьеров , высота которых больше, чем удвоенная энергия покоя частицы. Частица более легко преодолевает более высокий барьер. Для частиц в графене можно построить аналог парадокса Клейна с той разницей, что не существует массы покоя. Можно показать , что электрон преодолевает с вероятностью, равной единице, любые потенциальные барьеры при нормальном падении на границу раздела. Если падение происходит под углом, то существует некоторая вероятность отражения. Например, обычный p-n переход в графене является таким преодолимым барьером . В целом парадокс Клейна приводит к тому, что частицы в графене трудно локализовать, что в свою очередь приводит, например, к высокой подвижности носителей в графене. Недавно были предложены несколько моделей, позволяющих локализовать электроны в графене . В работе впервые продемонстрирована квантовая точка из графена и измерена кулоновская блокада при 0,3 К.

Эффект Казимира

Эксперимент

Подавляющее большинство экспериментальных работ посвящено графену, полученному отшелушиванием объёмного кристалла пиролитического графита.

Проводимость

Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO 2), поэтому сейчас ведутся работы по получению свободновисящих плёнок графена, что должно увеличить подвижность до 2·10 6 см²·В −1 ·c −1 . В настоящее время максимальная достигнутая подвижность составляет 2·10 5 см²·В −1 ·c −1 ; она была получена в образце, подвешенном над слоем диэлектрика на высоте 150 нм (часть диэлектрика была удалена с помощью жидкостного травителя) . Образец с толщиной в один атом поддерживался при помощи широких контактов. Для улучшения подвижности образец подвергался очистке от примесей на поверхности посредством пропускания тока , который нагревал весь образец до 900 К в высоком вакууме .

Идеальную двумерную плёнку в свободном состоянии нельзя получить из-за её термодинамической нестабильности. Но если в плёнке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в третьем измерении), то такая «неидеальная» плёнка может существовать без контакта с подложкой . В эксперименте с использованием просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные плёнки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5-10 нм и высотой 1 нм. В статье было показано, что можно создать свободную от контакта с подложкой плёнку, закреплённую с двух краёв, образуя, таким образом, наноэлектромеханическую систему. В данном случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, то есть использовать в качестве высокочувствительного сенсора.

Подложка кремния с диэлектриком, на котором покоится графен, должна быть сильно легирована, чтобы её можно было использовать в качестве обратного затвора , при помощи которого можно управлять концентрацией и даже изменять тип проводимости. Поскольку графен является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к затвору приводит к электронной проводимости графена, и напротив - если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому в принципе нельзя обеднить полностью графен от носителей. Заметим, что если графит состоит из нескольких десятков слоёв, то электрическое поле достаточно хорошо экранировано, как и в металлах, огромным количеством носителей в полуметалле .

В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное напряжение равно нулю, не должно быть носителей тока (см. ), что, если следовать наивным представлениям, должно приводить к отсутствию проводимости . Но, как показывают эксперименты и теоретические работы , вблизи дираковской точки или точки электронейтральности для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости, хотя величина минимальной проводимости зависит от метода расчёта. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно чистых образцов. В действительности все плёнки графена соединены с подложкой, и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что ведёт к пространственной неоднородности типа проводимости по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация носителей теоретически не меньше, чем 10 12 см −2 . Здесь проявляется отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно - отсутствует переход металл-диэлектрик .

Квантовый эффект Холла

Впервые необычный (англ. unconventional ) квантовый эффект Холла наблюдали в работах , где было показано, что носители в графене действительно обладают нулевой эффективной массой, поскольку положения плато на зависимости недиагональной компоненты тензора проводимости соответствовали полуцелым значениям холловской проводимости в единицах (множитель 4 появляется из-за четырёхкратного вырождения энергии), то есть Это квантование согласуется с теорией квантового эффекта Холла для дираковских безмассовых фермионов . Сравнение целочисленного квантового эффекта Холла в обычной двумерной системе и графене см. на рисунке 6. Здесь показаны уширенные уровни Ландау для электронов (выделение красным цветом) и для дырок (синий цвет). Если уровень Ферми находится между уровнями Ландау, то на зависимости холловской проводимости наблюдается ряд плато. Эта зависимость отличается от обычных двумерных систем (аналогом может служить двумерный электронный газ в кремнии, который является двухдолинным полупроводником в плоскостях, эквивалентных {100}, то есть тоже обладает четырёхкратным вырождением уровней Ландау, и холловские плато наблюдаются при ).

Квантовый эффект Холла (КЭХ) может использоваться как эталон сопротивления, потому что численное значение наблюдаемого в графене плато, равное воспроизводится с хорошей точностью, хотя качество образцов уступает высокоподвижному ДЭГ в GaAs и, соответственно, точности квантования. Преимущество КЭХ в графене в том, что он наблюдается при комнатной температуре (в магнитных полях свыше 20 ). Основное ограничение на наблюдение КЭХ при комнатной температуре накладывает не само размытие распределения Ферми-Дирака, а рассеяние носителей на примесях, что приводит к уширению уровней Ландау.

В современных образцах графена (лежащих на подложке) вплоть до 45 Т невозможно наблюдать дробный квантовый эффект Холла , но наблюдается целочисленный квантовый эффект Холла, который не совпадает с обычным. В работе наблюдается спиновое расщепление релятивистских уровней Ландау и снятие четырёхкратного вырождения для наинизшего уровня Ландау вблизи точки электронейтральности . Для объяснения этого эффекта предложено несколько теорий , но недостаточное количество экспериментального материала не позволяет выбрать среди них правильную.

Благодаря отсутствию запрещённой зоны в графене в структурах с верхним затвором можно сформировать непрерывный p-n переход , когда напряжение на верхнем затворе позволяет инвертировать знак носителей, задаваемый обратным затвором в графене, где концентрация носителей никогда не обращается в ноль (кроме точки электронейтральности). В таких структурах тоже можно наблюдать квантовый эффект Холла, но из-за неоднородности знака носителей значения холловских плато отличаются от приведённых выше. Для структуры с одним p-n переходом значения квантования холловской проводимости описываются формулой

где и - факторы заполнения в n- и p-области соответственно (p-область находится под верхним затвором), которые могут принимать значения и т. д. Тогда плато в структурах с одним p-n переходом наблюдаются при значениях 1, 3/2, 2, и т. д.

Для структуры с двумя p-n переходами соответствующие значения холловской проводимости равны

Рис. 7. Для получения нанотрубки (n, m) графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R

См. также

Примечания

1. Wallace P. R. «The Band Theory of Graphite», Phys. Rev. 71 , 622 (1947) DOI :10.1103/PhysRev.71.622
2. Novoselov K. S. et al . «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306 , 666 (2004) DOI :10.1126/science.1102896
3. Bunch J. S. et. al. Electromechanical Resonators from Graphene Sheets Science 315 , 490 (2007) DOI :10.1126/science.1136836
4. Balandin A. A. cond-mat/0802.1367
5. Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40 , 228 (2007) DOI :10.1016/j.physe.2007.06.020
6. Novoselov, K. S. et al . «Two-dimensional atomic crystals» , PNAS 102 , 10451 (2005) DOI :10.1073/pnas.0502848102
7. Rollings E. et. al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate J. Phys. Chem. Solids 67 , 2172 (2006) DOI :10.1016/j.jpcs.2006.05.010
8. Hass J. et. al. Highly ordered graphene for two dimensional electronics Appl. Phys. Lett. 89 , 143106 (2006) DOI :10.1063/1.2358299
9. Novoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438 , 197 (2005) DOI :10.1038/nature04233
10. Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по физике
11. The Nobel Prize in Physics 2010 (англ.) . NobelPrize.org. Архивировано из первоисточника 24 января 2012. Проверено 8 января 2011.
12. Shioyama H. Cleavage of graphite to graphene J. Mat. Sci. Lett. 20 , 499-500 (2001)
13. Peierls R., Helv. Phys. Acta 7 , 81 (1934); Peierls R., Ann. I. H. Poincare 5 , 177 (1935); Landau L. D., Phys. Z. Sowjetvunion 11 , 26 (1937)
14. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. - 2001.
15. Zhang Y. et al. Fabrication and electric-field-dependent transport measurements of mesoscopic graphite devices Appl. Phys. Lett. 86 , 073104 (2005) DOI :10.1063/1.1862334
16. В Магеллановых облаках нашли следы графена
17. Zhang Y.et. al. «Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene» Nature 438 , 201 (2005) DOI :10.1038/nature04235
18. Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(24) pp 7720 - 7721; (Communication) DOI :10.1021/ja060680r
19. Bunch J. S. et al. Coulomb Oscillations and Hall Effect in Quasi-2D Graphite Quantum Dots Nano Lett. 5 , 287 (2005) DOI :10.1021/nl048111+
20. Stankovich S. et al . «Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate)», J. Mater. Chem. 16 , 155 (2006) DOI :10.1039/b512799h
21. Stankovich S. et al . «Graphene-based composite materials», Nature 442 , 282 (2006) DOI :10.1038/nature04969
22. Wang J. J. et. al. Free-standing subnanometer graphite sheets Appl. Phys. Lett. 85 , 1265 (2004) DOI :10.1063/1.1782253
23. Parvizi F., et. al. Graphene Synthesis via the High Pressure - High Temperature Growth Process Micro Nano Lett., 3 , 29 (2008) DOI :10.1049/mnl:20070074 Препринт
24. Sidorov A. N. et al .,Electrostatic deposition of graphene Nanotechnology 18 , 135301 (2007) DOI :10.1088/0957-4484/18/13/135301
25. Berger, C. et al . «Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene», Science 312 , 1191 (2006) DOI :10.1126/science.1125925
26. J. Hass et. al. Why Multilayer Graphene on 4H-SiC(000-1) Behaves Like a Single Sheet of Graphene Phys. Rev. Lett. 100 , 125504 (2008).
27. Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite March 14, 2006 gtresearchnews.gatech.edu Link
28. Schedin F. et. al. Detection of Individual Gas Molecules Absorbed on Graphene Nature Materials 6 , 652 (2007) DOI :10.1038/nmat1967
29. Hwang E. H. et. al. Transport in chemically doped graphene in the presence of adsorbed molecules Phys. Rev. B 76 , 195421 (2007) DOI :10.1103/PhysRevB.76.195421
30. Wehling T. O. et. al. Molecular Doping of Graphene Nano Lett. 8 , 173 (2008) DOI :10.1021/nl072364w
31. S.R.C.Vivekchand; Chandra Sekhar Rout, K.S.Subrahmanyam, A.Govindaraj and C.N.R.Rao (2008). «Graphene-based electrochemical supercapacitors ». J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences 120, January 2008 : 9−13.
32. Piotr Matyba, Hisato Yamaguchi, Goki Eda, Manish Chhowalla, Ludvig Edman, Nathaniel D. Robinson. Graphene and Mobile Ions: The Key to All-Plastic, Solution-Processed Light-Emitting Devices (англ.) // Журнал ACS Nano . - American Chemical Society, 2010. - В. 4 (2). - С. 637-642. - DOI :10.1021/nn9018569
33. Предложена схема двумерного метаматериала на основе графена
34. Ando T. Screening Effect and Impurity Scattering in Monolayer Graphene J. Phys. Soc. Jpn. 75 , 074716 (2006) DOI :10.1143/JPSJ.75.074716
35. Hatsugai Y. cond-mat/0701431
36. Gusynin V. P., et. al. AC conductivity of graphene: from tight-binding model to 2+1-dimensional quantum electrodynamics Int. J. Mod. Phys. B 21 , 4611 (2007) DOI :10.1142/S0217979207038022
37. Katsnelson M. I. et al ., Chiral tunnelling and the Klein paradox in graphene Nat. Phys. 2 , 620 (2006) DOI :10.1038/nphys384
38. Cheianov V. V. and Fal’ko V. I., Selective transmission of Dirac electrons and ballistic magnetoresistance of n-p junctions in graphene Phys. Rev. B 74 , 041403 (2006) DOI :10.1103/PhysRevB.74.041403
39. Trauzettel B. et al ., Spin qubits in graphene quantum dots Nat. Phys. 3 , 192 (2007) DOI :10.1038/nphys544
40. Silvestrov P. G. and Efetov K. B. Quantum Dots in Graphene Phys. Rev. Lett. 98 , 016802 (2007) DOI :10.1103/PhysRevLett.98.016802
41. Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene. Nat. Mat. 6 , 183 (2007). DOI :10.1038/nmat1849
42. Bordag M., Fialkovsky I. V., Gitman D. M., Vassilevich D. V. (2009). «Casimir interaction between a perfect conductor and graphene described by the Dirac model ». Physical Review B 80 . DOI :10.1103/PhysRevB.80.245406 .
43. Fialkovsky I. V., Marachevskiy V.N., Vassilevich D. V. (2011). «Finite temperature Casimir effect for graphene ».
44. Hwang E. H. et al ., Carrier Transport in Two-Dimensional Graphene Layers Phys. Rev. Lett. 98 , 186806 (2007)

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.

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.