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.

Еще в 2010 году. Но несмотря на то, что графен уже используется в некоторых устройствах, пока он не так сильно изменил нашу жизнь, как многие ожидали. О том, почему это так и какие новые двумерные материалы появились вслед за графеном, N+1 вместе с коллегами из «Известий», РИА Новости и «Популярной механики» побеседовал на 60-й научной конференции МФТИ с выпускником Физтеха нобелевским лауреатом Константином Новоселовым.

Графен в повседневной жизни

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

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

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

N+1: Насколько дешевы сейчас графеновые технологии?

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

Константин Новоселов

Евгений Пелевин / Пресс-служба МФТИ

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

Они есть, их уже делают.

РИА: А более масштабные?

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

РИА: Даже в промышленных условиях?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Графен против нанотрубок

Графен является не единственной низкоразмерной модификацией углерода. Кроме него, существуют углеродные нанотрубки, в которых графеновый слой свернут в однослойную или многослойную трубку, фуллерены - молекулы, в которых атомы углерода располагаются по вершинам усеченного икосаэдра, - или более необычные пентаграфен или фаграфен. Подробнее о самых интересных формах углерода вы можете прочитать в нашем .

ПМ: Вы, наверняка, знаете про компанию «Оксиал» в Новосибирске, которая делает одностенные нанотрубки в каких-то огромных количествах. На своем сайте они предлагают купить сто грамм нанотрубок примерно за 50 тысяч рублей. То есть их уже научились производить довольно много и довольно дешево.

Я не уверен, что это дешево.

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

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

Структура одностенной углеродной нанотрубки

Wikimedia commons

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

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

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

Да, такими проектами мы как раз занимаемся.

ПМ: И что мешает создать реальную технологию?

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

РИА: Сутки? Месяц?

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

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

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

Двумерные материалы

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

ПМ: Вы можете назвать три главных конкурента графена среди этих двумерных материалов?

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

Структура двумерного кристалла дисульфида молибдена

Wikimedia commons

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

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

РИА: В дисульфиде молибдена, получается, менее симпатичная?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Многослойные пироги

Объединив несколько одноатомных слоев разного состава в многослойные гетероструктуры, можно получить сложные функциональные устройства, состоящих из нескольких элементов, выполняющих разные функции: например, для кодирования, в качестве транзисторов или солнечных батарей. Чтобы получить такие сложные многослойные структуры, студентам из группы Константина Новоселова приходится атом за атомом с помощью вандерваальсовых пинцетов составлять нужный двумерный кристалл. В результате один слой нужного состава можно составить примерно за полдня, а на сборку некоторых сложных гетероструктур уходит до полутора недель.

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

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

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

Александр Дубов

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.

Графе́н (англ. graphene) - двумерная аллотропная модификация углерода, слой атомов углерода толщиной в один атом соединяется посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Основным из существующих в настоящее время способов получения графена, в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв 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 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

История открытия

Первооткрывателям графена, А. К. Гейму и К. С. Новосёлову, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку.

Рис. 1. Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

Теоретические исследования по созданию графена начались задолго до получения реальных образцов материала. Из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита, поэтому графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

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

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

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

Эффект Шубникова - де Гааза назван в честь советского физика Л. В. Шубникова и нидерландского физика В. де Хааза, открывших его в 1930 году.

Наблюдаемый эффект заключался в осцилляциях магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах. Позже эффект Шубникова - де Гааза наблюдали в многих других металлах и полупроводниках. Эффект Шубникова - де Гааза используется для определения тензора эффективной массы и формы поверхности Ферми в металлах и полупроводниках.

Термины продольный и поперечный эффекты Шубникова - де Гааза вводят, чтобы различать ориентацию магнитного поля относительно направления течения электрического тока. Особый интерес заслуживает поперечный эффект Шубникова - де Гааза в двумерном электронном газе.

Причина возникновения осцилляций проводимости и сопротивления кроется в особенностях энергетического спектра двумерном электронном газе, а именно здесь речь идёт об уровнях Ландау с энергиями

где - постоянная Планка,

Циклотронная частота осциллятора Ландау,

m * - эффективная масса электрона,

n - номер уровня Ландау,

c - скорость света,

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. Его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: , , и др.

Получение графена

Рис. 2. Слои интеркалированного графита можно отделять друг от друга

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и отщепляют раз за разом создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). 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). Используя стандартную электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также можно приготовить из графита используя химические методы. Меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита. Выращивание графена при высоком давлении и температуре можно использовать для получения плёнок большой площади.

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

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 области применения графена

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии 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 благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов основан на создании тонкой 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 быстродействие такого транзистора будет заметно выше, чем кремниевого.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 уже имеют удельную энергоёмкость, сравнимую с энергоемкостью свинцово-кислотными аккумуляторамии.

Недавно был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC).

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 .

Графен (G) представляет революционный материал, который открывает широкие перспективы. Это самый электропроводящий, легкий и прочный вариант углеродного соединения. G — был открыт Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые работают в Университете Манчестера. Русских ученых за это открытие наградили Нобелевской премией. На исследование свойств графена только на сегодняшний день выделено свыше десяти миллиардов долларов.

Ученые предполагают, что он может стать превосходной заменой кремнию, в особенности в полупроводниковой промышленности. Неслучайно его называют «материалом будущего». Несмотря на «молодость» графена, исследователи находят все новые свойства графена, которые открывают перед человечеством невероятное окно возможностей.

Что это графен

G — представляет двумерную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, а его толщина составляет всего один атом.

При этом материал обладает уникальными свойствами:

• Рекордно большая теплопроводность.
• Большая механическая жесткость, он прочнее стали в сотни раз.
• Высокая гибкость.
• Большая электропроводимость.
• Его температура плавления находится выше 3000 градусов.
• Непроницаемость для большинства газов и жидкостей.
• Прозрачность.

Если сложить 3-и миллиона листов графена, то можно получить толщину порядка 1 мм.

Чтобы объяснить самым простым способом, что такое G , можно сказать: данный материал состоит из мягкого слоистого материала, используемого в грифелях. Однако графен, в отличие от графита, имеет иную структуру. Так же, как графит и алмаз являются формами углерода, они существенно кардинально отличаются по прочности. Так и графен очень твердый в виду того, что его атомы имеют гексагональное расположение.

Чудеса начинаются, когда начинается выделение графена из графита. Благодаря толщине в один атом он представляет первый 2D-материал из когда-либо обнаруженных. К тому же он обладает многочисленными полезными и удивительными свойствами. Сегодня не существует такой области применения, где графен не был бы интересен. Именно поэтому проводятся многочисленные интенсивные исследования, которые направлены на изучение сфер, где потенциально можно было бы внедрить указанный материал. Для ученых открываются невероятные возможности, ведь G особенно широко можно использовать в развитии технологий и науки.

Устройство

Начиная с 2004 года, когда новейший наноматериал был открыт, ученые смогли освоить целый спектр методов его получения. Но основными из них являются следующие способы:

• Химическое перофазное охлаждение, то есть CVD-процесс.
• Эпитаксиальный рост в вакууме.
• Механическая эксфолиация.

Последний метод является наиболее простым. Создание графена при помощи механической эксфолиации осуществляется следующим образом:

• Выполняется нанесение специального графита на специальную клейкую поверхность изоляционной ленты.
• Затем основу, словно лист бумаги, начинают разгибать и сгибать, отделяя необходимый материал.

При использовании указанного способа G получается наиболее высокого качества. Но подобные действия не подойдут для массового производства, указанного наноматериала.

При применении метода эпитаксиального роста:

• Используют тонкие кремниевые пластины, у которых поверхностный слой состоит из карбида кремния.
• Затем данный материал нагревают при весьма высокой температуре, достигающей 1000 К.
• Вследствие химической реакции осуществляется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остается лишь чистый G .

Среди минусов данного метода можно отметить необходимость применения высоких температур, при которых обеспечивается сгорание атомов углерода.

Наиболее простым и надежным способом, который применяется для массового производства графена, считается CVD-процесс. Данный метод представляет способ, при котором протекает химическая реакция между углеводородными газами и металлическим покрытием-катализатором.

В результате указанных методов получается двумерная аллотропная модификация углерода, которая образована слоем атомов углерода толщиной в один атом, которые соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решетку посредством σ- и π-связей. Носители заряда графена обладают высокой подвижностью, самой большой среди всех известных материалов. Благодаря этому G является перспективным материалом для возможной замены кремния в интегральных микросхемах и будущей основы нано электроники.

Применения и особенности

Рынок применения графена непосредственно связан с прогрессом в производстве графена со свойствами, которые требуются для конкретного его использования. На текущий момент развиваются и применяются десятки методов по получению графена различного качества, формы и размера.

Среди методов, которые могут быть использованы, можно выделить три класса, получаемого графена:

1. Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который применяется для проводящих красок, композитных материалов и так далее.
2. Плоский G, применяемый для создания высокопроизводительных электронных устройств.
3. Плоский G, применяемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.

Свойства конкретного класса графена, а значит и функционал приложений, где можно его задействовать, очень сильно зависят от качества подложки, материала, типа дефектов и тому подобное. А это в первую очередь определяется методом производства.

G — в зависимости от метода производства сегодня применяется в следующих направлениях:

• При механическом отслаивании графен применяется для исследований. Подвижность носителей заряда составляет 2×105 и 106 (при низкой температуре) см²В-1с-1.
• При химическом отслаивании G применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 100 см²В-1с-1.
• При химическом отслаивании через оксид графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1 см²В-1с-1;
• При методе CVD G применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1;
• При методе SiC G применяется для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и иных устройств. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1.

На текущий момент изучаются и другие сферы применения графена:

• В альтернативной электронике;

Наноплазмоника и оптоэлектроника;
спинтроника;
баллистическая электроника.

• В химическом применении;

Газовые сенсоры;
хранение водорода.

• G — как конструкционный материал;

Композитные материалы;
графеновые мембраны.

• G — как проводник;

Холодные катоды;
суперконденсаторы и электрические батареи;
квантовые точки;
НЭМС (наноэлектромеханические системы);
прозрачные покрытия и проводящие электроды.

Так или иначе, но уникальные свойства, которыми обладает графен, смогут обеспечить внимание разработчиков и ученых к нему на десятки лет. Возможно, данный материал начнет вытеснять кремний из электронной промышленности.

Достоинства и недостатки

К достоинствам графена можно отнести следующее:

• Высокая электропроводность . G — может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.
• Отличная оптическая чистота . G — может поглощать только чуть более двух процентов видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.
• Высокая механическая прочность . G — по прочности превосходит алмаз.
• Гибкость . G — является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.
• Способность противостоять внешним воздействиям .
• Рекордная теплопроводность . G — по данному показателю превосходит медь в десять раз.

К недостаткам графена можно отнести следующее:

• На данный момент трудно получать G большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.
• Промышленный G по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удается, несмотря на совершенствование технологий.
• Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.

Тем не менее, эти трудности вполне преодолимы, что открывает широкие перспективы.

Перспективы

• Южнокорейская компания Samsung уже объявила, что намерена производить G в промышленных масштабах. Он будет применяться для создания очень тонких и гибких гаджетов. Производство пока дорогостоящее, но Samsung в будущем обещает удешевить его.
• Графеновые транзисторы могут стать заменой традиционным кремниевым, обеспечив невероятный прорыв в вычислительных мощностях на десятки лет вперед. Теоретически графеновые транзисторы могут работать на высоких частотах, а их размеры будут существенно меньше обычных.
• G — способен решить проблему фото- и видеооборудования, она заключается в невысоком качестве съемки при недостаточном освещении. Датчики на основе графена способны увеличить чувствительность сенсоров в сотни раз. Это означает появление новых инфракрасных камер, приборов ночного видения, аппаратов спутников, способных делать детализированные фотографии.
• Победа над раком. Оксид графена убивает стволовые клетки, которые запрограммированы на преобразование в раковую опухоль. Он уменьшает размер опухоли, предотвращая ее дальнейший рост.
• Огромные перспективы в медицине, автомобилестроении, химической промышленности и в других областях.