Графеновый полевой транзистор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Графеновый полевой транзистор — транзистор из графена, который использует электрическое поле, создаваемое затвором для управления проводимостью канала. На сегодняшний момент не существует промышленного способа получения графена, но предполагается, что его хорошая проводимость поможет создать транзисторы с высокой подвижностью носителей и по этому показателю превзойти подвижность в полевых транзисторах на основе кремниевой технологии^[1].

Созданные полевые транзисторы не совершенны и обладают большими токами утечки (из-за того, что графен — полуметалл), хотя модуляция проводимости может быть существенной^[2].

Так как графен является полуметаллом, то невозможно избавиться от носителей в нём при приложении затворного напряжения, и поэтому всегда будет существовать высокий ток утечки в графеновых структурах. Для преодоления этого нежелательного эффекта предлагается использовать узкие полоски графена, из-за размера называемые нанолентами, где благодаря квантово-размерному эффекту возможно образование запрещённой зоны, ширина которой обратно пропорциональна поперечному размеру ленты

[3]^[4].

Однако не все наноленты обладают запрещённой зоной, поскольку это сильно зависит от расположения граничных атомов, и в общем случае все наноленты с расположением атомов на краю зигзагом (англ. zig-zag) не имеют запрещённой зоны. Tолько если атомы расположены в виде кресла (англ. armchair), и количество их отлично от (3N-1), где N — целое число, образуется запрещённая зона^[5]. При возникновении дефектов на границе наноленты переходят из металлического состояния в полупроводниковое. Так как не представляется возможным добиться атомарной точности при литографии, получить металлическую наноленту до сих пор не удалось. Существует, однако, несколько работ, посвящённых исследованию ширины запрещённой зоны от ширины наноленты

[3], где показано, что при ширине ленты 20 нм ширина запрещённой зоны составляет 28 мэВ.

Теоретическому исследованию электронной структуры нанолент посвящено много работ, как основанных на модели сильно связанных электронов^[5], так и с использованием решения уравнения Дирака^[6], а также численные методы^[7][8][9].

Первый прибор с затвором был продемонстрирован в работе^[10], где авторы использовали стандартную электронную литографию. Металлический затвор покоился на тонком слое диэлектрика (SiO

2). Качество прибора заметно ухудшилось благодаря дополнительному рассеянию носителей в графене, но авторы наблюдали более слабую модуляцию проводимости при приложении напряжения к затвору, чем в случае с обратным затвором. Несмотря на гораздо более пологую зависимость сопротивления от приложенного затворного напряжения, эта работа показала, что обычные методы электронной литографии можно применять и в случае графена.

На данный момент существуют несколько подходов к созданию полевых транзисторов на основе графена. Среди них можно выделить экспериментально реализованный транзистор на основе кулоновской блокады и использование нового эффекта предсказанного в работе

[2].

Кулоновская блокада[править | править код]

На основе графена возможно построить квантовую точку, в которой при достаточно малых размерах можно наблюдать кулоновскую блокаду^[2].

Баллистический транспорт и электронные линзы Веселаго[править | править код]

В работе^[11] показано, что p—n-переход может служить эффективным средством фокусировки баллистических электронов.

Двухслойный графен[править | править код]

Двухслойная плёнка графена обладает не линейным, а параболическим законом дисперсии с нулевой энергетической щелью^[12].

Влияние подложки[править | править код]

Графен, помещённый на подложку BN, обладает спектром носителей с конечной массой^[13].

Все вышеприведённые примеры транзисторов были получены с помощью отщепления слоёв графита посредством липкой ленты — процесса ненадёжного и не совместимого с технологическим производством, хотя образцы полученные таким методом обладают на сегодняшнее время самыми хорошими характеристиками. Существует также другой способ получения плёнок графена на подложке карбида кремния (SiC) путём её термического разложения.^[14] Этот способ гораздо ближе к масштабному производству.

1. ↑ Novoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666 (2004) doi:10.1126/science.1102896
2. ↑ ^{1 2 3} Geim A. K. and Novoselov K. S. The rise of graphene Nat. Mat. 6, 183 (2007) doi:10.1038/nmat1849
3. ↑ ^{1 2} Chen Z. cond-mat/0701599
4. ↑ Han M. Y. cond-mat/0702511
5. ↑ ^{1 2} Nakada K. et al., Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence Phys. Rev. B 54, 17954 (1996) doi:10.1103/PhysRevB.54.17954
6. ↑ Brey L. and Fertig H. A., Electronic states of graphene nanoribbons studied with the Dirac equation Phys. Rev. B 73, 235411 (2006) doi:10.1103/PhysRevB.73.235411
7. ↑ Barone V. et al., Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons Nano Lett.
   6, 2748 (2006) doi:10.1021/nl0617033
8. ↑ Son Y. et al., Energy Gaps in Graphene Nanoribbons Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006) doi:10.1103/PhysRevLett.97.216803
9. ↑ Son Y. et al., Half-metallic graphene nanoribbons Nature 444, 347 (2006) doi:10.1038/nature05180
10. ↑ Lemme M. C. et al., A Graphene Field-Effect Device IEEE Electron Dev. Lett. 28, 282 (2007) doi:10.1109/LED.2007.891668
11. ↑ Cheianov V. V. at al., The Focusing of Electron Flow and a Veselago Lens in Graphene p—n Junctions Science 315, 1252 (2007) doi:10.1126/science.1138020
12. ↑ Ohta T. et al., Controlling the Electronic Structure of Bilayer Graphene Science 313, 951 (2006) doi:10.1126/science.1130681
13. ↑ Giovannetti G. arXiv:0704.1994
14. ↑ Berger C. et al., Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene Science 312, 1191 (2006) doi:10.1126/science.1125925

• Валерий Кривецкий, «Графен разбит на лоскуты», 06.02.2007 Ссылка

Зонная структура графена — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Зонная структура графена рассчитана в 1947 году в статье ^[1]. На внешней оболочке атома углерода находится 4 электрона, три из которых образуют sp² гибридизированные связи с соседними атомами в решётке, а оставшийся электрон находится в 2p

z состоянии (именно это состояние отвечает за образование межплоскостных связей в графите). В нашем рассмотрении он отвечает за образование энергетических зон графена.

В приближении сильно связанных электронов полная волновая функция всех электронов кристалла запишется в виде суммы волновых функций электронов из разных подрешёток

ψ=ϕ1+λϕ2,(1.1){\displaystyle \psi =\phi _{1}+\lambda \phi _{2},\qquad (1.1)}

где коэффициент λ — параметр, который определяется из системы уравнений (1.6). Входящие в уравнение волновые функции ϕ1{\displaystyle \phi _{1}} и ϕ2{\displaystyle \phi _{2}}, которые по смыслу означают амплитуды волновых функций на определённой подрешётке кристалла, запишутся в виде суммы волновых функций отдельных электронов в различных подрешётках кристалла

ϕ1=∑Ae2πik⋅rAX(r−rA),(1.2){\displaystyle \phi _{1}=\sum _{A}e^{2\pi i\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} _{A}}X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{A}),\qquad (1.2)}

ϕ2=∑Be2πik⋅rBX(r−rB).(1.3){\displaystyle \phi _{2}=\sum _{B}e^{2\pi i\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} _{B}}X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{B}).\qquad (1.3)}

Здесь rA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}} и rB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}} — радиус-векторы направленные на узлы кристаллической решётки, а X(r−rA){\displaystyle X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{A})} и X(r−rB){\displaystyle X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{B})} — волновые функции электронов, локализованных вблизи этих узлов. В приближении сильно связанных электронов мы можем пренебречь перекрытием волновых функций соседних атомов.

S12=∫X(r−rA)X(r−rB)dr=0(1.4){\displaystyle S_{12}=\int {X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{A})X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{B})d\mathbf {r} }=0\qquad (1.4)}

Теперь подставив в уравнение Шрёдингера Hψ=Eψ{\displaystyle H\psi =E\psi } нашу волновую функцию (1.1) получим для энергетического спектра носителей и неизвестного параметра λ следующую систему уравнений

h21+λh22=ES+ES12λ{\displaystyle H_{11}+\lambda H_{12}=ES+ES_{12}\lambda }

h31+λh32=λES+ES12(1.5){\displaystyle H_{21}+\lambda H_{22}=\lambda ES+ES_{12}\qquad (1.5)}

или в матричном виде

(h21h22h31h32)(1λ)=(ESES12ES12ES)(1λ)(1.6){\displaystyle \left({\begin{array}{cc}H_{11}&H_{12}\\H_{21}&H_{22}\\\end{array}}\right)\left({\begin{array}{cc}1\\\lambda \\\end{array}}\right)=\left({\begin{array}{cc}ES&ES_{12}\\ES_{12}&ES\\\end{array}}\right)\left({\begin{array}{cc}1\\\lambda \\\end{array}}\right)\qquad (1.6)}

Рис. 1: Ближайшие атомы в окружении центрального узла (A) решётки. Красная пунктирная окружность соответствует ближайшим соседям из той же самой подрешётки кристалла (A), а зелёная окружность соответствует атомам из второй подрешётки кристала (B).

где используются следующие обозначения для интегралов

Hjj=∫ϕj∗Hϕjdr(1.7){\displaystyle H_{jj}=\int \phi _{j}^{*}H\phi _{j}d\mathbf {r} \qquad (1.7)}

h22=h31∗=∫ϕ1∗Hϕ2dr(1.8){\displaystyle H_{12}=H_{21}^{*}=\int \phi _{1}^{*}H\phi _{2}d\mathbf {r} \qquad (1.8)}

S=∫ϕj∗ϕjdr(1.9).{\displaystyle S=\int \phi _{j}^{*}\phi _{j}d\mathbf {r} \qquad (1.9).}

Которую можно решить относительно E.

E=12S(h21+h32±(h21−h32)2+4|h22|2)(1.9){\displaystyle E={\frac {1}{2S}}\left(H_{11}+H_{22}\pm {\sqrt {(H_{11}-H_{22})^{2}+4|H_{12}|^{2}}}\right)\qquad (1.9)}

Здесь можно сделать некие упрощения

S=N,{\displaystyle S=N,}

h21=h32,{\displaystyle H_{11}=H_{22},}

h21′=h32′=1Nh21=1Nh32,{\displaystyle H_{11}^{\,’}=H_{22}^{\,’}={\frac {1}{N}}H_{11}={\frac {1}{N}}H_{22},}

h22′=1Nh22,(1.10){\displaystyle H_{12}^{\,’}={\frac {1}{N}}H_{12},\qquad (1.10)}

где N — число элементарных ячеек в кристалле. С этими равенствами мы приходим к уравнению

E=h21′±|h22′|(1.11){\displaystyle E=H_{11}^{\,’}\pm |H_{12}^{\,’}|\qquad (1.11)}

Это уравнение мы тоже упростим, избавившись от первого слагаемого, которое соответствует некой постоянной энергии и малому изменению энергии по сравнению со вторым членом, отвечающим интегралу перекрытия волновых функций соседних атомов из той же подрешётки (A). Другими словами — взаимодействию волновой функции центрального атома с волновыми функциями атомов, расположенных на красной окружности (см. Рис. 1). Нас будет интересовать только особенность спектра связанного со вторым слагаемым, которое зависит от интегралов перекрытия ближайших атомов из разных подрешёток (A) и (B) (центральный атом и атомов на зелёной окружности). Энергетический спектр запишется в виде

E=±|h22′|(1.12){\displaystyle E=\pm |H_{12}^{\,’}|\qquad (1.12)}

Интеграл перекрытия можно представить в виде

γ0=−∫X∗(r−ρ)HX(r)dr,(1.13){\displaystyle \gamma _{0}=-\int {X^{*}(\mathbf {r} -\mathbf {\rho } )HX(\mathbf {r} )d\mathbf {r} },\qquad (1.13)}

где ρ{\displaystyle \mathbf {\rho } } — радиус-вектор направленный в позиции ближайших соседей. Для величины h22′{\displaystyle H_{12}^{\,’}} после подставления волновых функций (1.2) и (1.3) в выражение (1.8) получим

h22′=1N∑A,Bexp⁡[−2πik⋅(rA−rB)]∫X∗(r−rA)HX(r−rB)dr.(1.14){\displaystyle H_{12}^{\,’}={\frac {1}{N}}\sum _{A,B}{\exp {[-2\pi i\mathbf {k} \cdot (\mathbf {r} _{A}-\mathbf {r} _{B})]}\int {X^{*}(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{A})HX(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{B})d\mathbf {r} }}.\qquad (1.14)}

Откуда после некоторых упрощений и используя координаты для ближайших соседей (1.3) получим

h22′=−γ0(exp⁡[−2iπkx(a/3)]+2cos⁡πkyaexp⁡[2iπkx(a/3)]).(1.15){\displaystyle H_{12}^{\,’}=-\gamma _{0}\left(\exp {[-2i\pi k_{x}(a/{\sqrt {3}})]}+2\cos {\pi k_{y}a}\exp {[2i\pi k_{x}(a/{\sqrt {3}})]}\right).\qquad (1.15)}

В итоге приходим к интересующему нас энергетическому спектру вида

E=±γ02(1+4cos2⁡πkya+4cos⁡πkyacos⁡πkx3a),(1.16){\displaystyle E=\pm {\sqrt {\gamma _{0}^{2}\left(1+4\cos ^{2}{\pi k_{y}a}+4\cos {\pi k_{y}a}\cos {\pi k_{x}{\sqrt {3}}a}\right)}},\qquad (1.16)}

где знак «+» соответствует электронам, а «-» —дыркам.

Почему трамплин в будущее изготовят из графена — Рамблер/новости

Однажды вы, уважаемый читатель, проснетесь утром и первым делом наденете очки. В их полностью прозрачных линзах отобразятся последние новости, данные о погоде и пробках. Красный индикатор покажет, что заряда осталось всего 5%. Не сегодня завтра аккумулятор придется заряжать, но пока можно не беспокоиться. Хотя погода промозглая, поэтому зарядить очки солнечными лучами не получится.

Вы наденете купленную несколько лет назад куртку, которая до сих пор выглядит как новенькая. За ночь на батарее она накопила тепло и теперь весь день будет вас согревать. Поверх рукава обернете девайс помощнее очков — рабочий компьютер. Он очень легкий и выглядит, как браслет-экран, — куда удобнее, чем увесистые ноутбуки, которые когда-то давали ту же вычислительную мощность. Вот теперь можно выходить из дома…

Сегодня подобные картины рисуют не только писатели и сценаристы, но и ученые-физики. Поводом служит изобретение графена — предельно тонкого, толщиной всего в один атомный слой, углеродного материала. Впервые его получили отечественные ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2004 году. В 2010‑м за работу с графеном им была присуждена Нобелевская премия по физике.

С тех пор прошло, казалось бы, достаточно времени, для того чтобы изучить основные свойства и начать практическое внедрение графена. Однако, несмотря на многочисленные анонсы подобных проектов, большинство из них не получило развития. Оказалось, что перейти от лабораторных опытов к полноценному производству чудо-материала не так-то просто. И все же рано или поздно количество инвестиций в графеновые компании (счет которым идет на миллиарды долларов) начнет переходить в качество.

Отложенная революция

История знает немало примеров того, как за счет успехов в материаловедении становился возможен следующий виток научно-технического прогресса. Всякий раз освоение нового материала с необычными свойствами давало человеку «золотой ключик» к изобретениям в самых разных областях. К примеру, еще в середине XIX века летающие по небу «железные птицы», о которых писали Жюль Верн и другие писатели-«фантазеры», не воспринимались всерьез. А уже спустя полвека самолеты стали реальностью.

За это не в последнюю очередь нужно благодарить алюминий — легкий, а в сплаве с медью и другими компонентами очень крепкий металл. Причем он был впервые получен в 1825 году датским физиком Гансом Эрстедом и долгое время был дороже золота. Без электролиза (1856 год) и массового производства (начато в 1885‑м) на его революционность ничто не указывало. Но, дождавшись своего часа, алюминиевые сплавы изменили нашу жизнь до неузнаваемости.

Еще более долгий путь к рыночному успеху прошли пластмассы на основе синтетических полимеров. Они впервые были получены в 1855 году: британский изобретатель Александр Паркс синтезировал паркезин — низкокачественную предтечу пластика. 11 лет спустя он даже открыл производство паркезина, но за два года фирма разорилась. Современники Паркса так и не поняли смысл его изобретения. Как бы они удивились, узнав, что в XXI веке человек будет производить 4–5 трлн пластиковых пакетов в год, угрожая засыпать ими всю планету…

На этом фоне 16 лет, прошедших к настоящему моменту со дня первого получения графена, — совсем немного. С другой стороны, по сравнению с XIX веком темп жизни сегодня совершенно другой. А значит, не за горами тот час, когда графен по-настоящему «выстрелит» — рост числа стартапов, разработок и вложенных в них средств, похоже, не оставляет другой возможности.

Тонкости на атомном уровне

В исходном состоянии графен — это двумерный «лист», состоящий из атомов углерода, которые соединены между собой в виде шестиугольников. Благодаря такой структуре сверхтонкий органический материал при почти полной прозрачности обладает высокой тепло— и электропроводностью. Если сомкнуть края «листа», получатся углеродные нанотрубки. Причем угол складывания по отношению к атомам влияет на электропроводность: в одном случае можно получить полупроводники, в другом — изоляторы (диэлектрики).

Также материал может существовать в форме «графенового шара» (фуллерена), за открытие которого Нобелевская премия Роберту Керлу, Харольду Крото и Ричарду Смолли была вручена еще раньше, в 1996 году. Тем не менее свойства фуллерена на сегодняшний день изучены меньше, чем «листового» или «трубчатого» графена.

Двумерный материал может существовать сам по себе, однако произвести его невозможно без определенной подложки. У Андрея Гейма и Константина Новоселова изначально ею служил простейший скотч, которым они «отклеивали» углеродные слои от куска графита. С годами появились более продвинутые способы получения графена: химическое выделение из оксида графита или газовое осаждение пленки на металле.

Вне зависимости от формы и способа получения графен считается одним из самых прочных материалов на Земле. Прочнее алмаза, который также является формой углерода. Любопытно, что углеродные нанотрубки даже рассматриваются некоторыми учеными как возможность создания «космического лифта» — троса, по которому на орбиту Земли и обратно можно было бы возить грузы и людей. Было подсчитано, что для создания такого троса нужна прочность 65–120 ГПа, но для нанотрубок это не проблема — в теории они выдержат и больше.

Энергичные инновации

Если же обратиться к более «приземленным» вариантам применения, то графену прогнозируют большое будущее в качестве аддитива — вспомогательного элемента, который улучшает электрические свойства проводящих красок, покрытий, смол и других материалов.

Одним из самых многообещающих сценариев считается разработка на основе графена новых элементов питания. Согласно исследованиям, в аккумуляторах можно использовать в сто раз меньший объем углеродных нанотрубок, чем многослойного графита, и все равно это приведет к улучшению характеристик. Например, если у традиционных литий-ионных аккумуляторов за 100 циклов заряда-разряда полезная емкость падает до 82%, то с добавлением многослойного графита этот показатель вырастет до 90%, а с однослойными нанотрубками — до 97%.

Мода на гибкие дисплеи захватывает рынок электроники, но только с началом использования в них графена складные устройства станут по-настоящему надежными и долговечными

Shutterstock / Fotodom

Компания Huawei испытала эту технологию, выпустив два поколения смартфонов под дочерним брендом Honor Magic в 2016 и 2018 годах. Для аппаратов была заявлена вдвое большая жизнь аккумуляторов (до 2000 зарядов с потерей емкости до 70%) и ускоренная зарядка. Однако это практически не сказалось на реальном опыте использования. Тестировщики отмечали действительно быстрое пополнение аккумулятора — наравне с другими технологиями быстрой зарядки, но не более. А до двух тысяч циклов в реальных условиях доживает редкий смартфон: при условии ежедневного пополнения батареи такой аппарат должен использоваться чуть меньше шести лет.

Samsung может представить смартфон с графеновой батареей

По слухам, аппарат с фуллеренами в аккумуляторе в 2017 году разрабатывали и в Samsung, но в продажу он не поступил. Вероятно, на том этапе исследований графена его добавление в аккумуляторы было малоэффективно. Но с каждым годом ситуация меняется. По крайней мере, так считает американский стартап Real Graphene. Месяц назад его основатели сообщили о планах в конце года выйти на рынок с двумя графеновыми внешними аккумуляторами емкостью 10 000 и 20 000 мА•ч. Они смогут заряжаться рекордно быстро — за 20 и 40 минут, тогда как обычно время заряда батареи такой емкости составляет минимум три часа. Графеновые АКБ смогут выдержать до 1500 циклов заряда-разряда, что продлит время их использования втрое по сравнению с обычными пауэрбанками.

Еще острее потребность в новых элементах питания ощущает индустрия электромобилей, для которой любой прогресс в этой области означает прирост технических характеристик и удешевление машин. Ряд стартапов уже отреагировали на этот запрос. Например, летом прошлого года испанская компания Graphenano представила прототип графен-полимерного аккумулятора Grabat, который способен вдвое увеличить запас хода машины от одного заряда — до 800 км и выше. Это достигается за счет впятеро большей удельной емкости (1000 Вт/ч), которую как раз и обеспечивает графен. Он же должен позволить заряжать автомобиль на 100% за считанные минуты. Для производства Grabat компания открыла завод площадью более 7 тыс. квадратных метров.

Девайсы из нанотрубок

Электрические свойства графена вкупе с компактностью вызывают к нему интерес и в индустрии микроэлектроники. В 2016 году физики из Университета Висконсина (США) доказали, что графеновый транзистор может быть в пять раз производительнее, чем традиционный кремниевый. При этом он будет на порядок миниатюрнее: диаметр атома углерода составляет 152 пм, или 0,152 нм, тогда как самые продвинутые чипы производят по техпроцессу 7 нм.

Однако собрать работающий процессор с такими транзисторами пока удалось только инженерам Массачусетского технологического института. В конце лета 2019 года они представили экспериментальный чип, который сумел выполнить команду Hello, World!, то есть доказать свою работоспособность. Важность события подчеркивается двумя факторами. Во‑первых, чтобы процессор работал корректно, нанотрубки нужно сразу расположить («вытравить») в определенных местах и с определенной ориентацией. Во‑вторых, среди них не должно попадаться металлических нанотрубок, которые могут образоваться из контактов чипа.

Первую трудность разработчики преодолеть смогли, а вот вторую обошли — не сумев избавиться от лишнего металла, они научили процессор учитывать его и правильно обрабатывать искаженные сигналы. Это существенно снижает производительность по сравнению с потенциальными возможностями чипа на основе нанотрубок.

©CU Boulder College of Engineering and Applied Science

Золотые хлопья, искусственная кожа и другие материалы будущего

Одна из ключевых особенностей графена — крепкая связь атомов, нехарактерная для других двумерных материалов. Аналогичным образом — отслоением — ученым удалось получить двумерные кристаллы из кремния, фосфора, титана и других элементов. Однако они намного более хрупкие и без подложки, в отличие от графена, практически не могут существовать.

В середине прошлого года, впрочем, ученые из Лидского университета (Великобритания) сумели получить «хлопья» золота толщиной всего в два атома. Новому материалу в перспективе отводится примерно та же роль, что и графену: использование в качестве энергоэффективного каталитического слоя в дисплеях и процессорах, помощь в диагностировании и лечении рака. В первом сценарии золото используется и сейчас, однако ноу-хау британских ученых позволит уменьшить количество требуемого драгметалла. Главной же своей задачей они считают изучение способов получения двумерных материалов в принципе.

В «трехмерном» материаловедении тоже не обходится без важных открытий. За последний год ученые заметно продвинулись в получении искусственных материалов со свойствами живых тканей. Ведутся работы по созданию «искусственной кожи» — материала, который способен растягиваться, не теряя защитных свойств. Например, группа ученых из МГУ под руководством профессора Дмитрия Иванова в 2018 году представила полимерный материал, который при растягивании только укрепляется — по аналогии с кожей хамелеона.

Ранее подобные материалы пытались получить на основе гидрогелей, но тогда приходилось выбирать между мягкостью и прочностью. Но и здесь ученым есть чем похвастаться. В начале февраля исследователи из университетов Бристоля (Великобритания) и Париж-Сакле (Франция) представили гидрогель с высоковязкой связью, который должен обеспечить веществам на его основе более долгий срок службы и новые физические свойства (например, абсолютную нелипкость).

А в январе американские ученые из Университета Колорадо представили «живой бетон» — материал из смеси желатина, песка и специальных бактерий. Последние позволяют веществу восстанавливаться после разрушения. В рамках эксперимента ученые разорвали такой бетон на части трижды, но структура все равно регенерировала. Предполагается, что в будущем такой строительный материал будет использоваться в отдаленных регионах Земли и даже во внеземных колониях.

Впрочем, есть у графена и другое свойство, интересующее производителей гаджетов, — почти стопроцентная прозрачность. Вкупе с высокой проводимостью и энергоемкостью она открывает широкие возможности для изготовления гибких графеновых дисплеев — сверхтонких, прозрачных, сенсорных, а вдобавок поглощающих солнечный свет и заряжающих встроенный аккумулятор.

Созданием таких дисплеев пока занимаются университеты и стартапы. Так, в 2018 году Графеновый центр при Кембриджском университете (Cambridge Graphene Centre) совместно с производителем дисплеев для электронных книг Plastic Logic представил гибкий дисплей, в котором традиционный полупроводник — оксид индия-олова (indium-tin oxide, ITO) — был заменен графеном. Любопытно, что ITO сейчас используется в большинстве гаджетов, при этом входящий в состав сплава индий относится к редким металлам. По мере развития технологий спрос на него растет, а запасы исчерпываются, и в будущем индию понадобится замена. Графен вполне может ею стать, что и продемонстрировали в Кембриджском университете. Как уточнили исследователи, графен также можно использовать в жидкокристаллических (LCD) и светодиодных (OLED, AMOLED) дисплеях, добиваясь аналогичных качеств — гибкости и энергоэффективности.

Что же касается поглощения солнечной энергии, то пока это лишь теория. В 2017 году ученые из российских институтов (НИЯУ МИФИ, ИТМО) и японского Hosei University объявили о начале разработки солнечных панелей на основе графена и квантовых точек. Главная задача — понять принципы поглощения солнечной энергии подобными структурами и оценить ее перспективы в реальной жизни. После 2018 года новостей о проекте не было.

Против рака и грязной воды

Мировое медицинское сообщество также видит в графене потенциал. В январе 2019 года в журнале Nature была опубликована статья, где авторы рассказали, что благодаря своим свойствам графен может определять наличие вредоносных раковых клеток в организме и доставлять противораковые лекарства в нужные точки. Важным фактором является то, что углерод, в отличие от большинства возможных альтернатив, — органическое вещество, которое не надо выводить из организма.

Учёные нашли графену применение в онкологии

А в МГТУ им. Н. Э. Баумана с помощью графена создают биологические сенсоры нового поколения, служащие для регистрации белковых маркеров опасных заболеваний в крови пациента. «В качестве основы мы использовали восстановленный оксид графена, который позволяет создать проводящую электричество область и в то же время привязать биологически чувствительный материал, — рассказал „Профилю“ директор МИЦ „Композиты России“ Владимир Нелюб. — Такие сенсоры ускорят процесс выявления заболеваний на ранних стадиях, а также сделают возможной быструю диагностику в труднодоступных районах в период военных действий или разведэкспедиций».

Тем временем австралийским ученым из Государственного объединения научных и прикладных исследований (CSIRO) благодаря графену удалось решить острую гуманитарную проблему — нехватку чистой воды. В 2018 году они представили Graphair — фильтр, который позволяет в один этап полностью очистить воду от соли, масел и различных загрязнений. А в прошлом году ученые из университета Уханя (Китай) сообщили о создании чуть более сложного фильтра из углеродных нанотрубок, который позволяет удалить соль из воды. В нынешнем виде технология позволяет создавать очиститель размером всего один сантиметр, но ученые планируют ее доработать.

Постепенно графен находит свое применение и в других областях. В 2017 году ученые из Манчестерского университета нашли способ производить текстиль с напылением из графена. А уже через год британский бренд одежды Vollebak выпустил в продажу такую куртку, которая позиционировалась как «частично научный эксперимент». Его суть заключалась в изучении свойств графена как текстильного материала. Например, выяснилось, что он может накапливать тепло и не дает скапливаться влаге.

Ожидается, что в будущем графен позволит снабжать одежду различными датчиками и даже экранами. А кроме того, превратит любую вещь в бронежилет: в 2017 году ученые Городского университета Нью-Йорка пришли к выводу, что всего два графеновых слоя остановят выпущенную из пистолета пулю.

Графен — дело тонкое

Означает ли все это, что графеновые технологии наконец выходят из лабораторий на массовый рынок? И да, и нет. В производстве «сырого» графена загадок нет: этим занимаются стартапы в разных странах (американский Graphenea, британский Paragraf), то есть при наличии инвестиций объем выпуска материала можно сравнительно быстро довести до промышленных масштабов. Об этом свидетельствует пример международной компании OCSiAl, основанной в 2009 году российскими бизнесменами. Суммарные инвестиции в проект составили $200 млн, и сегодня OCSiAl производит в год до 75 тонн графеновых трубок, которые можно свободно купить на сайте компании.

Компании, специализирующиеся на двумерных материалах, появляются в разных странах (на фото: установка для производства графена в Китае), однако объемы выпуска невелики. Нарастить их мешает ряд технических сложностей

Zheng Yong / XINHUA / AFP / East News

Больше того, регулярно появляются новости об открытии все более элементарных способов графенового производства. В июне 2019‑го группа ученых из Австралии и Индии опубликовала статью в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, где описывает возможность получения графена невысокого качества из его оксида с помощью коры эвкалипта. А совсем недавно ученые из Университета Райса (США) доказали, что графен со случайно ориентированными слоями можно получить буквально из мусора. По их расчетам, если собрать отходы с высоким содержанием графита и пропустить через них разряд тока, в результате удастся получить несколько граммов однослойного углерода.

Проблема же заключается в другом: интеграции двумерного материала в стандартные, «трехмерные» промышленные процессы, будь то производство аккумуляторов, курток или чего-либо еще. Оказалось, что, несмотря на свою феноменальную прочность, графен слишком хрупок для грубой заводской обработки. «Основное препятствие, из-за которого процессоры до сих пор выпускают на кремнии, а сенсорные экраны — на оксиде индия-олова, — это перенос или синтез графена на нужной подложке, — объясняет Владимир Нелюб. — При переносе он, как правило, рвется случайным образом, что не дает возможности сделать большой сенсорный экран. А для синтеза требуются температуры порядка 900 градусов Цельсия, что автоматически исключает использование гибких подложек».

Над решением этой проблемы сегодня бьются во всем мире. В частности, в МИЦ «Композиты России» разрабатывают альтернативные способы переноса графена на различные подложки. Нелюб уточняет, что для различных специфических задач нужно, чтобы в графене присутствовали определенные функциональные группы. Например, в сенсорах графен должен «цеплять» био— или газочувствительные молекулы. Эти нюансы и ограничивают потенциальный объем промышленного производства «сырого» графена.

Сколько времени потребуется, чтобы преодолеть «детские болезни» технологии? Точных сроков не называют ни у нас, ни за рубежом. Но исторический опыт обнадеживает: материалы со столь привлекательными свойствами неизбежно находят свой путь «в народ».

Видимость графена — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Изображение графена на поверхности окисленного кремния с толщиной диэлектрика 300 нм в оптическом микроскопе при использовании белого света, красного, зелёного и синего фильтров.

Видимость графена на подложке является важным вопросом, который надо решить для нахождения графена. Так как графен получают, в основном, при помощи механического отшелушивания графита и впоследствии осаждают на подложку окисленного кремния (SiO₂/Si) без фиксации позиции на поверхности подложки, то необходимо сначала найти кусочки на поверхности. Поскольку графен имеет толщину всего в один атом важно выбрать наиболее благоприятные для поиска в оптический микроскоп условия (например, частоту волны света, толщину диэлектрика, угол наблюдения)^[1][2].

Расчёт с использованием формул Френеля при учёте многократных отражений от границ раздела сред показал, что наиболее выгодными для использования в видимом диапазоне света являются толщины диэлектрика 100 нм и 300 нм^[1][2]. В настоящее время используются подложки кремния с толщиной диэлектрика 300 нм.

Несмотря на то, что толщина графена составляет один атом, оптические свойства свободного графена таковы, что его прозрачность определяется только постоянной тонкой структуры^[3]. (см. Постоянная тонкой структуры (графен))

1. ↑ ^{1 2} Blake P. et. al. Making graphene visible Appl. Phys. Lett. 91, 063124 (2007) doi:10.1063/1.2768624
2. ↑ ^{1 2} Abergel D. S. L. et. al. Visibility of graphene flakes on a dielectric substrate Appl. Phys. Lett. 91, 063125 (2007) doi:10.1063/1.2768625
3. ↑ Nair R. R. et. al. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science 320, 1308 (2008) doi:10.1126/science.1156965

Обсуждение:Графен — Википедия

Картинка с волновыми векторами[править код]

Кажется, картинка «рис. 5» не соответствует формуле 2.16 — надо на картинке поменять местами оси, или в выводе.

Почему кажется? Ошибка. Спасибо, что сообщили. Исправлено. Может ещё, что-нибудь есть? Alexander Mayorov 19:23, 13 июня 2007 (UTC)

Переименуйте кто-нибудь просто в «Графен»

Что делать с тупыми 0-ками,[править код]

напр., 3000 К и др. фигнёй? — Тжа0.

Ничего Майоров Александр 20:35, 7 февраля 2007 (UTC)

Это не решение, а прятание головы в песок. Если вспомнить историю, то физики отличались глупостью: кило/мега/гига-тонны. Компьинженерия этот трэш вышвырнула. — Тжа0.

Ангстремы тоже пора вышвырнуть. — Тжа0.

Не знаю как значок поставить — поставил нм. Майоров Александр 21:42, 7 февраля 2007 (UTC)

Значок есть в самой ст2. Я просто полагаю, что раньше это (ангстрем) и, мб, имело резон, но сейчас, когда инженерными размерами являются нм (недавно анонсировали Интэл и Ай_Би_эМ транзистор с 45 нм), а завтра пико, — старьё, к-рому место в музее. — Тжа0.

Всё зависит от удобства например 3.4 Å лучше написать, чем 0.34 нм. Ангстремы применяются при описании величин этого же порядка, то есть при описании длин волн света (рентген), расстояния между атомами в кристаллической решётке, толщин слоёв при МЛЭ (причём в последнем случае встречаются даже 3000 Å). Майоров Александр 22:02, 7 февраля 2007 (UTC)

Чтобы избежать лишний 0, мб, и сто́ит (аналогия % vs ‰), но если брать СИ с шагом ±1 К, то это явно архаика. 3 К Å — обыкновенный дурдом. — Тжа0.

«базовой толщиной транзисторов до 10 нм.» Когда перейдём к пико/фемто/… параметрам. чтобы чипы с ними (размерами) стояли в писишках или др. приборах, заменяющих персоналки? Интэл балаболил о 5 нм, как стене, к-рую не перейти. Опозорится, как пить дать. — Тжа0.

Я это не писал. Источник мне известен — интервью/словоблудие. Не все разделяют мнение источника. Майоров Александр 21:18, 7 февраля 2007 (UTC)

Ист-к — ун-т из Джорджии. Если Вы, Аэ_эл__эС, считаете, что это бред-изм/ятина, то почему не удалили? Или чтобы потом повозить болтунов фэйсом по́ столу? — Тжа0.

Следуя НТЗ — нет собственного мнения :). Есть источник пусть будет и фраза. Я не знаю статей о транзисторах на основе графена — скорее всего это реклама, то что в интервью (деньги под проект легче выделяют :)).Там же в параграфе «Возможные применения» в следующем абзаце сказано почему предыдущий абзац скорее всего не соответствует действительности (повторюсь, что никаких статей не было опубликовано). Но транзистор (то есть переключатель где жёстко различимы два состояния: проводящее и непроводящее), по-видимому, всё-таки возможно сделать (работающий при комнатной температуре) — только это не под силу обычной оптической литографии. Майоров Александр 21:41, 7 февраля 2007 (UTC)

Литографию можно выбрать, не big deal. Если транзистор на основе графена можно будет сделать, то компашки оприходуют и полагаю, очень быстро. — Тжа0.

Транзистор уже создан. Но только для управления проводимостью используется обратный затвор (подложка), а нормальные затворы для графена ещё не научились делать. Не существует также и промышленной технологии для получения графена, поэтому о схемах ещё не задумываются. Чтобы на рынке появились какие-нибудь процессоры — они должны быть мощнее существующих кремниевых, а это с наскоку также не делается. У кремниевой технологии есть конкуренты (по некоторыс параметрам лучшие Ge, GaAs), но их недостатки много существенней, чем их достоинтва. История с графеном, скорее всего будет не короче историии с квантовым компьютером. Майоров Александр 22:46, 7 февраля 2007 (UTC)

1. {Спб}2/… за инфо.
2. Если есть единичный экз., то промтехнологию с-делают/генерят. В этом я уверен на всю 1е3 ‰.
3. О германии как конкуренте кремнию. Вам самому не смешно? Уже лет 40(!) об этом треплются, а воз и ныне там/мечты остаются ими же.
4. Ср. с квантовым компом — очень плох-ой/ая//дурной ва(е)р//зна-к/мение. Если это так, то можно отложить эту историю в долгий ящик и забыть. — Тжа0.

Ну это вообще свинство в поиске Google русская версия идёт после английской. Убрать, что ли интервики. Майоров Александр 19:29, 4 марта 2007 (UTC)

Вот теперь мы первые. Майоров Александр 15:22, 21 марта 2007 (UTC)

Жду Ваших комментариев. Майоров Александр 15:27, 7 февраля 2007 (UTC)

Статья избрана в хорошие. Softy 20:28, 10 марта 2007 (UTC)

А ещё через месяц в избранные.—Arbnos 16:22, 27 апреля 2012 (UTC)

[Новости — Журнал «Компьютерра»]

Опубликовано в журнале «Компьютерра» №45 от 08 декабря 2005 года Трудно сказать, какие еще сюрпризы преподнесет нам графен, если уже первый год его изучения привел к таким поразительным результатам.

В 736…738 номере (не помню точно, можно поискать «графен» у них на сайте позже, пока не выложили эти номера) вообще удивительные вещи про графен написали (по памяти): добавление долей процента графена в полимер приводит к упрочнению на треть! И много еще удивительных и пока необъяснённых явлений столь же значительного улучшения свойств материалов при добавлении ничтожных количеств графена.

Что еще в плюс графену (кажется, в той же статье) — это то, что его можно нащепить, как лучины из полена, из обычного графита, т.е. способ получения достаточно дешев.

Ждем новостей о графене!

Лаборатории, производства, пишите о своем опыте применения графена.

P.S. Кстати, «Компьютерра», насколько понял, не возражает против цитирования:

При цитировании или ином использовании материалов, опубликованных в «Компьтерре», ссылка на журнал обязательна.

trez 10:33, 18 июня 2008 (UTC) // trez 09:29, 12 января 2009 (UTC)

Новость о применении графена для очистки воды. Для раздела о применении. —Ageshead 17:35, 3 июля 2012 (UTC)

Ничего интересного. Если более эффективные методы: например использовать нанотрубки. Alexander Mayorov 18:51, 3 июля 2012 (UTC)

Графен — пять лет спустя[править код]

Звыняюсь за наглость, но пришлось добавить даный материал самостоятельно… Так сказать — альтернативный взгляд со стороны чайника… Думаю, что после серьезного рассмотрения даного подхода, «шаманские пляски и камлания» вокруг «фермиевской скорости» и «релятивистского приближения» с «нулевой массой» постепенно сойдут на нет… Еще раз звыняюсь за возможные грамматические ошибки, поскольку я от русского языка уже отвык. У меня еще есть материал по КЭХ в графене. Если интересует, то могу добавить…195.47.212.108 11:22, 6 февраля 2009 (UTC)

Извините, но не в таком виде и не сюда. Alexander Mayorov 16:12, 6 февраля 2009 (UTC)

Предлагаю название матерьялу типа графен — Графан как плоский нано кристал, в виду того что и дальний и ближний порядок, у данных веществ существует + такие пленки (толщиной в один атом) пока получают в виде небольших скоплений (собственно более не нужно Для наносхемы).

Владимир Трунов 18:55, 20 ноября 2009 (UTC)

Это нормальное название, поскольку уже используется в научной литературе на русском языке. Кстати графан (англ. graphane) тоже занято. P.S. Максимальный размер графена, что я видел ~1×1 мм². Alexander Mayorov 19:08, 20 ноября 2009 (UTC)

Часть информации устарела, появилось много новых статей. Актуальность снижается. Alexander Mayorov 16:14, 12 августа 2010 (UTC)

• Да, и нет информации об открытии российских учёных! 195.242.145.227

Графен получил Нобелевку… российские?(один из них русский, как обычно с дв.гражданством) Tpyvvikky 15:50, 5 октября 2010 (UTC)

Они оба русские, выпускники МФТИ. Pershin2010 19:38, 21 мая 2011 (UTC)

Снять флаг избранной со статьи. — HarDNox^ぎ¿ 16:52, 5 октября 2010 (UTC)

Графен известен с 1918-го года. Нобелевка дана не за его открытие! http://www.youtube.com/watch?v=4rYfPuOL_Kc

Тут вот заметка о последних изысканиях на тему. Конечно, лучше оригиналы смотреть, но удобно, что статья на русском. Если кто-то найдёт там что-то полезное — сможет поискать оригинал и процитировать более полно. Yakiv Glück 17:44, 3 августа 2012 (UTC)

Случайно не из-за ГРАФЕНА русские получили премию?Очень горжусь ими! Вильдокс Дан

Да отщепили со скотчем. Правда снять его с подложки возможно ну разве что при абсолютном нуле. Уж больно он химически активен.85.26.232.219 20:04, 19 сентября 2011 (UTC)

Какое отношение Петрик имеет к графену? Он может заявлять что угодно, но с точки зрения правил Википедии эта информация попадает под определение правила ВП:МАРГ. В статье о самом Петрике она использоваться может, здесь же ее добавлять не нужно. Поэтому я эту правку откатил.—Vladimir Solovjev ^обс 15:33, 1 августа 2012 (UTC)

В разделе «Введение» есть ссылка на «Затвор». Хотел поставить прямую, но в конце-концов попал на статью «Полевой транзистор», где просто нет раздела «Затвор»: Затвор (электроника). Плюс в УРЛе появляется #длинная_строка (как ссылка на анкер), но страница никуда сама не прокручивается. Миха 19:50, 13 февраля 2013 (UTC)

Спасибо, исправил. Alexander Mayorov 22:32, 13 февраля 2013 (UTC)

Кому интересно, в CHIP 8/2013, стр.24-27, есть статья, можете изучить и внести данные. 185.52.142.116 17:22, 13 июля 2018 (UTC)

И эта статья имеет статус избранной? Во ВВЕДЕНИИ (!) уже второй абзац начинается с матана, затем идёт будто бы от фразы «вы спрашивали, почему в университетах им интерсуются? ну так вот, это потому…». Ещё до введения, в общей части, стоит описание одной награды одного года. Чушь. Я зашёл из любопытства, ЧТО ТАКОЕ графен, а где он там применяется и как он устроен — это должны быть подробности для любознательных. Переписать!

Графен и мировая техническая революция

О перспективах использования графена нам рассказал один из главных специалистов по этому удивительному материалу, профессор Университета Радбауда (Нидерланды), доктор физико-математических наук, почетный доктор Уппсальского университета, лауреат премии Спинозы Михаил Кацнельсон.

 

©alphagalileo.org

 

Михаил Кацнельсон –  основные результаты в области теории сильно коррелированных сис­тем, физики магнетизма, графена. Участвовал в открытии киральных квазичастиц в однослойном и двуслойном графене, рипплов на графене, гид­рогенизированного графена (графана), создании первого графенового транзистора. Предсказал клейновское туннелирование, определяющее особенности электронного транспорта в графене и подтвержденное экспериментально / 

 

Михаил Иосифович, что же представляет из себя графен? 

Графен – это первый строго двумерный материал. Свойства любого материала определяются не только химическим составом, но и расположением атомов. С углеродом это особенно понятно. Всем известно, насколько разные алмаз и графит, хотя состоят они из одних и тех же атомов углерода. Но эти атомы разным образом упорядочены в пространстве, что приводит к колоссальному различию свойств. 

 

Во всех известных до недавнего времени материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому они, соответственно, имеют длину, ширину и высоту. А графен – это один слой углеродных атомов, взятый из графита. У него есть длина и ширина, а глубины, по сути, нет, поэтому мы и называем его двумерным. 

 

Каковы перспективы внедрения графена в нашу современную жизнь? 

Сейчас важно сказать, что графен – всего лишь первый представитель класса двумерных материалов, и в настоящее время широко исследуются другие материалы этого же класса. О графене, как таковом, сейчас даже уже не говорят – говорят о двумерных материалах вообще.

 

Есть, например, слоистый нитрид бора. Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и графен, только половина атомов углерода в нем заменена атомами бора, а другая половина – азотом. Свойства такого материала получаются совершенно другими: если графен – это полуметалл с достаточно большой электронной проводимостью, то нитрид бора – это широкозонный изолятор. У него примерно такая же энергетическая щель, как у алмаза. Другой популярный материал сейчас – дисульфид молибдена. Его параметры уже типично полупроводниковые, очень близкие к тому, что мы имеем в обычном трехмерном кремнии или германии. 

Так что если говорить о каких-то перспективах замены кремния – это будет, скорее, даже не графен, а дисульфид молибдена или дисульфид вольфрама. Это сейчас очень популярные материалы, и их появляется все больше и больше.

Очень важно и то, что двумерные материалы можно комбинировать: скажем, взять слой графена, слой нитрида бора, а затем – опять слой графена. И электроны будут проникать (физики говорят «туннелировать») из графена в графен через нитрид бора. Это комбинации, которых нет в природе, но которые можно сделать искусственно, при этом возникает поразительно интересная новая физика, и, возможно, новые технические приложения. 
 

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем, толщиной в один атом, организованным в гексагональную кристаллическую решетку. Его можно представить, как плоскость, срез графита, отделенный от объемного кристалла. Графен обладает огромной механической прочностью и рекордно высокой теплопроводностью. Необычайно высокая подвижность электронов в нем делает графен перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах .

 

Графен / ©Getty

 

Для чего нужны эти новые виды материалов? 

Это очень важно и с прикладной, и с фундаментальной точек зрения. Поскольку я – теоретик, скажу сначала о второй. Наше понимание электронных свойств крис­таллов основано на регулярности расположения атомов в их решетке. Это хорошо развитая теория, описывающая квантовую механику систем, которые обладают строгими свойствами периодичности. Но если вы, например, возьмете слой графена и слой нитрида бора, то у нитрида бора будет своя периодичность, а у графена – своя. Это то, что мы называем несоизмеримый потенциал. Сос­тояние электронов в таком несоизмеримом потенциале – это фундаментальная проблема квантовой механики. Но вот, оказывается, можно эти структуры, состоящие из графена и нитрида бора, контролируемым образом переводить от соизмеримых потенциалов к несоизмеримым, смотреть, как это влияет на электронные свойства. Это абсолютная базовая физика и самый последний «писк» в физике двумерных материалов.

 

Прикладными вещами, к сожалению, я не занимаюсь, но кое-что сказать об этом можно. Прежде всего, всех, конечно, интересует, можно ли сделать транзистор. Оказывается, что из графена обычный транзистор по типу кремниевого и германиевоего (который работает на так называемых np- и pn-переходах) сделать нельзя, поскольку природа носителей тока в графене совершенно особая. Этому посвящена моя самая известная работа по теории графена, то, что мы назвали клейновским туннелированием. Оно сводится к тому, что электроны в графене могут очень легко проникать через любые потенциальные барьеры, поэтому у вас получается транзистор, который невозможно запереть. А ведь самая важная характеристика транзистора – это отношение тока в состоянии, когда он отперт и когда заперт… 

Чтобы решить эту проблему, пару лет назад мы предложили так называемую вертикальную геометрию, когда мы имеем дело с электронами, которые распространяются не в одном слое графена, а с одного слоя на другой, через прослойку нитрида бора или дисульфида молибдена. Это так называемый туннельный транзистор, для которого нет ограничений, связанных с клейновским туннелированием. С его помощью можно достичь разумных, интересных для техники отношений тока в запертом и открытом состоянии. 

 

С помощью графена планируется удешевить процесс преобразования морской воды в пресную. Фильтр будет представлять из себя графеновую мембрану с отверстиями настолько малыми, что они не будут пропускать частицы соли. Устройство будет прочным и долговечным, его можно будет использовать для опреснения воды в больших объемах / ©Getty

Насколько мне известно, представители электронной промышленности восприняли этот подход с большим энтузиазмом. Вполне возможно, что именно такая конструкция транзистора, основанная на двух листах графена, проложенных какими-то другими двумерными материалами, и будет использоваться в технике будущего. В то же время, другие двумерные материалы, например, дисульфид молибдена, привлекают большое внимание как раз потому, что ситуация с ними похожа на то, что мы имеем в кремнии. С ним не нужно сложных ухищрений, можно делать нормальные транзисторы – и они будут работать. 

К сожалению, до сих пор не решена одна принципиальная технологическая проблема – качество образцов. Одна из особенностей графена сос­тоит в том, что связь между углеродными атомами, образующими сетку, – это самая прочная химическая связь в природе. Из-за этого графеновая решетка исключительно правильная, регулярная, туда практически невозможно внес­ти какие-то дефекты. Поэтому электронная подвижность в графене колоссальная. А вот, скажем, у того же дисульфида молибдена связи не такие прочные, в него могут вноситься и дефекты, и разные включения. Отсюда возникает другая большая проблема с этими новыми материалами (кроме графена) – не очень высокая подвижность электронов в их структуре. 

Поэтому, если говорить об использовании двумерных материалов в электронике – а это самая важная сфера применения, – то можно заметить, что пока открываются различные конкурирующие возможности, и не очень понятно, какая окажется наиболее перспективной. Можно напрячь все силы и постараться получить дисульфид молибдена или вольфрама исключительно высокого качества, либо, все-таки, работать с графеном, который до сих пор уникален в плане механической прочности и в плане подвижности электронов. Но законтактировать с ним напрямую кремниевую электронику не получится, поскольку природа носителей тока совершенно другая. 

 

 ©Getty

 

Помимо невероятной прочности, графен имеет и отличные проводящие свойства. Ученые предложили способ создания суперконденсатора с помощью графена и… DVD-привода. Происходит это так: оптический диск покрывается слоем оксида графита, а затем лазером пишущего DVD-привода выжигаются очертания электродов. Под действием красного лазера оксид графита превращается в графен, электропроводность которого в 6 раз выше, чем у исходного материала. Менее чем за полчаса удается получить более 100 графеновых суперконденсаторов на одном диске, каждый из которых уже можно использовать в качестве аккумулятора.

 

Как еще можно использовать графен и другие двумерные материалы, помимо внедрения в электронику? 

Я начал с самого многообещающего приложения – с транзисторов и с перспективы производства компьютерных чипов из двумерных материалов. Как я уже сказал, транзисторы на основе этих гетероструктур есть: из графена его получили мы, из дисульфида молибдена – другая команда исследователей. Это было сделано пару лет назад. И там, и там проблемы остались чисто технические – научиться делать большие интегральные схемы, повысить качество. Это уже не физика, поэтому что-то предсказать здесь я не могу, но думаю, что прогноз на этот счет – это уже не десятилетия, а годы.

Есть и менее глобальные приложения графена, которые прорабатываются уже сейчас или будут созданы в ближайшем будущем. Например, графен – идеальный материал для сенсорных экранов. Ведь что нам для этого нужно? Самое главное – материал должен быть прозрачным и проводящим. То, что используется в современных тачскринах, мобильных телефонах и т. д., делается на основе окиси индия. Но индий – редкий металл, он дорог, его месторождения немногочисленны. Поэтому производители мобильных телефонов и прочей техники уже давно и серьезно интересуются графеном как возможным материалом для сенсорных экранов. Особенно интенсивно работают над этим в Корее и в Китае, пионером этих исследований стала фирма Samsung. 

Главным камнем преткновения долгое время оставалось то, что графен, полученный знаменитым методом липкой ленты, замечателен для научных исследований, но астрономически дорог для технических приложений. Но вот несколько лет назад была разработана технология осаждения химических паров (когда на поверхность подходящего металла, например, меди, оседают горячие пары углерода). Этот графен, конечно, не обладает такими хорошими свойствами, как извлеченный при помощи липкой ленты из графита, зато размеры его ничем не ограничены, и он очень дешев. Это, в принципе, решило проблему. Не знаю, появились ли уже графеновые экраны на рынке, или нет, но Костя Новоселов (один из первых исследователей графена, получивший за свои работы Нобелевскую премию – NS) недавно рассказывал, что одна из компаний уже подарила ему мобильный телефон с графеновым экраном. Так что, если такие тачскрины еще не появились в продаже, то появятся совсем скоро. 

 

 ©Getty

 

Электроды из графена отличаются высокой прочностью и большей прозрачностью, чем современные олово-индиевые аналоги. К тому же, новая технология дешевле и экологичнее, так как не требует применения редких металлов.

Пойдем дальше. Всем известно, что работающая электроника разогревается, и от нее нужно постоянно отводить тепло. Здесь полезно другое удивительное свойство графена – его исключительная теплопроводность, лучше, чем у любого металла. Поэтому, даже если транзисторы оставить кремниевыми, графен можно использовать как подложку. Это будет очень эффективный отвод тепла, и микросхемы не будут так сильно греться. 

Большой энтузиазм в связи с использованием графена сейчас можно наблюдать в фотонике и фотовольтаике: графен считается очень перс­пективным материалом для всевозможных светодетекторов, может быть, даже для солнечных батарей. Не могу оценить, когда такое применение графена пойдет в народное хозяйство, но, думаю, это тоже скорее годы, чем десятилетия. 

Есть и совсем экзотические приложения. В частности, некоторые исследователи пытаются использовать графен для весьма неожиданной вещи – для экспресс-анализа ДНК. Если будет найден способ делать такой анализ очень быстро и дешево, то это, конечно, может серьезно изменить здравоохранение, да и всю нашу жизнь. Тут дело в том, что графен – это всего один слой атомов, в котором можно делать «дырочки», выжигая их, например, ионным пучком. И если затем вы сможете протащить сквозь такую дырочку молекулу ДНК и подведете контакты, вам останется просто измерять проводимость, туннельный ток поперек этой молекулы. А он для каждого нуклеотида будет свой. Насколько мне известно, пока это не удалось никому, но люди над этим работают. 

Какие еще приложения можно себе представить? Самые разные. Потому что у графена, помимо прочих свойств, еще и интересная химия. Его можно использовать для получения новых материалов, например, фторировать, получая флюорографен. Это двумерный аналог известного всем домохозяйкам тефлона, которым покрывают сковородки. Но, в отличие от тефлона, флюорографен намного тоньше и прочнее. А вообще, применение этого прочного, тонкого и очень химически инертного двумерного материала может быть ограничено разве что человеческой фантазией. 

 

 ©Getty

 

Практическое применение графена, действительно, может быть ограничено лишь человеческой фантазией. Не так давно стало известно, например, что фонд Билла и Мелинды Гейтс выделил грант в размере 100 тыс. долларов для создания… графеновых презервативов. Стоит ли говорить, что такая перспектива может полностью разорить производителей тех же изделий из традиционного латекса. С тонкостью и сверхпрочностью графеновых презервативов не сможет конкурировать ни один ранее созданный материал. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Скопировать ссылку