Нобелівська премія з фізики - 2010 • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Наука в Росії, Нанотехнології, Нобелівські премії

Нобелівська премія з фізики – 2010

Мал. 1. Лауреати Нобелівської премії з фізики за 2010 рік Андрій Гейм (зліва) І Костянтин Новосьолов. Фото з сайту nobelprize.org

Нобелівська премія з фізики за 2010 рік була присуджена Андрію Гейм (Andre Geim) і Костянтину Новосьолова (Kostya Novoselov) з Манчестерського університету за новаторські експерименти з графеном – двовимірною формою вуглецю. Очолювана ними група вчених була першою, кому вдалося отримати графен і ідентифікувати його. Крім цього, роботи Гейма і Новосьолова внесли важливий внесок в дослідження незвичайних властивостей і характеристик нового матеріалу.

Вуглець – воістину унікальний хімічний елемент. Він здатний утворювати найрізноманітніші хімічні структури у вигляді одновимірних ланцюжків, циклічних утворень і просторових сполук. Завдяки цьому різноманіттю забезпечується, серед іншого, функціонування генетичних кодів всього живого на Землі.

Довгий час були відомі три основні аллотропние модифікації вуглецю – графіт, алмаз і сажа (аморфний вуглець). Однак з середини минулого століття вуглецеве сімейство стало швидко поповнюватися. Спочатку були знайдені одномірний варіант вуглецю карбін і гексагональна різновид алмазу лонсдейліт.У 1985 році були виявлені молекули фулеренів С60 і їх похідні Зn (Низькі фулерени – C24, C28, C30, C32, – середні фулерени – C50, C60, C70, – гіперфуллерени – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 і фулерени-гіганти – C240, C540, C960), Згодом (в 1996 році) принесли своїм першовідкривачам Нобелівську премію з хімії. Менш ніж через 10 років світ дізнався про існування циліндричної модифікації вуглецю – одновимірних одношарових і багатошарових вуглецевих нанотрубках. І нарешті, в 2004 році групою вчених з Англії та Росії була отримана двовимірна форма вуглецю – графен. А всього через 6 років після відкриття цієї нової аллотропной форми вуглецю керівники групи Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов були удостоєні Нобелівської премії з фізики "за новаторські експерименти з двовимірним матеріалом графеном".

Що таке графен і як його відкрили?

Нехай в нашому розпорядженні є найбільш зустрічається в природі різновид вуглецю – графіт. Графіт – сильно анізотропні речовина; він складається з слабо взаємодіючих плоских шарів атомів вуглецю (рис. 2). Те, що зв'язок між атомними площинами слабка, можна спостерігати в процесі малювання олівцем на папері, коли шари графіту легко зміщуються і від'єднуються, залишаючи на папері слід.

Мал. 2. Графен (верхній малюнок) – це 2D- (двовимірний) будівельний матеріал для інших вуглецевих аллотропних модифікацій. Він може бути згорнутий в 0D-фуллерен (зліва), Скручений в 1D-вуглецеву нанотрубку (в центрі) Або укладений в 3D-штабеля, утворюючи графіт (справа). Малюнок зі статті A. K. Geim і K. S. Novoselov The rise of graphene в Nature Materials

Припустимо, що нам якимось чином вдалося "отщепить" від кристала графіту одну атомарному площину. Отриманий одиничний шар атомів вуглецю і є графен (через плоскої форми графен називають ще двовимірної аллотропной формою вуглецю). Так що можна вважати, що графіт – це такий штабель графенових площин.

Атоми графена зібрані в гексагональну кристалічну решітку (по типу бджолиних сот); відстань між сусідніми атомами 0,142 нм. Ця "упаковка" настільки щільна, що вона не пропускає навіть маленькі атоми гелію.

Хоча термін "графен" в якості назва одиничного шару графіту з'явився відносно недавно, в 1987 році (див .: S. Mouras et al. Synthesis of first stage graphite intercalation compounds with fluorides // Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), теоретичне вивчення властивостей цієї речовини почалося ще в далекому 1947 році. Канадський фізик Філіп Уоллес розрахував закон руху електронів в одиничному шарі графіту і виявив, що в певних його ділянках залежність енергії електронів від їх імпульсу (закон дисперсії) є лінійною (докладніше про це див.в розділі "Властивості графена"). Однак до 2004 року отримати графен не вдавалося. Головна перешкода, що стояло на шляху експериментаторів, полягало в неможливості стабілізувати форму графена. Через прагнення мінімізувати свою поверхневу енергію він згортається, трансформуючись у різноманітні аллотропние модифікації вуглецю – фулерени, нанотрубки і аморфний вуглець. (Приблизно так поводиться згорнутий в рулон аркуш ватману, коли ви намагаєтеся його розпрямити.)

Чи не додавало оптимізму дослідникам і заяву авторитетних фізиків-теоретиків Рудольфа Пайерлса і Льва Ландау, зроблене більше 70 років тому, про те, що двовимірна форма кристалів не може вільно існувати, оскільки зміщення атомів під дією теплових флуктуацій будуть настільки великі, що це призведе до дестабілізації кристалічної решітки і її розпаду на окремі ділянки.

Тим більш несподівано для наукової спільноти стала стаття Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, яка вийшла в жовтні 2004 року в журналі Science, В якій група вчених з Манчестерського університету і Інституту проблем технології мікроелектроніки в Черноголовке під керівництвом Андрія Гейма і Костянтина Новосьолова повідомила про успішну стабілізації графена.У цій роботі вони описали методику отримання графена і його ідентифікації як дійсно одиничного шару графіту. Неймовірно, але синтез графена вчені здійснили за допомогою звичайної стрічки-скотча. Вони раз по раз наклеювали скотч на поверхню пластинки пиролитического графіту, а потім її відклеюються, повторюючи процедуру до тих пір, поки графіт не стане зовсім тонким.

Після маніпуляцій зі скотчем графіт переносився на підкладку з окисленого кремнію. Так як кожен раз клейка стрічка забирала з собою різну кількість шарів графіту, то "на виході" графітова пластина мала вкрай неоднорідну товщину і містила різну кількість шарів. Однак в цьому "рельєфі" знайшовся ділянку товщиною рівно в один шар атомів вуглецю – бажаний графен (про інших методиках синтезу графена см. Графен: нові методи отримання і останні досягнення, "Елементи", 30.09.2008).

Як це часто буває з великими відкриттями, вченим трохи пощастило. Справа в тому, що детектувати графен в тонкій неоднорідній по товщині графітової пластині за допомогою атомно-силових і скануючих електронних мікроскопів технічно важко. Тому для пошуку монослоя графіту Гейм і Новосьолов використовували звичайний оптичний мікроскоп.Товщина підкладки з оксиду кремнію (300 нм), на яку переносилася тонка пластина з графіту, була підібрана настільки вдало, що через інтерференції світла ділянки різної товщини мали своє забарвлення (рис. 3). Найменш контрастні, майже безбарвні області відповідали найтоншим ділянкам. Саме серед них і був виявлений графен. Лише потім Гейм і Новосьолов з колегами, використовуючи атомно-силовий мікроскоп, переконалися, що знайдена ними область дійсно є одношарової і має право називатися графеном.

Мал. 3. зліва: Фотографія графітової пластини неоднорідною товщини. Товщина окремих ділянок наведена прямо на фотографії (зазначені значення були отримані за допомогою атомно-силового мікроскопа). Довжина масштабної лінійки 50 мкм. справа: Зображення графена, отримане за допомогою атомно-силового мікроскопа. Чорна область відповідає підкладці окисленого кремнію, темно-оранжевий ділянку товщиною 0,5 нм – це графен, світло-помаранчевий ділянку містить кілька шарів графену і має товщину 2 нм. Зображення з додаткових матеріалів до статті K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films в Science

Хоча розміри перших отриманих кристалів графена були крихітними (близько 1 мкм), вчені під'єднали до отриманих зразків за допомогою спеціального пристрою електроди,щоб вивчити електронні властивості нового матеріалу.

властивості графена

Відкриття Андрія Гейма і Костянтина Новосьолова спровокувало справжню графенових лихоманку. Буквально за кілька років теоретики і експериментатори з різних лабораторій провели всебічне вивчення властивостей графена (група Гейма і Новосьолова в Манчестерському університеті і до цього дня залишається одним з лідерів в цій області).

Майже відразу з'ясувалося, що електронні властивості нової форми вуглецю докорінно відрізняються від властивостей тривимірних речовин. Зокрема, експерименти підтвердили передбачення теоретиків про лінійному законі дисперсії електронів. Але фізикам було відомо, що подібну залежність енергії від імпульсу мають і фотони – безмасові частки, що поширюються в просторі зі швидкістю світла. Виходило, що електрони в графені, як і фотони, не мають маси, але рухаються в 300 разів повільніше фотонів і мають ненульовий заряд. (Щоб уникнути непорозумінь підкреслимо, що нульова маса електронів спостерігається тільки в межах графена. Якщо такий електрон вдалося б "витягнути" з графена, то він придбав би свої звичайні властивості.)

Лінійний закон дисперсії електронів, а також те, що вони є ферміонами (мають напівцілий спин), змушує використовувати для опису граф не рівняння Шредінгера, як у фізиці твердого тіла, а рівняння Дірака. Тому електрони в графені називають діраковской фермионами, а певні ділянки кристалічної структури графена, для яких закон дисперсії лине, – діраковской точками.

Оскільки ці особливості поведінки електронів в двовимірному вуглеці властиві релятивістським часткам (зі швидкістю руху близькою до швидкості світла), з'являється можливість експериментальним чином змоделювати в графені деякі ефекти з фізики високих енергій (наприклад, парадокс Клейна), які в звичайних умовах досліджуються в прискорювачах заряджених частинок . Тому графен жартома називають "настільним Церном" (ЦЕРН – Європейський центр ядерних досліджень, під його егідою працює Великий адронний коллайдер).

У макроскопічному масштабі лінійний закон дисперсії призводить до того, що графен є напівметали, тобто полупроводником з нульовою шириною забороненої зони, а його провідність в нормальних умовах не поступається провідності міді.Більш того, його електрони надзвичайно чутливі до дії зовнішнього електричного поля, тому рухливість в графені при кімнатній температурі теоретично може досягати рекордних значень – в 100 разів більше, ніж у кремнію, і в 20 разів більше, ніж у арсеніду галію. Ці два напівпровідника, поряд з германієм, найбільш часто використовуються при створенні різних високотехнологічних пристроїв (інтегральних схем, діодів, детекторів і т. П.), А оскільки швидкість і ефективність їх роботи визначається як раз рухливістю електронів, то чим більше ця величина, тим швидше і продуктивніше працюють пристрої.

Графен встановив рекорд і по теплопровідності. Виміряний коефіцієнт теплопровідності двовимірного вуглецю в 10 разів більше коефіцієнта теплопровідності міді, яка вважається відмінним провідником теплоти. Цікаво, що до відкриття графену звання кращого провідника тепла належало інший аллотропной формі вуглецю – вуглецевого нанотрубке. Графен поліпшив цей показник майже в 1,5 рази.

Для наочності розглянемо гіпотетичний гамак з графена площею 1 м2. Знаючи поверхневу щільність графена (0,77 мг / м2), Неважко порахувати, що такий гамак має масу 0,77 міліграм. Незважаючи на гадану крихкість, цей гамак спокійно витримає дорослого кота (масою приблизно 4 кг). І хоча через двовимірний графена порівнювати його міцності з іншими 3D-матеріалами некоректно, для сталевого гамака такої ж товщини "критична" маса, яка веде до розриву, була б в 100 разів менше. Тобто графен на два порядки міцніше сталі.

Мал. 4. Гіпотетичний приклад, який демонструє механічну міцність графена. Графеновий гамак площею 1 м2 (Його маса менше міліграма) здатний витримати дорослого кота масою 4 кг. Для порівняння: сталевий гамак тієї ж площі (якби нам вдалося його зробити тієї ж товщини) утримував би в 100 разів менше – всього 40 г. Зображення з сайту nobelprize.org

Що ж стосується оптичних властивостей, то графен поглинає лише близько 2,3% видимого світла незалежно від того, яку довжину хвилі має падаюче на нього випромінювання. (Цікаво, що в теоретичних розрахунках ці 2,3% виражаються через твір числа π і постійної тонкої структури α, що визначає силу електромагнітної взаємодії.) Це означає, що графен практично безбарвний (тобто сторонньому спостерігачеві буде здаватися,що ніякого графенового гамака немає, а кіт на рис. 4 завис в повітрі).

перспективи графена

В даний час найбільш обговорюваних і популярним проектом є використання графена як нового "фундаменту" мікроелектроніки, покликаного замінити існуючі технології на базі кремнію, германію та арсеніду галію (рис. 5). Висока рухливість зарядів разом з атомарної товщиною роблять графен ідеальним матеріалом для створення маленьких і швидких польових транзисторів – "цеглинок" мікроелектронної промисловості. У зв'язку з цим варто відзначити публікацію 100 GHz Transistors from Wafer Scale Epitaxial Graphene, що з'явилася в одному з лютневих випусків журналу Science за цей рік. Автори цієї роботи, співробітники лабораторії IBM, зуміли створити графеновий транзистор, що працює на частоті 100 ГГц (це в 2,5 рази перевищує швидкодію транзистора того ж розміру, виготовленого на кремнієвій основі).

Мал. 5. Графен розглядається як основа мікроелектроніки майбутнього. Малюнок з сайту thebigblogtheory.wordpress.com

Поєднання прозорості, гарної електричної провідності і еластичності графена привело до думки використовувати його при створенні сенсорних дисплеїв і фотоелементів для сонячних батарей.В ході експериментів було доведено, що майже за всіма показниками пристрої подібного роду на основі графену краще, ніж використовувані зараз пристрої на основі оксиду індію-олова (скорочено ITO).

Щоб показати, наскільки перспективним є графен, наведемо далеко не повний список областей, де його використання вже почалося:

  • це матеріал для виготовлення електродів в іоністорів – конденсаторах з величезною ємністю, близько 1 Ф (фарад) і більше;
  • на основі графену створюються мікрометровие газові сенсори, здатні "відчути" навіть одну молекулу газу;
  • за допомогою графена вчені провели секвенування ДНК;
  • в комбінації з лазером графен може виявитися ліками від раку (див. Запропоновано спосіб лікування раку за допомогою графена і лазера, "Елементи", 07.09.2010).

Справедливості заради зазначимо, що успіхи, пов'язані із застосуванням графена, носять поки що одиничний характер. Основні труднощі полягають в синтезі високоякісних недорогих листів графена великої площі, що мають стабільну форму. Проте останні публікації, присвячені отриманню графена, вселяють певний оптимізм. У червні цього року в журналі Nature Nanotechnology з'явилася спільна стаття корейських, сінгапурських і японських технологів, в якій вони пишуть про отримання 30-дюймових (72 см; порівняйте з мікрометрового розмірами перших кристалів графена) графенових листів методами, які, можливо, поставлять виробництво двовимірного вуглецю на потік. І тоді, напевно, стихнуть розмови про те, що Нобелівська премія з фізики за 2010 рік була видана графену як своєрідний аванс на майбутнє.

Оригінальна стаття лауреатів: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. V. 306. P. 666-669. 22 October 2004.

джерела:
1) Список публікацій групи Андрія Гейма і Костянтина Новосьолова на сайті Манчестерського університету (відкритий доступ).
2) The Nobel Prize in Physics 2010 – офіційна інформація від нобелівського комітету.

Див. також:
1) Graphene – the perfect atomic lattice (PDF, 1,44 Мб) – прес-реліз Нобелівського комітету.
2) Graphene. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010ompiled by the Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences (PDF, 1,07 Мб) – наукова історія питання.
3) Графен: нові методи отримання і останні досягнення, "Елементи", 30.09.2008.

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: