Історія неймовірного відкриття графену для наноелектроніки з використанням звичайного скотчу
В 2004 р. Костянтин Сергійович Новосьолов, (народився в 1974 р. у Ниж-ньому Тагілі,має російське і британськегромадянство) і Андре Гейм (Андрій Костянтинович Гейм народився у Сочі в 1958 р. у родині інженерів німецького походження. Нині він громадянин Нідерландів) з колегами саме за допомогою цієї липкої стрічки зробили відкриття, що суттєво вплинуло на ситуацію у фізиці конденсованого стану. Почавши працювати з графітовими зразками завтовшки близько 1 мм і добре знаючи про слабку взаємодію прошарків в графіті, вони поставили за мету отримати якомога тонші графітові прошарки. Для цього прошарок клеїли до скотчу і відокремлювали від нього тонші прошарки, які в певній кількості залишались на ньому. Потім скотч видаляли разом з налиплими тонкими фрагментами графіту, який, залишався і ще мав декілька прошарок. Після кількох повторень цієї операції окремі прошарки графіту виявлялись настільки тонкими, що вміщували всього кілька атомних прошарок, а інколи — прошарок товщиною в один атом, і це була справжня несподіванка. Одержані плівкові шматочки зі скінченним, і достатньо малим числом прошарків, і були бажаними зразками графену, які тепер так і називають одно-, дво-, трипрошаркові і т.д. графенові плівки. Для подальшого дослідження — зокрема встановлення істинної товщини прошарків, їх розміщали на підкладці з кремнію, верхній шар якої був ізолятором з оксиду кремнію SiO2. Товсті плівки з графіту (товщиною більше 3 нм і розміром понад 100 мк) видно навіть неозброєним оком (фактично це слід на папері від олівця), а справжній графен, розмір плівки якого не перевищує 10 мк, можна побачити лише за допомогою оптичного мікроскопа. Більше того, через явище інтерференції світла спостереження графену залежить не лише від його товщини, а й від товщини верхнього ізоляційного шару підкладки. Як з’ясували пізніше, саме те, що товщина шару з оксиду кремнію дорівнювала приблизно 300 нм, виявилось неабиякою знахідкою, бо якраз така товщина найсприятливіша з точки зору оптичних спостережень.
В 2009 р. інші дослідники показали, що графенові нанострічки можна отримувати шляхом розрізання нанотрубок уздовж осі. Отриманий графен, нехай і дещо кустарно, з експериментальною вишуканістю гідною наслідування, існував як суто двовимірне фізичне середовище, а отже, перед фахівцями постало питання — чому? Як потім було з’ясовано згодом, вільний графен, будучи в цілому дійсно плоским, має трохи нерівну, «зім’яту», поверхню. Тобто атоми не лежать в одній площині, а виходять з неї на невеликі відстані, залишаючись при цьому дуже сильно зв’язаними між собою саме у просторі площини. Поверхня графену вкрита, образно кажучи, випадково розташованими пагорбами і долинами, які отримали назву риплів (ripples). Якщо строго, то останні, будучи наслідками спонтанних зміщень атомів вуглецю в третій вимір, створюють ефективну «товщину» одноатомних прошарків, яка, у свою чергу, породжує їхню поперечну, відносно площини, механічну жорсткість, чим дозволяє уникнути обмеження, які в свій час висловлювали відомі авторитети Лев Давидович Ландау (1908-1968) і Рудольф Ернст Пайерлс (1907-1995), котрі математично довели, що двовимірні кристали не можуть бути термодинамічно стабільними, що, у свою чергу, повністю заперечує їхнє існування. Таке твердження кілька десятиліть вважали непорушним. Зараз, і це довели чисельні експерименти, одношаровий графен, незважаючи на згадану тривимірність, у багатьох (точніше — майже у всіх проявах) поводиться як двовимірний кристал.
Більшість унікальних властивостей графену виникає з поведінки в ньому електронів. Пропускаючи електричний струм через графенові стрічки, експериментатори встановили, що здатність вільних електронів до руху (так звана рухливість носіїв) набагато (майже на два порядки) перевищує таку здатність у найбільш використовуваних в електроніці кремнієвих напівпровідників. Ще одна перевага графену і приладів, створених на його основі, полягає у тому, що в зручному керуванні зовнішньою електричною напругою, прикладеною до прокладки з напівпровідника, на якій лежить графеновий зразок (польовий транзисторний ефект). Цим легко інжектувати у графен носії необхідного знаку. Дослідники в Університеті Нотр-Дам показали, що терагерцовими електромагнітними хвилями можна ефективно керувати за допомогою атомарних шарів графену.
Серед найбільш уражаючих властивостей графену можна, насамперед, відзначити, що він найміцніший серед відомих кристалічних речовин, його теплопровідність на порядок вища, ніж теплопровідність міді, а електрони у графені чутливіші до прикладеного електричного поля за всі відомі напівпровідники. Причому його електронні властивості мають глибокі аналогії з фізикою елементарних частинок і квантовою теорією поля, бо електрони у графені завдяки взаємодії з кристалічною решіткою поводяться як безмасові частинки, стаючи дещо подібними до таких частинок, як нейтрино, чи навіть квантів світла — фотонів.
Електромагнітні хвилі терагерцового діапазону останнім часом привертають підвищену увагу вчених. Вони здатні переносити більше інформації, ніж радіо і мікрохвилі, а в медицині - отримувати зображення з високою роздільною здатністю не піддаючи біологічні тканини ризику рентгенівського опромінення.
Графен (англ. graphene) - двовимірна модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю завтовшки в один атом, з'єднаних за допомогою σ-і π-зв'язків в двовимірну кристалічну решітку. Його можна представити як одну площину графіту, відокремлену від об'ємного кристала. За оцінками, графен володіє великою механічною жорсткістю і хорошою теплопровідністю
Висока рухливість носіїв заряду (максимальна рухливість електронів серед всіх відомих матеріалів) робить його перспективним матеріалом для використання в самих різних додатках, зокрема, як майбутню основу наноелектроніки і можливу заміну кремнію в інтегральних мікросхемах. Їх робота створює передумови для створення компактного і недорогого обладнання для терагерцевого діапазону.
У виданні Nature Communications вчені університету повідомили про успішну розробку першого прототипу терагерцевого модулятора на базі графену. Таким чином, експериментально підтверджено сформульоване ними ще в 2006 р. і опубліковане рік тому в Applied Physics Letters припущення про перспективність застосування для терагерцового маніпулювання хвилями двовимірного електронного газу, матеріальним втіленням якого і є графен. Проект здійснено завдяки підтримці Національного наукового фонду та Офісу досліджень ВМС США.
Основний з існуючих в даний час способів отримання графена в умовах наукових лабораторій, – заснований на механічному відщепленні або відлущуванні шарів графіту від високоорієнтованного піролітичного графіту (HOPG). Він дозволяє отримувати найбільш якісні зразки з високою рухливістю носіїв. Цей метод не передбачає використання масштабного виробництва, оскільки це ручна процедура. Інший відомий спосіб – метод термічного розкладання підкладки карбіду кремнію, – набагато ближче до промислового виробництва. Оскільки графен вперше був отриманий тільки в 2004 році, він ще недостатньо добре вивчений і привертає до себе підвищений інтерес.
Через особливості енергетичного спектру носіїв графен проявляє специфічні, на відміну від інших двовимірних систем, електрофізичні властивості.
За «передові досліди з двовимірним матеріалом - графеном» А. К. Гейму і К. С. Новосьолову була присуджена Нобелівська премія з фізики за 2010 рік.
В Україні більшість досліджень графену має теоретичний характер.
Фізики-теоретики, включаючи авторів, не маючи змоги співпрацювати з вітчизняними експериментальними групами, змушені шукати прямих контактів із зарубіжними експериментаторами, зокрема, беручи участь у спільних грантах. Це дає змогу, дізнаватися про результати нових досліджень і компенсує вимушену відмову вітчизняних науковців (через фінансову скруту) від участі у зарубіжних міжнародних конференціях. Водночас, включення українських фізиків-експериментаторів до світових досліджень графенів і споріднених сполук, було б не тільки бажаним, а й необхідним. Багато експертів прогнозують, що початок ХХІ ст., ознаменований науковим пожвавленням, яке породило відкриття графену, за багатьма ознаками. Кількість робіт, присвячених графену, сягає кількох тисяч. І згадати всіх авторів, які мають хоч яке небудь відношення до України, просто неможливо. Проте, слід відзначити, що у групі А.К. Гейма працюють українські експериментатори В.Г. Кравець і О.М. Григоренко. Крім того, В.І. Фалько, один із провідних фахівців у теоретичних дослідженнях графену, керівник кафедри з теорії конденсованого стану в університеті Ланкастера (Англія), вчився у Харківському університеті. Інформативний матеріал статті свідчить про започаткування нового етапу в розвиткові фізики, а саме: народження
вуглецевої електроніки, яка, напевно, має прийти на зміну кремнієвій зокрема і напівпровідниковій узагалі.Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
в начало
