Украинское “корни” графена

Украинское

Графен – одна из алотропних форм углерода, моноатомный слой атомов углерода с гексагональной структурой. Графен открыли в 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета. За это открытие Гейм и Новоселов были награждены Нобелевской премией по физике за 2010 год. Перспективы в электронике На основе графена уже созданы сверхчувствительные сенсоры (могут обнаруживать присутствие одного электрона), биосенсоры, миниатюрные конденсаторы высокой емкости, швидкодійні элементы энергонезависимой памяти нового поколения, модуляторы излучения, прозрачные сенсорные экраны с диагональю более 80 см. Обнадеживающими являются первые попытки применения графена в медицине (в частности при лечении опухолей).

Фирмой IBM созданы полевые транзисторы на основе графена с быстродействием в 100 ГГц. Однако препятствовать появлению серийных графеновых полевых транзисторов, которые могли бы в перспективе массово заменить кремнійові, стоит отсутствия в графене запрещенной зоны, что делает его вольт-амперную характеристику (зависимость проводимости канала от напряжения на затворе) симметричной относительно нуля напряжения, и затрудняет получение двух состояний, которые можно было бы соотнести логическим “0” и “1”. Запрещенную зону в графене пытаются индуцировать на разный способ, используя гидрогенизований графен (графан), флюорид графена, графеновые нанострічки (зона возникает за счет дополнительного квантования еще за одним направлением), вводя в графен дефекты и напряжения. Однако в целом эта задача еще удовлетворительно не решен.История знаменитого ныне графена началось задолго до того, как британские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов за помощью клейкой ленты получили слой углерода толщиной в один атом. Теоретически свойства подобной “чешуйки” пытались определить много людей, но впервые удалось группе ученых из украинского института теоретической физики НАНУ под руководством профессора, доктора ф.-м.

наук Валерия Гусынина. И когда Гейм и Новоселов стали определять свойства графена, им подсказали, что данная проблема уже решена украинскими теоретиками. Журналист сайта “Ноосфера” попросил Валерия Гусынина рассказать о своих исследованиях.– Валерий Павлович, физики утверждают, что ваша научная группа предсказала теоретические свойства графена еще до того, как его экспериментально получили Гейм и Новоселов. Расскажите, пожалуйста, подробнее. что вы исследовали, какие результаты получили, и на каком этапе к вам обратились Гейм и Новоселов.

– Моя группа занимается физикой высоких энергий, элементарными частицами. В теории поля мы обнаружили интересный механизм, когда за счет присутствия магнитного поля возникает необычный эффект по генерации массы. Мы его назвали магнитный катализ. Для реализации этого эффекта нужны гигантские поля, которые в земных условиях создать невозможно. С другой стороны, мы определили, что на земле этот механизм можно реализовать в так называемых низкоразмерных структурах.

Начали искать подтверждения нашим выкладкам и обратили внимание на две структуры, где есть частицы, похожие на релятивистские. а) среды с надпровідністю и б) графен. Тогда, в начале 2000-х годов, графен еще получен не был. Но теоретические основы его существования были рассмотрены давно, в середине прошлого века, с 1947 года.

Мы рассмотрели модель канадского физика Уоллеса и развили ее.Это была чистая абстракция, никто не верил, что такой материал может существовать. Знаменитый физик Ландау отрицал возможность подобной структуры материала толщиной в один атом. Он брал лист бумаги и показывал, что лист под собственной тяжестью гнулся и обвисав. Но, как оказалось, с графеном ситуация другая. Если тот же лист бумаги смять, он становится гофрированным, в нем возникают ребра жесткости.Нам удалось далеко продвинуться в исследованиях.

В 2002 году мы опубликовали в ведущем мировом физическом журнале Physical Review статью с описанием наших теоретических разработок. Их суть заключалась в том, что в слое графита толщиной в один атом частицы, попавшие в эту структуру, ведут себя не по законам классической физики, а согласно релятивистских законов. В чем разница. В обычном твердом теле энергия частицы пропорциональна ее импульсу в квадрате. А в релятивистской теории энергия пропорциональна импульсу в первой степени.

Именно так, по нашим выводам, должны были вести себя электроны в графене. Это были совершенно удивительные, неправдоподобные результаты. Благодаря им возникло новое направление в науке – релятивистской физики в твердом теле.Когда в 2003 году Гейм и Новоселов получили реальный графен, то в первой опубликованной ими работе они давали совсем другую интерпретацию его свойств – исходя из законов физики твердого тела. Не знаю, кто им подсказал обратить внимание на нашу публикацию, но вскоре от Гейма и Новоселова к нам пришло письмо. Они отказались от своего первоначального трактовки и склонились к нашему, предусмотренного 2002 года.

Более того. Нами были какие-то прогнозируемые свойства и зависимости, их можно было проверить экспериментально. Гейм и Новоселов провели опыты и убедились в нашей правоте. Графенова “колыбель для кошки” – По описаниям опытов Гейма и Новоселова, они фиксировали графеновая чешуйку на подложке из оксида кремния. – Да, сначала они получили графен на подложке.

Потом присоединили контакты и вытравили подкладку, чтобы она не мешала проявлению нужного эффекта. Окись кремния – диэлектрик, он вроде не мешает. Но для чистоты эксперимента от подложки лишились. Чешуйка графена осталась висеть на контактах. И целый ряд опытов показал, что эта частица имеет совершенно необычные свойства.

Среди них были эксперименты, основанные на наших с Сергеем Шараповим теоретических разработках. Они полностью подтвердили наши предсказания. В 2005 году мы опубликовали в Physical Review в одном номере с Геймом результаты наших теоретических исследований графена. Оказалось, что мы имеем дело с новой сущностью, такого среди материалов еще не было.– После этих публикаций были другие ваши совместные с группой Гейма работы. – Так.

Мы описали набор базисных свойств, из которых следовало, что электроны в графене ведут себя совершенно иначе, чем в других материалах. Мы изучали, как графеном поглощается свет. И пришли к выводу, что из него можно делать управляемые переключатели. изменяя напряжение на электродах, легко управлять прозрачностью материала. Как показал Андрей Гейм, один слой графена поглощает столько света, сколько оконное стекло.

С одной стороны, это кажется мало. А с другой, оконное стекло – это миллиарды слоев атомов, в отличие от однослойного графена. И самое важное, что это поглощение можно включать или выключать. В 2007 году были сделаны эксперименты, которые подтвердили наши прогнозы. Их провели несколько научных коллективов.

та же группа Гейма, затем присоединились российская группа Басова и другие.– Чем оказались настолько интересны эти чешуйки графита, что вокруг них в мире поднялся такой шум. – Общее число работ на эту тематику достигло десяти тысяч. А количество ссылок на нашу публикацию 2005 года около пяти сотен. Уже сегодня на базе графена созданы сенсоры, которые могут выявить наличие одной молекулы вещества. Их можно использовать для поиска взрывчатки.

На графеновая плоскость умудряются “сажать” атомы других элементов, полученные материалы имеют необычные свойства. С помощью графена можно хранить водород – такой материал называется графан. Если же на свободные связи графена “посадить” атомы фтора, можно получить материал с очень большим сопротивлением. Исследователи пробуют на графене все доступные технологии. Фирма Самсунг объявила, что в 2012 году собирается сделать сенсорные экраны мобильных телефонов из графена.

Графенова сетка по прочности превышает алмаз, это проверено экспериментально. В нобелевской доклада Гейма приведен пример, что гамак размером метр на метр, сделанный из графена, то есть из сетки толщиной в один атом, выдержит вес кошки. Может, они вернутся…– Сакраментальный вопрос. как сейчас работается физикам в Украине. – Если вы будете на все, что творится вокруг, обращать внимание, то на науку сил и времени не останется.

Надо работать, не смотря ни на что. Теоретикам это все-таки удается, поскольку нам не настолько нужна дорогая аппаратура. Сейчас для ученых мира существуют прекрасные средства коммуникации. Интернет, е-мейл, Скайп.– Насколько наши ученые востребованы в мировом научном процессе. – Один ученый из нашей группы уехал в США, он там уже профессор.

Мы продолжаем переписываться, встречаемся – то здесь, то в Штатах. Говорить о широкий фронт физических исследований в Украине, конечно, сложно. Но в отдельных направлениях позиции украинских теоретиков сильные. У меня работает аспирант, он уже получил приглашение в Англию. Для молодых ученых это полезно.

Там условия жесткие. Может, он потом сюда вернется, обогатившись местным опытом. Сами американцы не очень охотно идут в науку, потому что она не дает быстрого обогащения. Поэтому в научные лаборатории берут много граждан других стран, в том числе из Украины. Они набираются опыта.

Потом, возможно, вернутся в Украину, если здесь будут созданы нормальные условия для науки.– Чем сейчас занимается ваша группа в институте теоретической физики. – Сейчас особое внимание привлекает двухслойный графен. Он является чем-то вроде конденсатора. Можно также создавать транзисторы толщиной в несколько атомных слоев. Мы занимаемся разработкой таких теоретических моделей, где кроме электрического поля включается еще и магнитное.

В мире возникает целая область материаловедения, связанная с графеном. Надеюсь, наши результаты будут востребованы. Анатолий Лемиш Общая характеристика Графен похож по своему строению на отдельный атомный слой в структуре графита – атомы углерода образуют сотовую структуру с сильным межатомным расстоянием 142 нм. Без опоры графен имеет тенденцию сворачиваться, но может быть устойчивым на подкладке. Более того, графен был получен также без подложки в свободном подвешенном состоянии, растянутый на опорах.Гейм и Новоселов получили графен, сдирая графит с подложки слой за слоем.

Им впервые в мире удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. Тогда же Гейм с сотрудниками предложили так называемый баллистический транзистор на базе графена. Графен открывает перспективы создания транзисторов и других полупроводниковых приборов с очень малыми габаритами (порядка нескольких нанометров). Уменьшение длины канала транзистора приводит к изменению его свойств. В наномире усиливается роль квантовых эффектов.

Электроны перемещаются каналом балістично, как волна де Бройля, а это уменьшает количество столкновений и, соответственно, повышает энергоэффективность транзистора. Графен можно представить в виде “развернутой” углеродной нанотрубки. Повышенная мобильность электронов переводит его в разряд самых перспективных материалов для наноэлектроники. Особенностью графена является его зонная структура с законом дисперсии, по форме аналогичный закону дисперсии релятивистских квантовых частиц. Элементарные возбуждения в графене описываются уравнениями аналогичными уравнению Дирака.

Поскольку с момента получения графена прошло немного времени, его свойства пока изучены не очень хорошо. Но первые интересные результаты экспериментов уже есть.http://www.noos.com.ua/ua/.

Related posts:

Leave a Reply