Графен: наука и индустрия

Физик Денис Бандурин о квантовых эффектах в графене, новых материалах из двумерных кристаллов и графеновых детекторах космического излучения
03.01.2019

Углерод может существовать в нескольких аллотропных формах: алмаз, графит и карбин (одномерная цепочка углеродных атомов). Графен - это один слой, «вытащенный» из графита, но по свойствам он очень сильно отличается от многослойного собрата. Открытый в 2004 году, этот удивительный материал находит все новые и новые практические приложения и до сих пор не исчерпал себя как объект исследований, потому что демонстрирует физику, которая не проявляется ни в каких других системах.


maxpixel.net

Свойства графена

Графен открыли в Манчестере, в лаборатории выпускника МФТИ Андрея Гейма. В рамках мероприятия под названием "Friday night experiments" ученые занимались проблемами, которые интересовали их помимо основной деятельности. Одной из таких проблем было понять, насколько тонкий кусок графита можно создать. Константин Новоселов, ближайший коллега Андрея и также выпускник МФТИ, попробовал приложить к нему скотч и оторвать. Под микроскопом на скотче обнаружились очень тонкие чешуйки, которые можно было перенести на подложку. Однослойная пленка не коллапсировала в трехмерную структуру, а оставалась стабильной.

Еще в 1960-х годах вышли работы, в которых были представлены свидетельства существования стабильных тонких слоев, в том числе графита. Однако команда из Манчестера предложила простейший способ получения графена, подробно изучила его свойства и привлекла внимание всего научного сообщества к этому объекту. Возникла новая область, новое направление в физике конденсированного состояния, после чего открылись отдельные лаборатории и научные центры для изучения графена и других двумерных материалов.

Отечественные институты и научные группы до сих пор не включились в эту деятельность в полной мере. Существует не так много групп в России, которые могли бы конкурировать с иностранными лабораториями в исследованиях двумерной формы графена. Хочется верить, что этот тренд изменится и в России появятся научные центры, ориентированные на исследования двумерных материалов. Это позволит привлечь многих наших соотечественников, исследующих эту тему за границей.

Одно из главных уникальных свойств графена - линейный закон дисперсии электронов. Если мы пнем ногой по мячу и он приобретет некий импульс, то его энергия будет пропорциональна квадрату импульса. Так же ведут себя мячики-электроны во многих других системах, например в обычном металле. В графене же ввиду особой кристаллической решетки энергия электронов пропорциональна самому импульсу. Схожим законом дисперсии обладают релятивистские частицы, у которых нет массы. Прямое следствие релятивистского закона дисперсии в графене - парадокс Клейна. Это особый вид туннелирования. Обычно квантовые частицы имеют лишь некую вероятность пройти через энергетический барьер. В графене же частицы могут туннелировать абсолютно беспрепятственно.

На сегодняшний день графен представляет собой уникальную платформу для изучения физики низкоразмерных структур. Этим материал обязан совокупности своих уникальных свойств: он самый тонкий, самый прочный и жесткий, самый теплопроводный, обладает самыми легкими носителями заряда с наибольшей длиной свободного пробега среди всех существующих материалов. Графен может выдерживать огромные плотности тока и механические растяжения, является уникальной непроницаемой мембраной, не пропускающей даже атомы гелия. Это лишь краткий список того, почему графен привлек огромную популярность в мире физики конденсированного состояния.

Модификации графена и Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры

После открытия графена начались поиски других материалов, способных существовать в двумерной форме. На сегодняшний день накоплена огромная библиотека двумерных кристаллов, какие-то из них - металлы и полупроводники, другие - изоляторы, сверхпроводники и полуметаллы, а некоторые являются топологическими изоляторами, то есть материалами, проводящими по краям образца, но не внутри. Каждый из таких материалов можно купить и расслоить до толщины одного слоя.

Среди модификаций самого графена в первую очередь стоит отметить двухслойный графен - уникальный объект, который, в отличие от монослоя, обладает запрещенной зоной. Благодаря этому двухслойный графен гораздо более пригоден для создания транзисторов: именно запрещенная зона определяет возможность перевести транзистор в непроводящее состояние, то есть выключить. Помимо графена и его «двухслойки», исследуют модификации из трех и более слоев, которые проявляют интересные физические свойства в режиме квантового эффекта Холла. Красивый пример был представлен в марте 2018, когда два слоя графена положили друг на друга с поворотом на 1 градус. «Повернутая двухслойка» оказалась объектом, обладающим всеми свойствами высокотемпературных сверхпроводников. Никто не ожидал, что такое может случиться, и механизм сверхпроводимости пытаются сейчас изучать как теоретически, так и экспериментально. Может быть, можно будет понять высокотемпературные сверхпроводники, наблюдая за поведением таких повернутых слоев графена.

Существуют разнообразные химические модификации графена. Оксид графена получается путем присоединения к некоторым углеродным атомам атомов кислорода или гидроксильных групп. Спрессованные слои оксида графена могут работать как эффективные водяные фильтры, а отдельные кристаллиты активно исследуют с целью применения для направленной доставки лекарств. Другой химической модификацией графена является флюрографен - двумерный аналог тефлона, не уступающий ему по своим свойствам.

В современной науке о двумерных материалах особую роль занимают Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры. Это искусственно созданные кристаллы, в которых чередуются один или несколько слоев различных двумерных материалов. К примеру, можно взять несколько слоев диэлектрика, положить на него один или два слоя полупроводника, разделить еще одним слоем диэлектрика и повторить процесс несколько раз. Таким образом можно получить структуру, которую нельзя встретить в природе, материал с новыми свойствами. Отличительной особенностью таких гетероструктур является особая простота в их создании. Отдельные кристаллиты можно получить с помощью скотча, как и графен, а совмещение отдельных кристаллитов между собой производится при помощи простых полимерных пленок.

Пока не наступила эпоха двумерных материалов, слоистые гетероструктуры получали методом молекулярно-лучевой эпитаксии с помощью дорогостоящих и громоздких установок, которые занимали несколько комнат, соединенных между собой вакуумными шлюзами. Работать с установками должны были профессионалы, специализирующиеся на технологии роста. Ван-дер-Ваальсова гетероструктура может быть собрана одним студентом за несколько часов; процесс напоминает игру с конструктором ЛЕГО. Методы построения образцов, необходимых для фундаментальной науки, существенно упростились с появлением двумерных материалов.

Безусловно, метод скотча не подходит для получения двумерных материалов в промышленных масштабах, и поэтому разрабатываются технологии роста кристаллов из газовой фазы. К примеру, для получения графена используют метан, который разлагается на углерод и водород под действием высоких температур, что при определенных условиях ведет к формированию тонких углеродных пленок. Еще один распространенный метод - жидкое расслоение, в ходе которого графит помещают в растворитель и разбивают на слои с помощью ультразвука. Данный подход позволяет производить суспензии графена в огромных количествах. Есть также метод эпитаксиального роста графена. Карбид кремния нагревают до высоких температур в условиях высокого вакуума, и на поверхности этого материала выступает углерод в виде графеновой пленки. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки и нацеливается на конкретную задачу.

Практические приложения

Из-за сложностей с созданием запрещенной зоны графен так и не произвел революции в электронике. Однако в силу своей уникальной электропроводности и прозрачности он представляет большой интерес для всех прикладных задач, где требуются прозрачные электроды, - например для изготовления солнечных батарей или дисплеев.

Перспективы графена в области альтернативной энергетики идут еще дальше. Ведутся активные исследования по созданию топливных элементов на его основе - устройств, превращающих химическую энергию топлива (например, водорода) в электрическую энергию. В этом приложении графен используется в качестве мембраны, на которой разделяется заряд, поскольку его гексагональная решетка пропускает через себя только протоны.

В СМИ есть информация, что графен уже используется для отвода тепла в фотодиодных источниках света и даже в телефонах фирмы Huawei. Многие азиатские корпорации активно ведут разработки для применения перспективного материала в своих продуктах. Например, Samsung недавно сообщил о намерении улучшить с помощью него характеристики литиевых батарей.

Композитные материалы на основе графена используются для обеспечения прочности в различных приложениях: теннисных ракетках, подошвах для кроссовок, шинах. Также недавно из графена изготовили термический камуфляж, который имеет огромный потенциал в военной технике.

Еще одна интересная предложенная идея - использовать материал в качестве сенсора в биологических экспериментах. На графен удобно поместить биомолекулы и отслеживать, что с ними происходит, посредством изучения его оптоэлектронного отклика.

Это лишь некоторые из применений чудо-кристалла, и в будущем стоит ожидать существенный рост их числа. Большинство приложений активно разрабатываются в Манчестерском университете, который остается одним из мировых лидеров в области графена - как в фундаментальном, так и в прикладном аспекте.

Перспективы изучения двумерных материалов

В Манчестере я занимался фундаментальными свойствами графена. Мы изучали поведение электронов на высоких температурах. До недавнего времени движение электронов в металлах представлялось как «полет» одиночных электронов, чьи столкновения с примесями, дефектами и вибрациями кристаллической решетки определяют сопротивление этого кристалла. Мы выяснили, что при определенных условиях электроны в графене сталкиваются друг с другом гораздо чаще, чем рассеиваются на дефектах или примесях. В силу этого поток электронов больше похож на течение классической жидкости или газа с большой вязкостью. В таких «электронных кашах» происходит очень много интересных явлений. Например, электрический ток может течь в направлении, противоположном приложенному полю, а потенциал вблизи точки, где электроны «впрыскиваются» в графен, становится отрицательным. В этом году мы обнаружили еще одно интересное свойство вязких электронных жидкостей: в них не работает эффект Холла.


Волны в графене // @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ

В последнее время я погружен в изучение плазмонов и коллективных эффектов в электронной жидкости в графене. Совместно с коллегами из МФТИ и МПГУ мы наблюдаем за взаимодействием терагерцового излучения с графеном, чтобы строить фотодетекторы, работающие в этом диапазоне. Это уникальный частотный интервал, который имеет потенциал к применению во всевозможных областях, начиная от медицины и заканчивая астрофизикой. Безопасное терагерцовое излучение может заменить ионизирующее рентгеновское в исследовании человеческого тела. Кроме того, без терагерцовых детекторов немыслимо исследование космоса, потому что огромная часть космического излучения доходит до нас в инфракрасном и терагерцовом диапазоне. Графеновые детекторы позволяют нам видеть в этой области электромагнитного спектра. Совсем недавно мы показали, что если соединить графен с антенной и направить на него терагерцовое излучение, последнее может превратится в волны электронного моря графена, которые будут плескаться между двумя контактами, присоединенным к графену. При этом, между контактами возникнет напряжение. Изменяя концентрацию электронов в графене, можно настроить такой детектор на различные частоты терагерцового излучения, подобно настройке струны гитары, и тем самым получить спектр пришедшего сигнала.

Двумерные материалы продолжают удивлять. Появляются их новые разновидности, которые не менее интересны, чем графен, и из них можно извлечь очень многое для фундаментальной и прикладной науки. Графен положил этому начало и остается одним из важнейших открытий физики XXI века.

Источник: ПостНаука

Читайте другие наши материалы