Революція на графені

ІЛЮСТРАЦІЇ: ЛАРА ЯКОВЕНКО

У 2024 році виповнилося 20 років з відкриття графену. Що це за матеріал, який заслужив на Нобелівку 2010 року, і навіщо він потрібен?

Що таке графен?

Графен — це матеріал, створений у 2004 році з графітової плівки товщиною лише в один шар атомів вуглецю. Ці атоми утворюють двовимірну гексагональну (стільникову) кристалічну ґратку. Найважливішим було не так відкриття нового матеріалу, що в наші дні трапляється досить часто, як те, що з графеном можна працювати. Було зовсім не очевидно, що з найтоншим у світі матеріалом можна взагалі робити будь-які маніпуляції, не зруйнувавши його.Графен є найміцнішою серед відомих кристалічних речовин, бо він споріднений з алмазом. Різниця полягає в тому, що останній має міцні хімічні зв’язки в усіх трьох вимірах, а графен — у двох. Цей матеріал у п’ять разів пружніший за сталь, а його теплопровідність вища за теплопровідність міді. Рух носіїв електричного струму — електронів — у графені виявився також дуже незвичним. Їхня мобільність тут дуже висока — вони стають більш чутливими до прикладеного електричного поля, ніж у всіх відомих напівпровідниках. Графен поглинає лише 2,3% світла (приблизно стільки ж поглинає віконне скло), яке на нього потрапляє, незалежно від довжини світлової хвилі.

Математичні закони, що описують рух електронів у графені (з певним наближенням), задаються рівнянням Дірака, яке зазвичай використовують у фізиці елементарних частинок. Хоча електрони у графені й зберігають електричний заряд, проте через взаємодію з кристалічною ґраткою вони втрачають масу. Тобто поводяться як безмасові частинки, наприклад, нейтрино (стабільна електрично нейтральна елементарна частинка, маса якої близька до нуля) чи квант світла — фотон. Згадане рівняння для квантово-механічного опису руху електронів, який був би сумісний зі спеціальною теорією відносності Айнштайна, запропонував у 1928 році британський фізик Поль Дірак. Зокрема із розв’язків цього рівняння випливало передбачення існування антиелектрона (позитрона), який відкрили у 1932 році. Рівняння Дірака вважають одним із найкрасивіших з погляду математики. Коли експерименти групи Ґейма-Новосьолова і групи Філіпа Кіма з університету Колумбії підтвердили, що рівняння справді добре описує рух електронів всередині графену, це викликало у багатьох фізиків-теоретиків і математиків неабияке захоплення.
Історія отримання графену

У той час, коли сучасні передові наукові дослідження дорогі та складні, здається дивовижним, що серйозне досягнення у фізиці зробили за допомогою простого і навіть дотепного методу — застосування звичайного скотчу. Команда Новосьолова і Ґейма саме за допомогою цієї липкої стрічки у 2004 році зробила фундаментальне відкриття, яке суттєво вплинуло на розвиток сучасної фізики конденсованого стану. Почавши працювати з графітовими зразками завтовшки приблизно один міліметр і добре знаючи про слабку міжшарову взаємодію в графіті, науковці поставили за мету отримати якомога тонші графітові шари. Для цього зразки приклеювали до звичайного скотчу. Цю липку стрічку складали вдвоє та знову розліплювали так, що шматочки графену ставали дедалі тоншими. Після багатьох повторень такої простої операції деякі шари графіту на скотчі виявлялися настільки тонкими, що могли вміщувати всього кілька атомних шарів. Аж до одного, що було несподівано!

Ми добре знаємо, що грифель олівця роблять з мінералу графіту. Слово графіт походить від грецького слова γραφο — малювати, писати. Але і звичний для нас олівець із графітовим стрижнем, і саме слово не є стародавніми. Назву мінералу запропонував у 1789 році німецький геолог Авраам Вернер. До цього його називали чорним свинцем, або plumbago (згадайте назву хімічного елемента Плюмбум).

Раніше писали саме свинцевими олівцями. В українській мові слово олівець походить від польського слова ołówek, утвореного від ołów (свинець). А в англійській мові є слово lead, яке позначає і свинець, і олівцевий грифель. Лише у 1564 році англійці відкрили велике родовище чистого графіту і згодом винайшли сучасний олівець. Він залишає слід на папері, бо легко розколюється на шари. Саме цю властивість графіту використали Новосьолов, Ґейм та їхні колеги. А група Філіпа Кіма отримувала графен методом, схожим на малювання, тільки олівець у них був нанорозміру. Завершуючи тему етимології, відзначимо, що термін «графен» запропонували ще в 1960-х, коли вивчати графеноподібні структури тільки почали. А вже молодші брати графену отримали назви силіцен (від Силіцію), германен (від Германію), станен (від Стануму) та інші.

Одержані вручну плівкові шматочки з достатньо малим числом шарів називають одно-, дво-, тришаровими графеновими плівками. Для подальшого дослідження — зокрема, встановлення товщини — їх розміщують на підкладці з кремнію, верхній шар якої — це ізолятор із оксиду кремнію SiO2 , що не дає електронам графену проникнути до підкладки. Товсті плівки з графіту (понад три нанометри) та з розміром, що перевищує 100 мікронів (1 мікрон = 10−6 метра — ред.) можна побачити навіть неозброєним оком. Звичайний олівець залишає їх на папері. Справжній графен, плівки якого за розміром не перевищують 10 мікронів, видно лише через оптичний мікроскоп. Крім того, внаслідок інтерференції світла (накладання світлових хвиль: райдуга у мильних бульбашках чи на дорозі у плямі бензину) результати спостереження графену сильно залежать не тільки від його товщини, а й від того, наскільки товстим є верхній ізоляційний шар підкладки. Вченим пощастило, що товщина шару з ізолятором була приблизно 300 нанометрів, оскільки вона є найоптимальнішою для оптичних спостережень. Для пропускання електричного струму крізь отримані зразки цього, звичайно, замало, і до отриманих графенових плівочок довжиною у декілька мікрон треба було підвести металеві контакти, щоби використати електронно-променеву літографію. Проте були й експериментальні складнощі, бо тут йшлося про ще не відомі для літографії плівкові зразки, товщина яких була всього одним шаром атомів.
Сучасні дослідження графену

У 2015 році відкрили Національний інститут графену при Манчестерському університеті у Великобританії. Це п’ятиповерхова будівля, на даху якої розташований сад: там росте 21 вид трав і диких квітів, що приваблюють бджіл та інших комах для запилення. Приблизно п’яту частину площі інституту (1500 м²) займають чисті кімнати. Всю сучасну мікроелектроніку виробляють у чистих приміщеннях, де в заданому діапазоні підтримують параметри мікроклімату (температуру, вологість тощо) за декількома показниками, зокрема за кількістю і розмірами частинок пилу на один кубічний метр повітря. Такі умови необхідні для досліджень нанооб’єктів, як от графену. Сама будівля складається з двох частин, розділених відстанню у п’ять сантиметрів, щоб відокремити лабораторії та чисті кімнати від механічного та електричного обладнання і зменшити вплив вібрацій.

Графен застосовують у технологічних розробках: мікроелектроніці, сонячних панелях, акумуляторних батареях та суперконденсаторах, медичному обладнанні, аерокосмічних матеріалах, 3D-друці — і це не повний перелік. Є в розробках, які використовують графен, і «український слід». У групі Новосьолова та Ґейма з 2005 року працював Леонід Пономаренко, британський вчений українського походження. Тепер Леонід працює у Ланкастерському університеті. За його участі в 2008 році розробили транзистор з графену завтовшки в один атомний шар і завширшки у десять атомів. Створення таких мініатюрних транзисторів важливе для подальшого прогресу мікроелектроніки. Увесь розквіт комп’ютерів та мобільних пристроїв пов’язаний із тим, що протягом цього часу діяв емпіричний закон Мура. Гордон Мур — один із засновників компанії Intel — у 1965 році припустив, що кількість транзисторів на кристалі мікросхеми, а отже й обчислювальна потужність комп’ютерів, буде подвоюватися кожні два роки. Сьогодні прогрес обчислювальної потужності пристроїв наближається до верхньої межі, бо транзисторів, менших за один атом, бути не може. Крім того, електрони в графені втрачають масу. Це призводить до того, що зробити якісні транзистори на основі графену складно, бо рух «легеньких» електронів важко стримувати. Для цифрової електроніки важливо легко відкривати та перекривати рух електронів через транзистор. Проте науковці займаються цією проблемою і шукають способи покращити роботу транзистора з графену або використати натомість сіліцен чи германен. У випадку останніх двох матеріалів рух електронів хоч і описується рівнянням Дірака, проте самі електрони мають масу, і тому їх набагато легше зупинити. Такі розробки будуть корисними, бо продовжать розвиток мікроелектроніки за законом Мура.

У той час, коли передові наукові дослідження дорогі та складні, здається дивовижним, що серйозне досягнення у фізиці зробили за допомогою звичайного скотчу.
Графен і атомний колапс

Повернімося до рівняння Дірака. Одним із перших його застосувань було розв’язання квантово-механічної задачі про атом водню. Отримали найточнішу тоді формулу для дискретних рівнів енергії з урахуванням їхньої тонкої структури — широкий рівень складається з тонких. Перевірити це можна було за допомогою спектроскопічних експериментів: вони дозволяють встановити енергії переходів між рівнями. Формула для рівнів енергії передбачала, що коли заряд ядра атома Z стає більшим за 137, то енергії стають уявними числами (квадрат яких від’ємний — ред.). Фізики вже знали, що це сигналізує про якісь нестаціонарні процеси, наприклад, падіння електрона на ядро атома — атомний колапс. Коли це стається, утворюються електрон-позитронні пари, які вилітають, — і їх можна побачити. Однак створити таке надважке ядро складно.

Ядерні фізики десятиліттями намагалися спричинити атомний колапс у зіткненні важких іонів і подивитися на нього. Проте навіть важкий хімічний елемент Уран має ядро із зарядом Z=92 (він визначається за кількістю протонів, тобто тут — 92 протони), а цього недостатньо для спостереження такого явища. Точніші теоретичні розрахунки радянських фізиків Ісаака Помєранчука та Якова Смородінського показали, що для падіння електрона на ядро атома заряд має бути більшим за Z=170. Якщо зіштовхнути два атоми урану, то на деякий час потенційно може утворитися одне ядро із зарядом Z=184, проте всі ці експерименти виявилися марними.

Відкриття графену ініціювало нові експерименти з пошуку атомного колапсу. У графені критичний заряд Z є числом, близьким до одиниці. У цьому випадку роль ядер можуть відігравати заряджені домішки, наприклад, атомів кальцію. Їх можна переміщувати поверхнею графену за допомогою сканувального тунельного мікроскопа. Відповідні експерименти проводила група Майкла Кроммі у 2013 році. Оскільки це вже не ядерна фізика, а фізика конденсованого стану, то про спостереження електрон-позитронних пар не йдеться. Натомість досліджують так звану густину електронних станів, тобто як електрони заповнюють рівні енергії поблизу «штучного ядра» — домішки. Виявилося, що теоретичні передбачення для густини електронних станів поблизу штучного атома збіглися з результатами вимірювань. У цьому експерименті графен «замінив» справжній прискорювач, де можуть зіштовхуватися надважкі ядра. Саме тому графен інколи жартівливо називають «адронним колайдером» на столі.

Дослідження графену, тепер здебільшого прикладні, продовжуються. Існує сайт, присвячений цій речовині, на якому щодня з’являються декілька новин щодо її можливих застосувань. Щомісяця на цей ресурс заходять кількадесят тисяч фахівців зі всього світу, щоб дізнатися щось нове про графен, який відкрили за допомогою скотчу.

Джерело: https://kunsht.com.ua/