Журнал «Вокруг Света» №12 за 2010 год

Глубина плоскости

Константин Новоселов (бороду он давно сбрил) и Анд рей Гейм выполнили работу нобелевского уровня, экспериментируя с обыкновенным грифелем. Кто бы мог подумать, что крошечные чешуйки, остающиеся на грифельной доске, станут первым экспериментально изученным двумерным кристаллом. Фото: ЮЛИЯ БЛЮХЕР, FLICKR

Вполне естественно, что в российских блогах и СМИ немедленно возникла бурная полемика, можно ли считать нобелиатов российскими учеными. За этими по большому счету политическими дискуссиями стал как-то теряться главный вопрос: а за что, собственно, присуждена главная в мире премия? Краткая формулировка, объявленная Нобелевским комитетом, звучит так: «За революционные эксперименты с двумерным материалом графеном». Эта фраза, однако, мало что проясняет для широкой публики, и поэтому СМИ, стремясь к упрощению, сразу приписали им честь «открытия графена», что, вообще говоря, неверно. Графен — это двумерный углеродный кристалл, то есть твердый одноатомный слой из атомов углерода, образующих шестиугольные ячейки. Правда, называть такой слой твердым можно только с некоторой натяжкой. В обыденном понимании твердость — это способность вещества сохранять форму, сопротивляясь механическим воздействиям. Лист же графена в сотни раз тоньше пленки мыльного пузыря и сам по себе так неустойчив, что фактически не может существовать в свободном состоянии. И все же для физиков это твердое фазовое состояние, поскольку внутри графенового листа сохраняется взаиморасположение атомов углерода. При этом благодаря своей двумерной структуре графен обладает целым рядом совершенно уникальных физических свойств, которые делают его перспективным материалом для электроники.

Меж алмазом и графитом

Удивительные кристаллические свойства углерода связаны с тем, что это самый легкий из элементов, имеющий четыре валентных электрона. Высочайшая твердость алмаза определяется тем, что каждый атом соединен с четырьмя соседями прочными химическими связями, образующими жесткий каркас. В графене же каждый атом связан лишь с тремя соседями, и все атомы кристалла располагаются в углах, заполняющих плоскость правильных шестиугольников. А вот роль четвертого валентного электрона каждого атома существенно иная. С одной стороны, он оказывается как бы лишним и потому свободным, обеспечивая электропроводность получившейся структуры. С другой — усиливает три основные связи в кристаллической решетке, в результате чего расстояния между соседними атомами в углеродном листе оказываются даже короче, чем в алмазе (0,14 нм против 0,15), а по прочности на разрыв он превосходит алмаз.

Но разве не так устроены слои в кристаллической структуре графита, которую изучают в школе? Совершенно верно, графит как раз и есть толстая пачка графеновых листов. Вместе их удерживают не прочные химические связи, образованные валентными электронами, а слабое межмолекулярное взаимодействие, ведь, по сути, углеродные слои можно рассматривать как гигантские плоские молекулы. Расстояние между ними в 2,4 раза больше, чем между атомами внутри слоя. Слои легко скользят друг по другу, что позволяет делать из графита так называемую твердую смазку.

Еще недавно считалось, что плоские кристаллические решетки существовать не могут — они обязательно свернутся в нанотрубку 1. При этом давно известно, что решетка обычного графита 3 состоит как раз из таких плоских слоев, слабо сцепленных друг с другом, поэтому графит оставляет на бумаге след. Заслуга Гейма и Новоселова в том, что они научились получать графит с плоской решеткой — графен 4 — и исследовали его свойства. В частности, межатомные связи у него оказались сильнее, чем в решетке алмаза 2, поэтому графеновая пленка обладает уникальной прочностью. Фото: SHUTTERSTOCK, ЮЛИЯ БЛЮХЕР

Парадоксы двумерного мира

Физики изучали графен более полувека, но... лишь теоретически. Дело в том, что на практике выделить графеновый лист ни у кого не получалось. Более того, Лев Ландау в свое время доказал, что это и невозможно сделать. Даже если получить каким-то способом свободный одноатомный лист графена, он не останется плоским, как лист бумаги, а сразу потеряет устойчивость и скомкается или свернется в нанотрубку. Ведь у одноатомного слоя нет никакого сопротивления изгибу, и, соприкоснувшись между собой, участки графенового листа немедленно «склеиваются» теми самыми межмолекулярными силами, которые скрепляют листы в графите.

Неудивительно, что физики скептически относились к попыткам получить графен. Но такие попытки время от времени все же предпринимались — уж очень интересные свойства предсказывали для графена теоретики. Прежде всего надо отметить, что в любом кристалле электрон ведет себя не совсем так, как в свободном состоянии, например, когда его разгоняют на ускорителе. Электроны взаимодействуют с атомами и друг с другом, и у них появляется определенная способность «чувствовать» весь кристалл целиком. Обычно это все же не очень сильно сказывается на их поведении, но вот в графене с электронами происходят настоящие чудеса. Как показали Гейм и Новоселов в своей статье 2005 года, электроны в графене в некоторых отношениях ведут себя так, словно у них вовсе нет массы. Это делает их похожими на безмассовые фотоны и позволяет использовать графен как лабораторию по исследованию релятивистских эффектов в квантовой механике. Причем роль скорости света тут играет скорость Ферми (скорость, соответствующая уровню Ферми, то есть максимальной энергии электрона в твердом теле при температуре абсолютного нуля), которая примерно в 300 раз меньше скорости света. А если еще учесть, что в природе не существует безмассовых заряженных частиц, то электроны в графене представляют собой совершенно уникальную физическую систему.

Многие особенности графена с трудом поддаются популярному описанию — для них просто еще не придумано достаточно удачных аналогий. Например, в квантовой физике известен так называемый парадокс Клейна. Он состоит в том, что релятивистской, то есть движущейся с околосветовой скоростью, частице легче «пронизать» высокий потенциальный барьер (превышающей две ее массы покоя), чем низкий. Как юркая мышь скорее проскользнет между ногами слона, чем между лапами кошки. Но электроны обладают нулевой эффективной массой и в результате оказываются способны уверенно туннелировать через любые потенциальные барьеры, поскольку даже самая маленькая кошка для них бесконечно велика. Это обеспечивает очень высокую подвижность электронов в графене. Даже появление препятствий в виде нарушений кристаллической структуры, примесей или контакта графенового листа с опорой не мешают движению вдоль него электронов.

Андрей Гейм

1958 — Родился в Сочи в семье инженеров. Школу окончил с золотой медалью. 1976 — Поступил в МФТИ, который окончил с отличием. С 1982-го работал в Институте физики твердого тела в Черноголовке. Кандидатскую диссертацию защитил в 1987-м. В начале 1990-х семья Гейм переехала в Германию (отец ученого — этнический немец). С 2001-го работает в Манчестерском университете, возглавляет отдел физики конденсированного состояния.

Консантин Новоселов

1974 — Родился в Нижнем Тагиле в семье инженера и преподавательницы английского языка. Он самый молодой из всех ныне живущих нобелевских лауреатов. 1997 — С отличием окончил МФТИ. Работал в черноголовском Институте проблем технологии микроэлектроники. Защитил кандидатскую диссертацию. 1999 — Начал работать под руководством Гейма в голландском Неймегене. 2001 — Переехал в Манчестер. 2004 — Защитил докторскую диссертацию. Фото: AP/FOTOLINK (x2)

От игнобеля до нобеля

Константин Новоселов признавался, что успех в выделении монослойного графена отчасти связан с обычаем, которого с давних времен придерживается Андрей Гейм: посвящать пятничный вечер всяким забавным экспериментам, проводимым на скорую руку больше из любопытства и ради развлечения, чем с какой-то серьезной целью. За один из таких экспериментов, в котором живая лягушка парила в сильном магнитном поле, Гейм получил в 2000 году Игнобелевскую премию. Эта пародийная премия присуждается «за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом задуматься».

Способ получения графеновых листочков тоже вырос из пятничного эксперимента, когда Новоселов подобрал в соседней лаборатории кусок скотча, которым тамошний сотрудник очищал графитовую поверхность: приклеивал к графиту обыкновенный скотч и отдирал его вместе с поврежденными поверхностными слоями. То, что было мусором у соседей, стало объектом пристального изучения.

Гейм с Новоселовым приклеивали кристалл графита к ленте, а потом терпеливо соскребали слой за слоем все лишнее, благо слоистая структура графита этому способствует. В конце концов кристалл становился тонким и прозрачным. Дальше следовало избавиться от клейкой ленты. Для этого ее с прилипшими к ней кусочками графена опускали в ацетон. Когда клейкая лента растворялась, оставалось только избавиться от ацетона, а чтобы драгоценная графеновая пленка не скомкалась, ее переносили на твердую подложку из окисленного кремния. Это была первая в мире воспроизводимая технология выделения кусочков графена. Затем наступило время детального исследования добытых образцов. И тут с использованием тончайшей аппаратуры Манчестерского университета была поставлена целая серия экспериментов, показавших, что теоретические представления о свойствах графена более или менее верны. Именно за эти работы — выделение и исследование графеновых листов — и была присуждена Нобелевская премия. Причем нельзя не отметить поразительную скорость реакции Нобелевского комитета: от работы до премии прошло всего 5–6 лет. А ведь многим ученым ждать признания приходится долгими десятилетиями.

Графеновая электроника

В море возможных приложений графена электроника неизменно упоминается первой. Отчасти это связано с тем, что быстродействие кремниевых полупроводниковых элементов вплотную приблизилось к теоретическому пределу. Структурная единица любой микросхемы — полевой транзистор, поэтому опыты с новыми материалами начинаются именно с воспроизведения этого прибора. Он состоит из двух полупроводников, соединенных между собой каналом, сопротивление которого меняется в зависимости от электрического поля, создаваемого изолированным от канала электродом — затвором. Графеновый транзистор собирается на графеновой ленте, в которой электроны обладают очень высокой подвижностью. Чтобы затвор мог их запереть, эту ленту в центральной части сужают до двух-трех элементарных шестиугольных ячеек. В таком сужении, выполняющем роль канала, описанного выше, проявляются квантовые эффекты, не наблюдающиеся в пленке бóльших размеров. Благодаря им это сужение обладает способностью менять сопротивление при наложении внешнего электрического поля от затвора. Роль последнего выполняет другая графеновая лента, изолированная от первой. Предельно малые размеры такого транзистора и высокая подвижность электронов в нем теоретически должны обеспечить исключительно высокие частоты запирания и отпирания канала (именно это определяет тактовую частоту микрочипа). Высокая же теплопроводность графена позволяет быстро отводить от такого прибора тепло. Разрабатываются и другие схемы, но все они пока находятся в стадии лабораторных исследований.

От науки к экономике

Один из самых перспективных на сегодня методов — получение графена в виде пленки на поверхности карбида кремния SiC: при нагревании углерод на его поверхности сам образует нужную двумерную структуру, а наличие подложки предохраняет графен от сворачивания в нанотрубку. Этим способом уже удается получать пленки размером до 50 см2. Такие прозрачные электропроводные листы графена могут стать основой для нового поколения экранов. Например, при создании тачскринов самый простой и естественный метод определения координат точки касания — по изменению электропроводности двух соприкасающихся токопроводящих сеток. Однако такие сетки быстро изнашиваются. Использование графена благодаря его необычайной прочности может дать новую жизнь этому методу.

Но, пожалуй, самая захватывающая перспектива — перевод на основу графена микроэлектроники. Разработчики микросхем постоянно соревнуются в уменьшении размеров элементов — электродов, диодов, транзисторов. Это необходимо для создания все более мощных процессоров и все более емких модулей памяти. Сейчас у самых передовых фирм в ходу 32-нанометровая технология. Это значит, что полупроводниковые элементы имеют поперечник в две-три сотни атомов, что близко к теоретическому пределу. К тому же с повышением рабочей частоты электроника начинает сильно греться, и дальнейшей миниатюризации препятствуют трудности теплоотвода. На основе графена благодаря нулевой эффективной массе его электронов удается создавать чрезвычайно быстродействующие устройства. Уже достигнута частота 100 ГГц, и это не предел. При этом высокая подвижность электронов в графене обеспечивает высокую теплопроводность. Так что весьма реалистичной выглядит идея создания высокочастотного (на уровне сотен гигагерц) миниатюрного (всего из нескольких десятков атомов) транзистора с эффективным отводом выделяемого в процессе его работы тепла. Если это будет сделано, производительность процессоров может вырасти в десятки, если не в сотни тысяч раз.

Трудно представить себе что-нибудь более естественное, чем желание авторов дополнить нобелевский диплом еще и патентом на производство графена. Однако, как стало известно буквально несколько дней спустя после стокгольмской номинации, Андрей Гейм отказался от идеи доводить до конца начатую было процедуру патентования. В интервью журналу Nature он рассказал, что однажды на конференции обратился к представителю некой крупной компании с вопросом о спонсорстве. Ответ достоин дословного цитирования: «Мы с интересом следим за графеном, у него может быть долгое будущее. Если по прошествии десяти лет мы сочтем, что он действительно так хорош, как сейчас кажется, то усадим за дело сотню юристов, которые будут писать по сотне патентных заявок в день, и вы потратите остаток своей жизни и весь ВВП своего маленького острова, чтобы с нами судиться». Сам Гейм считает, что это был добрый совет. Современное право не в состоянии защитить открытие отдельно от технологии. А она-то пока еще далека от совершенства и в будущем еще сильно изменится.

Дмитрий Баюк , Александр Сергеев