-Музыка

 -Подписка по e-mail

 

 -Поиск по дневнику

Поиск сообщений в Pekshin

 -Интересы

 -Статистика

Статистика LiveInternet.ru: показано количество хитов и посетителей
Создан: 02.12.2008
Записей:
Комментариев:
Написано: 15247

Графен. Для чего он нужен и как с ним идут дела?

Суббота, 09 Октября 2010 г. 13:25 + в цитатник

Графен. Для чего он нужен?

Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за "новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена". Оба лауреата - выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов - в 1974 году в Нижнем Тагиле.
Таким образом, Костя Новоселов - именно так его обычно именуют в научном мире на Западе - стал теперь самым молодым нобелевским лауреатом по физике. А Андрей Гейм - первым ученым, удостоившимся настоящей Нобелевской премии после получения так называемой Игнобелевской (или Шнобелевской) премии.

 

Графен. Для чего он нужен?



Графен — пленка толщиной в один атом, образованная двухмерной шестиугольной кристаллической решеткой из атомов углерода. Хотя теоретическое изучение графена началось еще в середине прошлого века, его первые образцы удалось получить только в 2004 году. Первоначально его получали, расщепляя графит на более тонкие слои с помощью липких лент. В настоящее время графен получают также, воздействуя на графит серной и соляной кислотой или выращивая его на кремниевой подложке. Основным практическим применением графена ученым видится электроника, так как на его основе можно создать транзисторы толщиной до 10 нанометров (пределом нынешних промышленных технологий является показатель в 22 нанометра). Кроме того, графен отличается высокой прочностью. Несколько слоев этого материала толщиной в 0,1 микрометра выдерживают до 2 тонн веса.

В электронном микроскопе графен напоминает пчелиные соты, где расстояние между соседними атомами — одна десятая миллиардной доли метра. С тех пор начался настоящий бум. Говорят даже о появлении «физики графена» — новой междисциплинарной области исследований на стыке физики конденсированной среды, физики высоких энергий и материаловедения.

Ведь новый материал, несмотря на «хрупкость», проявил более высокую, чем у стали механическую жесткость и удивительную устойчивость к нагреванию. А самое главное — электроны в нем (по ряду важных физических свойств похожи не на электроны в других твердых телах, а на релятивистские частицы без массы — фотоны и нейтрино) обеспечивают графену очень высокую проводимость (на порядки выше, чем у кремния — основного материала современной электроники). Следовательно, приборы на основе графена могут оказаться значительно «более быстрыми». Это особенно важно, поскольку транзисторы на основе кремния сегодня почти «исчерпали» свой резерв быстродействия и продолжается интенсивный поиск новых материалов.

В определенном смысле графен был получен задолго до 2004 года. Ведь плоскости графена, объединенные слабыми связями, образуют такой давно известный человеку кристалл, как графит. А потому каждый художник, проводя по бумаге карандашом, создает и микроплоскости, где остается всего несколько, а то и одноатомный слой углерода. Однако реально исследовать двухмерный углерод (а тем более — подвести к нему электрические контакты) позволило лишь создание в 1980-х атомного силового микроскопа и развитие нанотехнологий.

Примитивная технология первых работ по получению графена была названа «методом отшелушивания». К образцу графита прикладывали обыкновенный скотч. Потом его осторожно отдирали — с налипшими фрагментами графита, которые в отдельных местах могли иметь одноатомную толщину. Затем скотч прижимали к подкладке (сейчас в роли подкладки зачастую используют слой диэлектрика SiO2). Далее скотч удаляли химическими методами, а закрепленный на подкладке углерод оставался. С помощью оптического микроскопа (одноатомный слой углерода можно видеть, ведь он поглощает 2,3% падающего на него света!) определяли фрагменты подкладки, на которых оставался моноатомный слой (они имели размер до 10 микрон). Потом оставалась ювелирная работа — подвести электрические контакты.

У такой технологии есть очевидные недостатки: невозможно получить пленку определенного размера и формы в определенном заранее месте подкладки. Стоимость первых образцов графена была астрономическая — около 100 млн. долл./см2. Однако именно эта примитивная и затратная технология позволила получить революционные результаты в квантовой физике конденсированной среды.

Почти сразу начались попытки усовершенствовать технологию изготовления графена. Наиболее пригодным для промышленного производства оказался метод, во главе угла которого лежит осаживание из газовой фазы. Благодаря этому в 2009 году графен уже производили в мире тоннами, а его стоимость снизилась до 100 долл./см2.

Наконец, действительно прорывный эффект имела работа химиков из Японии и Южной Кореи, которые выращивали графен на больших плоскостях медной фольги осаживанием из паровой фазы — и летом 2010 года получили листы графена на подкладке с диагональю в 75 см. Их использовали в сенсорном дисплее, который не уступал стандартным дисплеям, созданным на основе проводных слоев из индиево-оловянных оксидов.

На основе графена уже созданы эффективные газовые сенсоры, которые «чувствуют» присутствие одной-единственной молекулы определенного газа, биосенсоры для клеток и молекул ДНК, светодиоды, ионисторы (конденсаторы большой емкости), способные перезаряжаться более ста раз в секунду. Есть обнадеживающие результаты относительно применения графена для лечения опухолей.

Однако создание на основе графена полевого транзистора (а именно это может означать революцию в электронике!) наталкивается на трудности принципиального характера. Из-за особенностей физики графена при любых приложенных к затвору напряжениях трудно добиться существенного изменения сопротивления, необходимого для создания двух состояний — проводящего и непроводящего, на которых основывается двоичная логика. Следовательно, нужно изменить эти свойства так, чтобы графен стал похожим на обычный полупроводник. И уже в феврале 2010 года специалисты IBM сообщили о создании полевого транзистора на основе графена с быстродействием в 100 ГГц, что превышает быстродействие кремниевого транзистора.

К сожалению, «графеновый» бум происходит вне Украины. Хотя есть определенные достижения и у нас. Еще в конце 1980-х элегантные работы по физике тонких слоев графита выполнил Владимир Литовченко с сотрудниками — они относятся к «предыстории» графена. В самых престижных журналах и сегодня появляются «графеновые» статьи Федора Васько, Вячеслава Кочелапа, Вадима Локтева, Станислава Репецкого, других наших теоретиков. А вот с экспериментом — все почти на нулевом уровне. Ведь даже сегодняшние нобелевские лауреаты смогли реализовать себя лишь за границей — Гейм защитил в России только кандидатскую, Новоселов и диплом PhD получил уже на Западе. Что уж говорить о бедных, оборудованных устаревшими приборами украинских лабораториях? Даже в рамках утвержденной в прошлом году Государственной программы развития нанотехнологий и наноматериалов по конкурсу НАН рекомендована пока для поддержки одна-единственная «графеновая» работа — тоже теоретическая...

По-видимому, такая ситуация требует срочной корректировки — хотя бы на уровне НАН (ведь Госнауки до сих пор находится в стадии становления, а приоритеты нынешнего руководства Минобразования лежат в совсем другой плоскости). А между тем сегодня «графеновые» роботы становятся прямым показателем конкурентоспособности государства в международном научном распределении труда.

Графен. Для чего он нужен?

 

Рубрики:  Hi-Tech
Метки:  

Процитировано 1 раз
Понравилось: 1 пользователю



Аноним   обратиться по имени Суббота, 09 Октября 2010 г. 13:37 (ссылка)
Обама в своем интервью сказал, что китайский заключенный достоин премии больше, чем он. На что, последовал резонный ответ китайских дипломатов (если их можно так назвать).
Ответить С цитатой В цитатник    |    Не показывать комментарий
 

Добавить комментарий:
Текст комментария: смайлики

Проверка орфографии: (найти ошибки)

Прикрепить картинку:

 Переводить URL в ссылку
 Подписаться на комментарии
 Подписать картинку