Графен, новая форма углерода со специальнымисвойствами, толщиной всего в один атом, названчудо-материалом будущего. Оправдает ли онгазетную шумиху?

Действие фантастической по­вести Нила Стивенсона «Бриллиантовыйвек»происходитв мире, где углеродные нанотехнологии пронизывают собой все стороныжизни. Но похоже, Стивенсон выбралнеправильный тип углеродного сое­динения. Вряд ли ультрасовременныетехнологии будущего будут построе­ны на алмазах. Уже очевидно, что этоместо займет их скромный кузен —графит, ранее годившийся разве чтона карандаши и основу для смазки.Если быть точным, речь идет о гра­фите в его наиболее «расплющенной»форме, то есть графене, представля­ющем собой слой графита толщинойвсего в один атом.

В 2010 году, всего 6 лет спустя послетого, как работающие в Манчестер­ском университете в Великобританиифизики Андрей Гейм и КонстантинНовосёлов впервые получили графен,их работа была отмечена Нобелевскойпремией. Сегодня едва ли не каждыйдень выходит новая статья об исследо­ваниях удивительных характеристикэтого материала.

Многие ученые уже заявляют, чтоуглеродные материалы заменят собойкремний в следующих поколенияхмикроэлектроники и компьютеров,поскольку обеспечивают более бы­струю и устойчивую передачу элек­трических сигналов и позволяют сде­лать чипы компактнее. Даже если этаточка зрения обязана больше поднятой вокруг графена шумихе, чем научным данным, основанным на исследованиях свойств материала, графен уже стал обязательным элементом инновационных изысканий таких гигантов микроэлектроники, как Nokia и IВМ.

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна (то есть разная в разных направлениях). Это свойство приводит ученых в восторг по вполне фундаментальным причинам. Оно позволяет проверить на практике некоторые утверждения квантовой механики, которые иначе потребовали бы проверки на огромных ускорителях частиц. Поэтому графен уже называют «CERN'ом на письменном столе» (ЦЕРН (CERN) — Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий). Не так уж часто едва полученный материал обещает столько всего в самых разных областях человеческой деятельности. Но сможем ли мы взять всё то, что обещает?

Углеродная революция

Графит долгое время рассматривали как малообещающий материал в сравнении с алмазами. Пачкающий, мягкий и ломающийся, графит состоит из слоев атомов углерода, объединенных в шестигранные кольца, — точь-в-точь как мелкоячеистая проволочная сетка. Потрите кусок графита — и слои графена начнут скользить относительно друг друга, — поэтому этот материал такой мягкий и поэтому он оставляет следы (и поэтому карандаш оставляет след на бумаге — это отслоившиеся пластинки графита).

Но эта «мягкость» обманчива: отдельный слой графена в 200 раз прочнее стали. Как и графит, графен проводит электричество. В некотором смысле он делает это даже лучше, чем кремний. Теоретически из листов углерода можно вырезать — или вытравить — провода и компоненты электросхемы, точно так же, как сейчас это делают на кремниевых пленках и других полупроводниках.

Эта перспектива получить прочный, но легкий и ультратонкий проводник заставляет грезить наяву о графеновых чипах и компьютерах. Но получить их будет нелегко, потому что графен проводит электричество совсем иначе, чем любой другой проводящий материал.

В металлах, например в меди, электрический ток возникает сразу, как только подано электрическое поле. В полупроводниках (таких как кремний) электрический ток может возникнуть, только если их электроны — заряженные субатомные частицы, ответственные за возникновение электрического тока, — получат определенный толчок. Что же касается графена, новым в его свойствах является то, что он, с одной стороны, имеет свойства металла, а с другой, — полупроводника. И это осложняет задачу получения из него транзисторов.

Графен — не первая форма углерода, которую называют «преемником кремния». Листы графена можно свернуть в трубки величиной несколько нанометров (миллионных долей миллиметра) в диаметре. Их называют углеродными нанотрубками. Они также проводят электричество, некоторые — как металлы, некоторые — как полупроводники, в зависимости от организации атомов в их структуре. После их открытия в 1991 году исследователи тут же поняли, что нанотрубки могут стать готовыми сверхминиатюрными проводами и электронными устройствами. Но никто не смог понять, как вызвать достаточно сильный ток в случайном

наборе нанотрубок со свойствами металлов и полупроводников.

«Углеродные нанотрубки оказались очень непростыми в обращении, и мы споткнулись на том, как связать между собой построенную на них электронику, — объясняет профессор Вальт де Хеер, специалист по углеродным соединениям из Технологического института Джорджии в Атланте (США). — А вот графен можно разметить так, что проблемы по соединению устройств между собой не будет».

Решение со скотчем

Но как сделать графен? Это кажется не такой уж сложной задачей: нужно просто отделить слои графита друг от друга. Но вы пробовали когда-нибудь разлеплять слипшуюся пленку для заворачивания продуктов? Тут всё то же самое, но на атомном уровне.

В1999 году американские ученые во главе с материаловедом профессором Родни Руоффом (сейчас работает в Техасском университете в Остине, США) попытались снять отдельные слои графита с помощью очень точной иглы. Но им всё равно не удалось получить пленку толщиной в один атом. Другие пытались «рисовать» подобием нанокарандаша так, чтобы получались микроскопические графитовые точки. В итоге они получали очень тонкие образцы, но всё же это не были однослойные листы графена.

Решение оказалось проще: скотч. В 2004 году Гейм и Новосёлов положили его на следы карандаша. Когда они подняли скотч, на нем остались слои графита. Повторив операцию несколько раз, они получили образцы предельно тонких пленок, некоторые из них состояли из одного прозрачного слоя графена, его-то исследователи и смогли осторожно перенести на кремниевую подложку.

Но Гейм и Новосёлов не только открыли способ получения графена. Они были среди первых, кто взялся за изучение его необычных электро-проводящих свойств. В графене измененная эффективная масса электрона оказывается равна нулю. Он ведет себя так, будто вовсе не имеет массы. В результате такие электроны могут двигаться со скоростью, которая равна нескольким сотым скорости света — и при этом их скорость не зависит от их энергии. Такая черта может быть описана только эйнштейновской теорией относительности. Именно это превращает графен в подобие ускорителя частиц, сделанного из грифеля.

Практические приложения

КОМПЬЮТЕРЫ

Транзисторы — стандартные переключатели нынешней кремниевой микросхемы. Работа над разработкой графеновых компьютеров уже идет, но смогут ли они конкурировать с кремниевыми в логических цепях: не решена проблема запрещенной зоны в графене. Запрещенная зона должна быть достаточно большой, чтобы не дать электронам пролетать неконтролируемо. Пока графеновые транзисторы нельзя полностью выключить — соотношение их включенности к выключенности находится между 1:10 и 1:20, а в кремниевых транзисторах между 1:1000000 и 1:000000000. «Показатели графена недостаточны для цифровых логических цепей», — говорит доктор Фаэдон Аворис из IВМ Research.

ТКАНИ И БАТАРЕИКИ

Нечто, похожее на «бумагу» из графеновых листов, получилось у профессора Родни Руоффа из Техасского университета. При добавлении атомов кислорода образовался оксид графена, а листы организовались в перекрывающиеся слои. Вышел материал гибкий, но твердый и прочный. Его можно применять как матрицу для накапливания электричества или как ткань для технологичной одежды. «Надеюсь, графену найдут применение там, где нужна очень большая прочность», — комментирует Руофф. Его группа разработала суперконденсаторы. Основой для них послужила пористая масса оксида графена.

ГАДЖЕТЫ

Сенсорные экраны работают, используя резистивную технологию (определяет положение нажимающего пальца). Она требует, чтобы экран был покрыт прозрачным проводящим материалом. Сейчас для этого используют оксид индия, легированный оловом. Но такой экран легко раскалывается. Графен должен быть намного прочнее. Исследователи из университета Райса в Техасе (США) предложили миру графеновые пленки, покрытые сверхтонкими металлическими проводами. Это может послужить приемлемым заменителем IТО и имеет определенные преимущества перед использованием чистого графена.

Углеродный век

Некоторые ученые предсказывают, что графен может стать универсальным материалом для электроники будущего, провозглашая движение от нынешнего «кремниевого века» к будущему «углеродному веку». Андрей Гейм, однако, высказывается осторожней: «Хотя такой возможности нельзя исключать, всё это находится так далеко за горизонтом, что вряд ли об этом можно говорить наверняка».

Другие подозревают, что графен никогда не сможет соревноваться с кремнием на таком уровне. «Уже появлялось много материалов, которые называли "следующим кремнием", — высказывает свой скепсис профессор Марк Рид (Магк Кеей), специалист по передовым электронным технологиям из Йельского университета в Коннектикуте (США). — Но многие просто не понимают базовых причин, почему кремниевая технология так хороша».

Тем не менее, кажется, что графен всё же покажет себя в микроэлектронике будущего. К примеру, ходят слухи, что этот материал будет использован в качестве прозрачной, гибкой электронной микросхемы и экранов в складывающемся наладонном коммуникаторе Morph от Nokia, который в настоящее время находится в разработке.

Работающий в IВМ Research доктор Фаедон Аворис полагает, что графен может особенно эффективно использоваться в радио-частотных устройствах, используемых в беспроводных коммуникациях, а также в «умных» ярлыках (“smart” labels), которые можно читать с помощью бесконтактного распознавания. «Простота, гибкость, легкость и небольшая цена — основные преимущества графена», — отмечает Аворис. Он также добавляет, что первое коммерческое приложение графена должно появиться в легких сенсорах, которые сейчас являются стержнем телекоммуникационных технологий, — так как поглощение света может индуцировать электрический ток в графене.

Поскольку прилипание других молекул к графену может изменить его электропроводность, его также можно использовать для высокочувствительного обнаружения таких веществ, как опасные газы или токсичные примеси. Можно также эксплуатировать не столько электропроводящие свойства графена, сколько его высокую прочность в сочетании с гибкостью.

Впрочем, даже по части прочности у графена могут быть конкуренты. Когда бы ни появлялся очередной «чудо-материал», его пытаются использовать во всех сферах человеческой деятельности, но со временем перечень областей действительного применения сокращается. Пока ряд исследователей скептически относится к заявлениям о том, что графен устроит технологическую революцию. «Я не вижу областей, где графен имел бы безусловно всеобъемлющее применение», — высказывает свои сомнения Марк Рид. Но с сугубо научной точки зрения, добавляет он, это материал обладает изумительными возможностями.

Источник: журнал «Наука в фокусе», февраль 2012 года.

/span