Юный техник, 2008 № 12

Журнал Юный техник

Весьма престижная в мире физиков награда досталась нашему соотечественнику, работающему сейчас в Университете Манчестера ( University of Manchester) в Великобритании, и его нидерландскому коллеге за «открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода и объяснение его выдающихся электронных свойств».

Такова формулировка жюри отделения физики конденсированных сред Европейского физического общества ( European Physical Society).

Ну

а чтобы стало понятно, что к чему — несколько слов пояснения. Как известно, углерод встречается в природе в различных формах — графит, уголь, алмаз. Недавно к ним добавились еще карбин, фуллерены и нанотрубки.

Про графит, уголь и алмаз написано во всех школьных учебниках. Поэтому здесь скажем подробнее о новых формах.

Карбин — это линейный полимер углерода, молекулы которого представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов. Фуллерены — это полые молекулы, по форме представляющие собой полые шары или, точнее, многогранники, состоящие из большого количества — до 560 атомов углерода. А нанотрубки — это и в самом деле трубчатые структуры из тех же атомов углерода. Диаметром они бывают от одного до нескольких десятков нанометров, а длина этих молекул достигает нескольких микрон.

Графен же ( graphene, С ₆₂Н ₂₀) представляет собой тончайшую — в один атом толщиной! — пленку из тех же атомов углерода, объединенных в строгую гексогональную геометрическую структуру. Этот материал был получен исследователями в 2004 году фантастически простым образом. Ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, а затем «промокнули» ее клейкой лентой, как криминалисты в фильмах, когда снимают отпечатки пальцев преступников на месте происшествия. В результате на пленке остался тончайший слой углерода.

Константин Новоселов

Андре Гейм

Все было так просто, что поначалу профессору Андре Гейму и его коллеге никто просто не поверил. Неужто можно столь обыденным способом отделить от графитового массива тончайшую, в один атомарный слой, пленку графита?

Ученым не верили настолько, что статьи, посылаемые ими в научные журналы, никто не принимал всерьез. А когда наконец удосужились проверить метод, то получили нужный результат далеко не сразу — во всяком деле необходимы навыки и определенный опыт. Но получили!

Совместная работа выходца из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (Черноголовка) и голландского исследователя в Университете Манчестера началась в 2001 году. Поначалу они работали порознь. Но когда Андре Гейм, адъюнкт-профессор одного из университетов Нидерландов, был приглашен на должность директора Центра мезонауки и нанотехнологии Манчестерского университета, он, в свою очередь, пригласил поработать вместе с ним молодого коллегу — стипендиата Фонда Леверхульма Константина Новоселова, с которым познакомился на одном из международных симпозиумов.

Как

видите, в графите графеновые пленки слабо связаны между собой.

Наловчившись получать тончайшие углеродные пленки, ученые стали исследовать их свойства. И выяснили, что слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных, а порой и неожиданных свойств. Так, эта немыслимо тонкая пленка — в миллион раз тоньше листка обычной писчей бумаги! — обладает высокой прочностью, гибкостью, а главное — стабильностью свойств.

Кроме того, графен имеет высокую тепло- и электропроводность. А для полупроводниковой промышленности как раз необходимы материалы, в которых бы носители электрического заряда — электроны — могли перемещаться без помех. Дело в том, что всюду, где электроны натыкаются на препятствия и отклоняются от заданного прямого пути, идет выделение тепла. Кроме того, подобные потери ограничивают рабочую частоту работы тех или иных компонентов микроэлектронных схем.

Например, в кремнии электроны могут передвигаться относительно свободно. Но у арсенида галлия степень свободы электронов в 6 раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приемниках спутниковых сигналов используются микропроцессоры на основе именно арсенида галлия, а не кремния.

Так вот, это свойство, которое называется подвижностью электронов, в графеновых пленках близко к абсолютному идеалу; электроны практически не рассеиваются и весьма мало реагируют на изменения внешней среды.

Однако произвести точные замеры свойств графена ученым долгое время не удавалось — уж слишком тонка пленка. А потому только недавно выяснилось, что по подвижности электронов графен превосходит все известные на сегодня вещества и в 20 раз выше, чем в арсениде галлия. Это открывает блестящие возможности разработки новых, еще более скоростных, компонентов схем микроэлектроники. Речь уже пойдет не о мега- и гигагерцах, как в нынешних компьютерах, а о террагерцах, то есть в 1000 раз более высоких показателях.

Далее ученые приступили к созданию графенового полевого транзистора, который, используя электрическое поле, обеспечивает так называемый баллистический транспорт электронов, при котором они практически не рассеиваются.

Заготовка графеновой пленки для изготовления транзисторов.

В общем, оказалось, что баллистические транзисторы в принципе способны работать гораздо быстрее, чем обычные кремниевые. А потому открытие Гейма — Новоселова вызвало большой интерес к графену как к материалу для электроники нового поколения.

Однако есть и определенные препятствия на пути внедрения графеновых структур в производство. Главное — нет еще технологии, которая бы позволила наладить массовое производство графеновых структур с одинаковыми показателями — пока пленки делают практически вручную.

Впрочем, как полагают энтузиасты нового направления, это лишь трудности роста молетроники — микроэлектроники, схемы которой оперируют уже с отдельными молекулами. Ведь первые транзисторы тоже рождались не просто. И было немало скептиков, считавших, что лучше радиоламп вряд ли можно что-то придумать. Кроме того, графеновые пленки могут оказаться весьма перспективны в качестве покрытий для экранов мобильных телефонов и элементов солнечных батарей, в качестве чувствительных элементов в газоанализаторах.