Графен, кто его открыл и где он применяется.

Графен открыли в 2004 году британские учёные российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новосёлов. Работая в Манчестерском университете, они исследовали свойства углеродных материалов, в том числе графита. Результаты исследований были опубликованы в журнале Science. В 2010 году Гейм и Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике. Но революции в науке не случаются на пустом месте.

Графен — это двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, организованных в гексагональную решётку. Он обладает уникальными свойствами: прочность в 200 раз выше стали, превосходная электропроводность, прозрачность, гибкость.

Метод, который использовали исследователи, получил название «механическое отшелушивание» или «метод скотча». Учёные приклеивали скотч к поверхности графита, а затем отрывали его, получая всё более и более тонкие слои. После нескольких повторений и наблюдения под микроскопом им удалось изолировать одноатомный слой углерода — графен.

Какие шаги в науке графена были сделаны до судьбоносного открытия Гейма и Новосёлова.

В 30-х годах прошлого века физики-теоретики Лев Ландау и Рудольф Пайерлс пришли к выводу, что строго двумерные кристаллы термодинамически нестабильны и не могут существовать.

Дэвид Мермин в 1968 году расширил аргументы их теории. Совокупность экспериментальных наблюдений полностью подтвердила эти выводы:

• температура плавления тонких плёнок быстро падает с уменьшением толщины;
• плёнки расслаиваются на островки или разлагаются при толщине даже в несколько десятков атомных слоёв.

Несмотря на запрет на самостоятельное существование, некоторые теоретики всё равно исследовали свойства однослойного углерода. В 1947 году канадский физик Фил Уоллес впервые рассчитал его зонную структуру.

Гордон Семёнофф и Дункан Холдейн пришли к выводу, что графен может быть использован для решения различных задач квантовой электродинамики в конденсированной среде.

Цунео Андо и Милли Дрессельхаус руководили большим количеством важных теоретических работ по графену.

Эксперимент:

Плавающий графен

В 1859 году британский химик Бенджамин Броди проводил эксперименты в своей частной лаборатории. Он заливал графит сильными кислотами и получил вещество, которое назвал «угольной кислотой». Учёный считал, что открыл «графон» — новую форму углерода. Однако сегодня известно, что Броди наблюдал суспензию из крошечных кристаллов оксида графена.

Бенджамин Броди, автор Henry Room

В 1859 году британский химик Бенджамин Броди ставил эксперименты в своей частной лаборатории. Он обрабатывал графит сильными кислотами и получил вещество, которое назвал «угольной кислотой». Учёный полагал, что открыл новую форму углерода — «графон». Но сейчас известно, что на самом деле Броди наблюдал суспензию из мелких кристаллов оксида графена.

В 1962 году Ульрих Хофман и Ханс-Петер Бём обнаружили тонкие фрагменты восстановленного оксида графита и идентифицировали некоторые из них как монослои. Их вывод был основан на анализе относительного контраста с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Однако сегодня такой метод не прошёл бы рецензирование в научном журнале, поскольку контраст сильно зависит от условий фокусировки.

Монослои графена были однозначно идентифицированы в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) через 40 лет после статьи 1962 года путём подсчёта количества линий сгиба несколькими коллективами.

Несмотря на то, что к доказательству наблюдения монослоёв у Бёма и Хофмана есть вопросы, их работу можно считать первым наблюдением графеновых листов. Идея эксперимента была правильной, и в исследуемом образце должны были присутствовать монослои.

Кроме того, именно Бём с коллегами ввели термин «графен» в 1986 году. Они образовали его от комбинации слова «графит» и суффикса «ен», который относится к полициклическим ароматическим углеводородам — природным химическим соединениям, состоящим из углеродных шестиугольников.

Выращенный графен

До 2004 года учёные пытались выращивать графен на различных подложках методом эпитаксиального роста. Ультратонкие графитовые плёнки и даже монослои получали на металлических подложках, изолирующих карбидах и графите.

Например:

• в 1970 году Джон Грант опубликовал работу о графитовых плёнках, выращенных на подложке из рутения (Ru) и родия (Rh);
• Блейкли и его коллеги вырастили плёнки на никелевой основе;
• в 1975 году ван Боммель показал, что графен можно выращивать на изолирующих подложках карбида кремния;
• Чухаи Осима обнаружил другие подходящие карбиды.

Выращенные плёнки обычно анализировали как поверхности, где характеристики усредняются и мало что говорят о непрерывности и качестве плёнки. Для визуализации и локального анализа иногда использовали сканирующую туннельную микроскопию (СТМ).

Первый практический ПЭМ; экспозиция в музее Мюнхена, автор J Brew

Отколотые слои

Учёные предпринимали попытки, близкие к результату Гейма и Новосёлова.

• В 1990 году группа Генриха Курца сообщила о методе «отслаивания оптически тонких слоёв с помощью прозрачной ленты», то есть скотча. Такие ленты применялись для исследования динамики носителей в графите.

• В 1995 году Томас Эббесен и Хидефуми Хиура описали «оригами» толщиной в несколько нанометров, которое было визуализировано с помощью атомно-силовой микроскопии.

• В 1999 году Род Руофф и его коллеги использовали сканирующий электронный микроскоп для фотографирования тонких пластинок графита.

• В 2003 году Ян Ган сообщил о монослоях графена, применив сканирующий туннельный микроскоп.

Графеновые хлопья различной толщины, наблюдаемые с помощью просвечивающей электронной микроскопии, которые изучал Ханс-Петер Бём

Электрические свойства

В 1970 году Ханс-Йоахим Тойшлер запатентовал идею использования «пиролитического графита» вместо кремния в полевых транзисторах.

Томас Эббесен и Хидефуми Хиура в 1995 году предположили возможность создания наноэлектроники на основе графеновых лент, выращенных на подложке карбида титана.

С 1997 по 2000 год Йошико Охаши удалось расколоть графит до фрагментов толщиной около 20 нм (примерно 60 слоёв). Охаши исследовал электрические свойства полученных фрагментов, в том числе осцилляции Шубникова — де Гааза, и наблюдал изменения сопротивления в электрическом поле.

В 2001 году группе Эббесена удалось вырастить графитовые диски микронных размеров с толщиной до 60 слоёв и измерить их электрические свойства.

Удививший всех

До 2004 года исследователи по всему миру, основываясь на мнениях авторитетов, считали, что двумерные материалы не могут существовать без трёхмерной «поддержки» — например, кристаллической подложки или раствора. Однако общепринятые представления были опровергнуты экспериментальным открытием Гейма и Новосёлова.

Они продемонстрировали, что графен — это не только удобный объект для теоретических исследований, но и источник уникальных свойств. Оказалось, что многие привычные подходы к нему неприменимы.

Научный мир открыл для себя новый, ранее неизведанный пласт знаний, который изменил представления о множестве процессов. Благодаря работе нобелевских лауреатов появилась наука о двумерных материалах.

Это направление сейчас активно развивается во всём мире и внедряется в технологии. В качестве примера можно привести Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ, где под руководством Валентина Волкова создают новый класс наноразмерных оптоэлектронных приборов и компонентов на основе 2D-материалов. Эти устройства имеют широкий спектр применений.

У этого материала большой потенциал в будущем. Он может быть использован для создания новых технологий и продуктов. Его изучением занимаются ученые из разных стран, в нем заинтересованы крупные компании, такие, как Airbus, Samsung, IBM и многие другие. Он может быть использован для:

• Квантовых вычислений. Для создания квантовых компьютеров, которые будут работать намного быстрее и эффективнее, чем современные компьютеры. Так, финские ученые разработали болометр (инструмент для измерения энергетического состояния кубитов) на основе графена, у которого рекордная чувствительность, что позволяет существенно снизить энергопотребление квантовых компьютеров и сделать их компактнее.

• Робототехнике. Производство гибких и прочных материалов для роботов, которые будут иметь возможность двигаться и приспосабливаться к различным условиям. Например, индийские ученые рассказывают о самовосстанавливающейся коже для андроидов, а в Австралии разработали биосенсор из графена, позволяющий управлять роботами.

• Космических исследованиях. Производство легких и прочных материалов для космических кораблей, космических станций и спутников. Китайские ученые предложили перемещаться в космосе при помощи солнечных парусов, изготовленных из графена, а графеновая броня сможет защитить космические аппараты от микрометеоритов.

• Экологии. Фильтры с применением графена можно использовать для очистки воды и воздуха, а также для создания более эффективных и экологически чистых источников энергии. Возможно применение и на атомных электростанциях с целью повышения экономичности и снижения вредных выбросов углекислого газа.

Александр Григорьев ЦСО "Крокус"