Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Фотоника и квантовые материалы», посвященный изучению световых потоков и квантовых технологий. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Фотоника и квантовые материалы» Сколтеха Александр Слесарев рассказывает о способах применения графена в науке и жизни.

Графен — это материал, который известен человечеству, возможно, с самых ранних этапов человеческого развития, но вышел на сцену только сейчас. Сначала надо было его найти, понять, что он собой представляет, и осталось придумать, что с ним делать. Потому что если мы обратимся к современному рынку, то, несмотря на все достижения, несмотря на то, что за графен уже дали Нобелевскую премию и название всем известно, какие-то продукты с ним пока что купить не получается, кроме самого графена.

Что собой представляет графен? Это отдельный слой графита, известного всем со школы, — это пластинки из чистого углерода, связанного в шестиугольники, а графен — одна такая пластинка. В чем заключается проблема: одну пластинку из графита достаточно тяжело достать. Они друг к другу хорошо прилипли, и, даже несмотря на то, что расколоть графит на тонкий пирожок из нескольких пластинок просто, чем тоньше становится пирожок, тем сложнее становится его расколоть. Это первое проявление квантовой природы графена: с уменьшением толщины кристаллика его становится все труднее расколоть, потому что увеличивается связь между слоями.

Рекомендуем по этой теме:
11117
FAQ: Графен

Это очень занятная история с интерпретацией и значением личности и субъективности в науке, потому что в 1920–1930-е годы Ландау посчитал теоретическую структуру графена, у него получились результаты, и люди интерпретировали их долгое время как-то, что графен как таковой существовать не должен, что он нестабилен, его структура должна сама коллапсировать. А позже взяли его и получили. В чем причина? В том, что графен — отдельный слой тоненького одноатомного материала. Чтобы его себе наглядно представить, надо взять на кухне пищевую пленку и на нее посмотреть. Когда пищевая пленка намотана в рулон и рядом лежит много слоев, она прекрасно себя чувствует. А когда мы ее размотаем, отрежем и попробуем подбросить в воздухе, она превратится в некрасивый комок. Но если мы возьмем и натянем пленку на тарелку или другую поверхность, то она будет лежать. Так и с графеном: как только его положили на поверхность, все сразу стало в порядке, он перестал коллапсировать. Графену нужна поддержка, тут ничего удивительного, никакой квантовой черной магии нет, все соответствует обыденным, интуитивным представлениям.

Первой задачей было получить графен в разумных количествах и понять, что он есть, потому что отдельные чешуйки графена можно было получить, взяв графит и нарисовав черту. Там будет несколько листов графена, но, во-первых, мало, а во-вторых, откуда мы узнаем, что это графен? Нужно было, чтобы развилась микроскопия, поверхностные методы, появилось понимание поверхностной науки, и тогда мы смогли посмотреть на графен. В первой работе по графену интересней даже не то, что получили графен, поскольку как такового однослойного графена, по уверениям самих авторов, там не было ― там был малослойный графен. Работа интересна тем, что они ожидали его увидеть, они знали, что там должно быть, как оно должно быть устроено, что они должны увидеть, и они смогли донести это до всего остального мира. Они смогли показать, что материал есть и от него можно ожидать интересные свойства.

Какие свойства от него можно ожидать? Среди людей достаточно широко известно, благодаря средствам массовой информации, что он является отличным проводником, полупроводниковым материалом, что он сверхпрочный. В нем достаточно много интересных свойств, которые уникальны и неуникальны одновременно. Прочность графена превосходит многие материалы, но она сравнима по порядку величины с прочностью таких вещей, как углеродные нанотрубки, молекула белка, молекула ДНК, если ее развернуть в полную линию, как высокомолекулярный полиэтилен. Прочность графена обусловлена тем, что все связи в этом материале ковалентны, а это наиболее прочные возможные связи в природе. Подобная ситуация наблюдается во многих полимерных материалах, во многих цепях.

Если говорить о более интересных электронных свойствах графена, то с ними ситуация в достаточной мере уникальная. Электронные свойства полупроводниковых материалов — это, с одной стороны, просто свойства того, как в них перемещаются носители заряда, то есть электроны. С другой стороны, рассматривать сами электроны зачастую неудобно, поэтому вводится такая абстрактная фигура, как носитель заряда. Это может быть электрон, может быть вакансия, то есть дырка, место, где электрона нет, это может быть более сложная структура. С графеном ситуация такая, что для него можно математически записать движение носителя заряда в таком виде, что уравнение получится по форме своей похожим на уравнение движения света в вакууме с точностью до множителей. Получается, что, как и у света, как у фотонов, у носителей заряда (которых на самом деле не существует ― это математическая абстракция), в графене двигаются всего-навсего электроны и их вакансии, причем далеко не с той скоростью и не в том порядке, как носители заряда. У носителей заряда отсутствует масса, они при приложении любой минимальной силы должны сразу достигать максимально возможной, единственной для них скорости, которая эквивалентна скорости света в вакууме, только это скорость носителя заряда в графене.

Рекомендуем по этой теме:
5504
Графен как квантовая теория поля

Что из этого следует? Это вопрос, который далеко не всегда понятен. Что это значит с точки зрения приложений? Мы не можем сделать аналогичные вещи с фотонами, не можем взять и разогнать фотон или остановить его, просто прикладывая к нему какую-то силу. Фотоны могут менять свою скорость в твердом теле. Эти носители заряда называются дираковскими ― в честь уравнения, которое их описывает, и для них скорость не меняется и не зависит ни от чего. Это означает, что носители заряда пришли в движение ― достаточно удобная интерпретация, что какая-то их доля пришла в движение, какая-то нет, но это одна из возможных моделей. Не всем исследователям понятно, как дело в графене обстоит на самом деле. Но это в целом соответствует ситуации во многих других полупроводниковых материалах, где есть действительно несколько моделей, которые немного противоречат друг другу, но описывают одно и то же вполне адекватно, чтобы работали компьютеры, мобильные телефоны и прочая современная электроника.

Что означает то, что носители заряда не имеют массы и приходят в движение мгновенно? Если мы возьмем кристалл полупроводника и приложим к нему электрическое поле, то пройдет какое-то время между моментом, когда носители заряда придут в движение, и моментом, когда они разгонятся до своей финальной скорости. Если мы будем менять поле достаточно быстро (например, построим процессор и сделаем его тактовую частоту выше), наступит такой момент, когда они просто не будут успевать сдвинуться с места. И проводник, по сути, превратится в диэлектрик для этого эксперимента.

Благодаря тому, что у графена такая интересная статистика движения носителей зарядов, он должен бы оставаться проводящим до намного более высоких частот. Получается, что мы должны быть способны из этого материала сделать более быстрые полупроводниковые устройства. Мы должны сделать высокочастотные, почти что оптические приборы, которые будут работать как обычные полупроводниковые приборы. Но когда мы об этом говорим, должны иметь в виду особенность графена, которая уникальна, но которая неразрывно связана с тем, что у него такая статистика носителей заряда. В нем нет так называемой запрещенной зоны ― области энергии, в которой носители заряда не могут существовать. В нем нет того, что дает нам, простыми словами, p-n-переход в полупроводниках. Нет этой энергетической дырки между уровнями, благодаря которой мы можем получить полупроводник. Он является не очень хорошо проводящим металлом.

Достаточно сложно задачей было и до сих пор является решить сделать из графена ― из проводника ― полупроводник, ведь он быстро и отлично реагирует. В чем заключается проблема? Как только мы пытаемся это сделать, то должны смотреть на аналогию с дираковскими частицами, которые ведут себя как фотоны. Для фотонов в вакууме нет и быть не может никакой запрещенной зоны. Как только мы создаем запрещенную зону, мы меняем структуру. Когда мы поменяли электронную структуру, у наших носителей заряда появилась масса. Но это не единственное уникальное свойство графена. Даже без запрещенной зоны можно сделать очень много интересных вещей для электроники и оптики.

Другая вещь, связанная с такой интересной статистикой носителя заряда, ― это туннелирование, то есть процесс, когда частица может переходить через потенциальный квантово-механический барьер, не теряя при этом своей энергии. Для обычных частиц есть законы, которые в значительной мере ограничивают подобные переходы, а для дираковских частиц вероятность туннелирования не зависит от того, какая энергия у барьера, ― они могут перепрыгивать через любые из них. К чему это приводит? Если сравнивать с обычным полупроводниковым кристаллом: через него движется носитель заряда, он видит какую-то преграду, допустим тепловое колебание, ударяется об нее и рассеивается. Траектории носителя заряда получаются достаточно короткими. А здесь носитель заряда движется, встречает преграду, она для него как потенциальный барьер неизвестной высоты, он просто перескакивает через него на ту сторону. Получается, что при какой угодно температуре, пока электронная структура остается дираковской, частицы должны путешествовать внутри этого материала по сколь угодно длинным траекториям. Это позволяет нам рассматривать квантовые эффекты при комнатной температуре.

Рекомендуем по этой теме:
30286
Применение графена

Но здесь есть одна маленькая проблема, которая связана с тем, что стоит положить графен на подложку, стоит его как-то исказить, приложить к нему большой потенциал ― его зонная структура меняется, электроны начинают двигаться вверх или вниз по своей энергетической шкале, все меняется. Он теряет эти свойства, электроны начинают рассеиваться, то есть графен — материал, который трудно использовать. У него есть отличные свойства, но в действительности применить их во многих случаях непросто.

Это привело к тому, что есть интересные работы по применению графена в квантовых устройствах. Был сделан быстрый транзистор, устройства, которые позволяют смешивать две радиоволны, были сделаны какие-то нелинейные приборы. Были сделаны попытки создать зону в графене путем того, что его дополнительно квантовали. Графен тонкий в одном направлении, а его делали тонким в другом направлении, делали из него ленточки, как нанотрубка, только не завернутая в трубочку. Получались ленточки, в которых появляются зоны, и это можно видеть, но статистика зарядов портится. Нам надо помнить о том, что это не только интересные квантово-механические свойства, а это еще и плоский материал, которого можно очень много поместить в очень маленький объем, и это хороший путь для электроники, хоть он и близок к тупику.

Придумывать для графена применение в электронных областях достаточно трудно. Но есть достаточно много альтернативных применений. Если мы вспомним, графен — это плоский лист из атомов, которые довольно близко друг к другу расположены, мы получим мембрану, через которую не проходят газы. Если мы не хотим, чтобы из пластиковой бутылки пива улетала карбонация, то можно забить в пластик немного графена, и газ будет храниться дольше. Еще материал можно окислить, химически модифицировать, и это будет огромная область для химии, для катализа, для батареек, для экологии. Но это очень длинная другая история, про которую я могу рассказывать бесконечно.