Нобелова награда за откриването на аграфена. Как "боклук физици" от Русия спечелиха Нобелова награда

В Стокхолм бяха обявени имената на носителите на Нобелова награда за физика за 2010 г. Това бяха проф. Андрей Гейм и проф. Константин Новоселов. И двамата лауреати, които работят в Британския университет в Манчестър, са от Русия. 52-годишният Андрей Гейм е гражданин на Холандия, а 36-годишният Константин Новоселов има руско и британско гражданство.

Най-престижната научна награда в света, която тази година е около 1,5 милиона долара, беше присъдена на учени за откриването на графен, ултратънък и изключително издръжлив материал, който представлява въглероден филм с дебелина един атом.

За това какви трудности са възникнали по време на откриването на графена и какво е практическото приложение на този материал, Александър Сергеев, научен редактор на списанието Вокруг Света, говори в ефира на Радио Свобода:

Самият факт, че учените са получили графен, е забележителен. Теоретично графенът е предсказан половин век преди синтеза му. В училище всички преминаха през структурата на графита - това е обикновен молив. Въглеродният атом образува тънки слоеве, които са многократно наслоени един върху друг. Всеки слой се състои от шестоъгълни клетки, които подобно на пчелна пита се скачват една с друга.

Проблемът беше да се отдели един слой от горния и долния. За един слой от този двуизмерен кристал, наречен така, защото няма трето измерение, са предсказани куп интересни физически свойства. Имаше много експерименти. Но не беше възможно да се постигне отделяне на един слой от всички останали със стабилен резултат.

Андрей Гейм и Константин Новоселов измислиха начин, по който успяха да изолират този слой и впоследствие да се уверят, че той наистина е един. След това учените успяха да измерят физическите му свойства и да потвърдят, че теоретичните прогнози са повече или по-малко правилни. Този експеримент е много прост: учените взеха обикновен молив, парче графит. С лепяща лента от него беше премахнат слой графит, след което започнаха да го отлепят. Когато остават 1-2 слоя, графитът се прехвърля върху силиконова подложка.

Защо всички предишни експерименти се провалиха? Тъй като (и това беше теоретично предвидено) графеновият филм, двуизмерен въглероден кристал, е нестабилен на усукване. Веднага щом е в свободно състояние, тя веднага ще започне да се мачка. Имаше дори такова мнение, че е невъзможно да се изолира графен. Работата на учените е извършена през 2004 г., а през 2009 г. вече е получено парче графен. Тоест лист графен с размер почти сантиметър. А сега говорим за десетки сантиметри.

Защо изобщо се нуждаем от този графен?

Цялата електроника вече върви в посока на намаляване на размера на елементите - транзистори, електроди и т.н. Колкото по-малки са елементите вътре в процесора, толкова повече елементи могат да бъдат поставени в него и толкова по-мощен процесор може да бъде сглобен. Следователно в него ще се извършват по-сложни логически операции. Какво може да бъде по-тънко от един атомен слой? Графенът има свойството да изтънява.

Освен това той провежда електричество. И е почти прозрачен. В същото време той е достатъчно силен: той е един от най-здравите материали на атомен слой. Той практически не пропуска други вещества през себе си. Дори газообразният хелий не може да проникне през графен, така че това е много надеждно покритие. Може да се използва например в сензорни екрани, тъй като прозрачният електрод няма да скрие изображението. Можете да опитате да го използвате в електрониката. Сега те се опитват да разработят транзистори на базата на графени. Вярно, тук има трудности. Графенът има аномални свойства, които донякъде го правят труден за използване в транзистори. Но след като сме научили как да получаваме атомни слоеве, това вероятно вече са преодолими препятствия. Това е принципно нов материал. Никога не е имало нещо подобно. Най-тънкият монослой на проводника, който може да се използва в технологиите, в електрониката.

Новите нобелови лауреати имат доста сложна биография. Единият от тях е гражданин на Холандия, другият има два паспорта: британски и руски. Те са работили, доколкото е известно, в научния център в Манчестър, Англия. Става ли науката интернационална или тъжната съдба на руските учени е да правят големи открития само ако отидат в чужбина?

За да се занимавате със сериозна научна работа, е необходима не само материално-техническа база, но и просто спокойствие. Един учен не трябва да се обърква от някои въпроси. Андрей Игра преди 10 години получи Ig Nobel за експерименти върху магнитната левитация на жаби. Ig Nobel Prize е шеговита антинаграда за безсмислен труд. Един учен се нуждае от известна свобода в работата си. Тогава се раждат идеи. Днес левитирах жаби, а утре получавам графени.

Ако човек има такива условия, значи работи по-ефективно. В крайна сметка и двамата настоящи нобелови лауреати по физика са учили в Московския физико-технически институт (Московски физико-технически институт – РС). И много скоро те заминаха за Холандия, за Великобритания, защото атмосферата на работа там е по-благоприятна за търсене на научни средства, необходими за провеждане на изследвания. Те откъснаха въглеродните филми с лепяща лента, но трябваше да бъдат измерени с атомно-силов микроскоп. Така че този микроскоп трябваше да бъде. В Русия, разбира се, има, но са много по-трудно достъпни.

Ако кажа, че Русия има добро основно образование, което позволява да се отглеждат носители на Нобелова награда, но в същото време няма сериозна научна високотехнологична база за експерименти, това ще бъде ли вярно?

Както при всяко обобщение, тук има известно разтягане. С образованието вече не сме толкова добре и гладко, защото на много места се унищожават научни школи. Имаше голяма пауза в работата през 90-те години. Има отделни училища в Русия, където всичко върви много добре, но има проблеми с оборудването и провеждането на сериозни скъпи изследвания. Някъде свършва това оборудване: от време на време се правят доста сериозни покупки, например за института „Курчатов“. Но колко ефективно се прилага там е голям въпрос. Затова на места има силна научна школа, а на други има средства за технологии. Много е трудно да ги обменят помежду си от съображения за престиж и бюрокрация. В Русия също са възможни изследвания от висок клас, но е много по-трудно да се провеждат - тук е по-трудна среда за работа.

Научните изследвания са многостранни. Но има ли отделни области, които Нобеловият комитет определя като пробив? За кое е по-лесно да се получи Нобелова награда? Или няма такива насоки?

Разгледах списъка на носителите на Нобелова награда по физика за последните 20 години. Няма ясна тенденция. Има доста награди в областта на физиката на елементарните частици, фундаменталните физически взаимодействия. Това е разбираемо - там вършат доста интересна работа. Но тук трябва да вземем предвид един важен момент. Често се казва, че за да получиш Нобелова награда, не е достатъчно да направиш пробивна работа. Все още трябва да доживеем до времето, когато ще бъде оценено. Следователно Нобеловата награда по правило се присъжда на хора на много уважавана възраст. От тази гледна точка тазгодишната Нобелова награда за физика е изключение от правилото. Сега Новоселов е на 36 години. През последните 20 години не е имало такъв случай сред наградите по физика, а според мен изобщо не е имало! През последните 8 години нито един от учените под 50 години не е получил Нобелова награда, а много я получиха на 70 или дори 80-годишна възраст за работа, извършена преди десетилетия.

Сегашната Нобелова награда е присъдена в нарушение на правилата. Може би Нобеловият комитет е сметнал, че наградата става геронтологична и възрастта за получаването й трябва да бъде намалена. За последен път в "млада" възраст наградата по физика беше присъдена през 2001 г. Победителите бяха на възраст между 40 и 50 години.

Сега явно е направена инсталация за същинска експериментална работа. И така, въпреки че Нобеловата награда не включва астрономия, през последните 10 години имаше две много важни награди в астрофизиката. Имаше награди по физика на високите енергии и физика на елементарните частици, по физика на твърдото тяло, по физика на кондензирано състояние – тоест твърдо, течно и други състояния, в които атомите са близо един до друг. Почти всички тези работи по един или друг начин са свързани с квантовата физика.

Защо точно квантовата теория? Дали се дължи на някакви лични предпочитания на членовете на Нобеловия комитет? Или това наистина е най-близкото научно бъдеще?

Причината е много проста. Всъщност цялата физика, с изключение на теорията за гравитацията, сега е квантова. Почти всичко ново, което се прави в областта на физиката, с изключение на някои странични насоки, подобрения и пробиви, които са били в миналото, се основава на квантовата физика. Само гравитацията все още не се е поддала на това "квантуване". И всичко останало, което се отнася до основата на физиката, е квантовата теория и квантовата теория на материята.

Кой е той? Новоселов Константин Сергеевич!

Биография

Известният учен е роден в град Нижни Тагил, Свердловска област, на 23 август 1974 г. в семейството на инженер и учителка по английски език в училище № 39, чийто основател и директор някога е бил дядо му Виктор Константинович Новоселов.

В шести клас Константин разкрива необикновени способности и заема първо място в регионалната олимпиада по физика, а малко по-късно, на Всесъюзната олимпиада, той повтаря успеха си, влизайки в челната десетка. През 1991 г. завършва допълнителна кореспондентска гимназия по физика и технологии и през същата година става студент в Московския институт по физика и технологии. Учи по специалността "нанотехнологии" във Факултета по физическа и квантова електроника и завършва с отличие института, след което е назначен в IPTM RAS (Институт по проблеми на микроелектрониката RAS) в Черноголовка. Там завършва следдипломна квалификация под ръководството на Юрий Дубровски.

В чужбина

През 1999 г. Константин Сергеевич Новоселов, физик с вече установена репутация, се премества в Холандия. Там, в университета в Неймеген, той работи с Андре Гейм. От 2001 г. учените работят заедно в Университета на Манчестър. През 2004 г. получава докторска степен (ръководител Ян-Кийс Маан).

В момента Константин Сергеевич Новоселов е професор на Кралското общество и професор по физико-математически науки в Университета на Манчестър и има двойно гражданство (Русия и Великобритания). Сега живее в Манчестър.

Проучване

С какво е известен Константин Сергеевич Новоселов? Според аналитичната агенция Thomson Reuters руско-британският физик е един от най-често цитираните учени. От перото му излизат 190 научни статии. Въпреки това, най-значимото му изследване е, разбира се, графенът. Мнозина са чували тази дума, която изглежда проста и позната. Технологията е наистина лаконична и елегантна, като всички гениални. Възможно е по-нататъшно проучване, което ще въведе човечеството в ерата на ултра-бързите и ултра-тънки мобилни и компютърни устройства, електрически коли и издръжливи, но много леки конструкции.

Награди

Когато Константин Сергеевич Новоселов започна работа в университета в Манчестър, негов ръководител стана старши колега от Русия, който по това време се занимаваше с изследвания в тази област от дълго време и успя да възпроизведе механизма на залепване на лапите на гекона , и въз основа на него създава лепяща лента, която физиците по-късно използват при работа с графен. Преди това Гейм беше подпомогнат от определен китайски студент, но според самия физик работата започна да напредва едва след като Константин Сергеевич Новоселов се зае с работата. Нобеловата награда им беше присъдена през октомври 2010 г. Новоселов вече е известен като най-младият Нобелов лауреат по физика (през последните 37 години), освен това в момента той е единственият учен сред носителите на Нобелова награда, който е роден след 1970 г.

През същата 2010 г. Новоселов получава титлата командир на Ордена на Холандския лъв за значителния му принос към науката на Холандия, а малко по-късно, през 2011 г., указът на кралица Елизабет ll го прави рицар бакалавър, вече за приноса му към науката във Великобритания. Тържествената рицарска церемония се състоя малко по-късно, през пролетта на 2012 г., както се очакваше, в Бъкингамския дворец. Домакин беше дъщерята на кралицата, принцеса Ан.

Трябва да се каже, че Константин Сергеевич Новоселов, чиято научна и социална дейност е много обширна, получи още една престижна награда за изследване на графена, като стана носител на наградата за еврофизика през 2008 г. Присъжда се на всеки две години, сред носителите на наградата имаше само тринадесет нобелови лауреати. Наградата се състои от парична награда и съответна грамота. Той също получи наградата Kurti, но не за графен, а за списък от постижения в областта на ниските температури и магнитните полета.

За семейството и живота

Константин Новоселов е щастливо женен за съпругата си Ирина. Въпреки че тя също е рускиня, учените се срещат в чужбина, в Холандия. Ирина е от Вологда, занимава се с изследвания в областта на микробиологията (защитила е дисертация в Санкт Петербург). Двойката има две дъщери, близначките София и Вика, родени през 2009 г.

Константин Сергеевич, по собствените му думи, не е бащата, който седи в лабораторията със седмици, пропускайки детството на собствените си деца. За него да изобрети най-малкия транзистор в света и да научи дъщеря си да брои до двадесет и седем - нещо, което е в същия ред. „Никой не е правил това преди вас“, казва той.

На свой ред родителите му никога не са се опитвали да ограничат интересите на сина си. Те винаги са били сигурни, че синът им е много надарен и, както казва самият физик, не са били изненадани, когато е получил Нобеловата награда.

В интервю за списание Esquire той призна, че мечтае да се научи да свири на пиано. Учи се, но по собственото му признание резултатите засега са посредствени.

За СССР

Константин Сергеевич е роден в СССР и получава отлично образование. Самият той признава, че малко са местата, където можеш да получиш толкова дълбоки знания. Но той няма да се върне в Русия. Може би точно заради това някои журналисти без да искат го упрекват в липсата на патриотизъм. На това ученият отговаря, че не става дума за пари, а просто да работиш във Великобритания е по-спокойно, защото никой не се меси в делата ти.

Новоселов приема живота леко, не се закача за неуспехи - това е едно от основните му правила. Ако възникнат трудности в отношенията с хората, той се опитва да не доведе до прекъсване, но ако това е неизбежно, оставя последната дума на друг човек. Известен физик има много общи житейски проблеми, например, той би бил готов да похарчи всякакви пари, само за да получи малко свободно време.

Но той не разделя живота си на работа и свободно време, може би това е ключът към производителността на учения. Вкъщи мисли за физика, а на работа просто си почива душата.

Какво е графен

Въпреки, разбира се, всички постижения в областта на физиката, основната работа на Новоселов беше и остава графенът. Тази структура, получена за първи път в лаборатория от нашите сънародници, представлява двумерна „решетка“ от въглеродни атоми с дебелина само един атом. Самият Новоселов твърди, че технологията не е сложна и всеки може да създаде графен, почти от импровизирани средства. Той казва, че е достатъчно да вземете малко добър графит, за да започнете, въпреки че можете дори да използвате моливи и да похарчите малко силициеви пластини и тиксо. Всичко, комплектът за създаване на графен е готов! По този начин материалът няма да стане собственост на изключително големи корпорации, Новоселов и Игра буквално го дариха на целия свят.

Невероятни свойства

Физикът е изненадан и от електронните свойства на този материал. Според него графенът може да се използва в транзистори, което някои компании вече се опитват да направят, заменяйки познатите части в мобилните устройства.

Според Новоселов графенът ще направи революция в технологиите. Неразделна част от всеки фантастичен филм са невероятни джаджи, прозрачни, тънки, нечупливи и с голяма функционалност. Ако графенът постепенно замени остарелия силиций, технологиите от киното ще се появят в живота.

Какво друго е забележително в изследванията на Новоселов и Гейм? Фактът, че те почти моментално мигрираха от лаборатории към конвейери и дори повече - се оказа много полезен в първите години.

Технологии на бъдещето

Къде се използва графенът сега? Изглежда, че такъв наскоро открит материал все още не може да се разпространи широко и това е отчасти вярно. Почти всички разработки все още имат експериментален характер и не са пуснати в масово производство. Сега обаче се опитват да използват този материал буквално във всички области, което може би може да се нарече истинска „графенова треска“.

Самият графен, въпреки ниското си тегло и почти пълна прозрачност (абсорбира 2% от пропуснатата светлина, точно както обикновеното прозоречно стъкло), материалът е много издръжлив. Последните проучвания на американски учени показват, че графенът се смесва добре с пластмаса. Това води до супер здрав материал, който може да се използва във всичко - от мебели и мобилни телефони до ракетна наука.

От графен вече са създадени прототипи на батерии за електрически автомобили. Отличават се с голям капацитет и кратко време за зареждане. Може би така ще се реши проблемът с електрическите превозни средства, а транспортът ще стане евтин и екологичен.

Графенът се използва при разработването на нови сензорни панели за телефони. Ако класическите сензори могат да работят само върху плоска повърхност, тогава графенът е лишен от този недостатък, защото може да се огъва както искате. В допълнение, високата електрическа проводимост ще направи реакцията минимална.

В авиацията

Корпусите на ракетите и самолетите, направени с помощта на графен, ще бъдат няколко пъти по-леки, което значително ще намали разходите за гориво. Полетите ще станат толкова евтини, че всеки може да си позволи да пътува до другия край на земята. Но, освен пътническия трафик, това, разбира се, ще засегне и товарния трафик. Снабдяването на отдалечените кътчета на планетата ще стане много по-добро, което означава, че повече хора ще живеят и работят там.

МОСКВА, 5 октомври - РИА Новости.Нобеловата награда за физика за 2010 г. беше празник едновременно за две страни - за родината на лауреатите - Русия, и за сегашната им родина - Великобритания. Шведски академици присъдиха най-високата научна награда на Андрей Гейм и Константин Новоселов за откриването на двуизмерна форма на въглерод - графен, което принуди руските учени да се оплакват от изтичането на мозъци, а британските - да се надяват на продължаващо финансиране на науката.

„Жалко, че Гейм и Новоселов направиха своите открития в чужбина“, каза пред РИА Новости Алексей Хохлов, ръководител на катедрата по физика на полимерите и кристалите в Московския държавен университет.

„Правителството трябва да се поучи от решението на Нобеловия комитет“, коментира присъждането на Нобеловата награда по физика президентът на Кралското научно общество проф. Мартин Рийз. Той припомни, че много учени, включително чуждестранни, които работят във Великобритания, в случай на ограничаване на финансирането, могат просто да заминат за други страни.

Британското правителство на 20 октомври ще обяви планове за сериозно съкращаване на държавните разходи. Очаква се науката и висшето образование да бъдат едни от най-засегнатите области от съкращенията.

Възпитаниците на MIPT Game и Novoselov, които работят в Манчестър, получиха наградата "за пионерски експерименти за изследване на двуизмерен графенов материал". Те ще си поделят 10 милиона шведски крони (около един милион евро). Церемонията по награждаването ще се състои в Стокхолм на 10 декември, деня на смъртта на нейния основател Алфред Нобел.

Графенът стана първият двуизмерен материал в историята, състоящ се от един слой въглеродни атоми, свързани помежду си чрез структура от химически връзки, наподобяваща структурата на пчелна пита по своята геометрия. Дълго време се смяташе, че такава структура е невъзможна.

„Смяташе се, че такива двумерни еднослойни кристали не могат да съществуват. Те трябва да загубят стабилност и да се превърнат в нещо друго, защото това всъщност е равнина без дебелина“, каза бившият ръководител на лауреатите, директор на Института по проблеми по технология на микроелектрониката и материали с висока чистота на Руската академия на науките (IPTM) каза за РИА Новости) Вячеслав Тулин.

„Невъзможният“ материал обаче, както се оказа, има уникални физични и химични свойства, които го правят незаменим в различни области. Графенът провежда електричество, както и медта, може да се използва за създаване на сензорни екрани, слънчеви клетки, гъвкави електронни устройства.

„Това е бъдеща революция в микроелектрониката. Ако сега компютрите са гигахерцови, тогава те ще бъдат терахерцови и т.н. Транзисторите и всички други елементи на електронните схеми ще бъдат създадени на базата на графен“, Алексей Фомичев, професор в катедрата на MIPT от Quantum Electronics, каза РИА Новости.

Графенът вече е намерил една област на приложение: слънчеви фотоволтаични клетки. "Преди това при производството на фотоволтаични клетки индиевите оксиди, легирани с калай, бяха използвани като прозрачен електрод. Но се оказа, че няколко слоя графен са много по-ефективни", каза Александър Вул, ръководител на лабораторията по физика на клъстерните структури в Санкт Петербургския физико-технически институт "Иофе" на Руската академия на науките.

Първият от физико-техническия отдел

Андрей Гейм и Константин Новоселов са първите възпитаници на Московския физико-технически институт, получили Нобелова награда: преди това основателите и служителите на Московския физико-технологичен институт - Петр Капица, Николай Семенов, Лев Ландау, Игор Тамм, Александър Прохоров, Николай Басов, Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов. Гейм завършва Факултета по обща и приложна физика (FOPF) през 1982 г., Новоселов - Факултета по физическа и квантова електроника (FFKE) през 1997 г. И двамата абсолвенти получиха червени дипломи.

"Това е супер новина. Ние сме много доволни от решението на Нобеловия комитет. MIPT вече изпрати поздравления до новите нобелови лауреати", каза ректорът на MIPT Николай Кудрявцев пред РИА Новости във вторник.

Според ректора служителите са „вдигнали личните си дела от архива и са се уверили, че са отлични студенти“. В същото време Андрей Гейм не влезе в института за първи път, след като работи една година в завода, но "показа постоянство" и стана студент в Московския институт по физика и технологии.

"През цялото време на обучение във FOPF Гейм получи най-високите отзиви от учителите. И финалната работа на Гейм беше оценена изключително високо от дипломната комисия", каза ръководителят на Московския институт по физика и технологии.

Студентът от 152-ра група на Факултета по физическа и квантова електроника Константин Новоселов, както отбеляза Кудрявцев, „посещаваше часовете нередовно, но предаваше всички задачи успешно и навреме“.

„И прегледите на учителите за Новоселов също са най-високи. Това означава, че той е бил толкова талантлив, че като цяло не е било необходимо да ходи на всички класове“, коментира ректорът на Московския физико-технически институт архивните документи.

От Шнобел до Нобел

Колегата на Гейм, Константин Новоселов, стана най-младият нобелов лауреат с руско гражданство: 36-годишният физик е с шест години по-млад от съветския си колега Николай Басов, който на 42 години получи наградата през 1964 г. за работата си в областта на квантовата електроника, довела до създаването на на излъчватели и усилватели на принципа лазер-мазер.

Най-младият носител на Нобелова награда в историята беше Лорънс Брег, който на 25-годишна възраст сподели наградата по физика с баща си Уилям Хенри Брег. Следващите четири позиции в списъка на най-младите лауреати в историята също са заети от физици: Вернер Хайзенберг, Зонгдао Ли, Карл Андерсън и Пол Дирак получиха награди на 31 години.

Константин Новоселов обаче ще остане в историята като първият представител на поколението, родено през 70-те години. Физикът Ерик Корнел, биолозите Карол Грейдър и Крейг Мело и президентът на САЩ Барак Обама, който получи Нобеловата награда за мир, представляват предходното десетилетие в списъка на лауреатите. В списъка на лауреатите няма никой по-млад от 1961 г., с изключение на Новоселов.

От редактора: Засягайки темата за модернизацията на руската икономика и развитието на високите технологии у нас, ние си поставихме за задача не само да привлечем вниманието на читателите към недостатъците, но и да говорим за положителни примери. Освен това има, и то много. Миналата седмица говорихме за развитието на горивни клетки в Русия, а днес ще говорим за графена, за изследването на свойствата на който „бившите ни хора“ наскоро получиха Нобелова награда. Оказва се, че в Русия, или по-скоро в Новосибирск, те работят много сериозно върху този материал.

Силицият като основа на микроелектрониката твърдо завоюва позициите си във високотехнологичното пространство и това не се случи случайно. Първо, сравнително лесно е да се придадат желаните свойства на силиция. Второ, тя е позната на науката отдавна и е изследвана "нагоре-надолу". Третата причина е, че в силициевите технологии са инвестирани наистина гигантски средства и сега малко хора ще се осмелят да заложат на нов материал. В крайна сметка за това ще е необходимо да се възстанови огромен индустриален сектор. По-скоро го изградете почти от нулата.

Има обаче и други претенденти за лидерство като полупроводников материал. Например графенът, който след Нобеловата награда за изследване на свойствата му, стана много модерен. Всъщност има причини да преминете към него от силиций, тъй като графенът има редица значителни предимства. Но дали ще стигнем до „електроника, базирана на графен“, все още не е ясно, защото наред с предимствата има и недостатъци.

За да говорим за перспективите на графена в микроелектрониката и неговите уникални свойства, се срещнахме в Новосибирск с главния изследовател на Института по неорганична химия. А. В. Николаев SB RAS, доктор на химическите науки, професор Владимир Федоров.

Алла Аршинова: Владимир Ефимович, какви са сегашните позиции на силиция в микроелектрониката?

Владимир Федоров: Силицият се използва в индустрията като основен полупроводников материал от много дълго време. Факт е, че той лесно се легира, тоест към него могат да се добавят атоми от различни елементи, които променят физическите и химичните свойства по насочен начин. Такава модификация на силиций с висока чистота позволява получаването на полупроводникови материали от n- или p-тип. По този начин насоченото легиране на силиций регулира функционалните свойства на материалите, които са важни за микроелектрониката.

Силицият е наистина уникален материал и това е причината в него да са вложени толкова много усилия, средства и интелектуален ресурс. Основните свойства на силиция са толкова подробно проучени, че има широко разпространено мнение, че просто не може да има заместител за него. Въпреки това, последните изследвания върху графена дадоха зелена светлина на друга гледна точка, която е, че новите материали могат да бъдат усъвършенствани до степен, в която да могат да заменят силиция.

Кристална структура на силиций

Такива дискусии възникват периодично в науката и те се разрешават, като правило, само след сериозни изследвания. Например, наскоро имаше подобна ситуация с високотемпературни свръхпроводници. През 1986 г. Беднорц и Мюлер откриват свръхпроводимост в барий-лантан-меден оксид (за това откритие те са удостоени с Нобелова награда още през 1987 г. - година след откритието!), която е открита при температура, значително по-висока от стойностите характеристика на известното време на свръхпроводящи материали. В същото време структурата на купратните свръхпроводящи съединения се различава значително от нискотемпературните свръхпроводници. След това подобно на лавина изследване на свързани системи доведе до производството на материали с температура на свръхпроводящ преход от 90 К и повече. Това означаваше, че като хладилен агент може да се използва не скъп и капризен течен хелий, а течен азот - в природата има много в газообразна форма и освен това е много по-евтин от хелия.

Но, за съжаление, тази еуфория скоро премина след внимателно изследване на нови високотемпературни свръхпроводници. Тези поликристални материали, подобно на други сложни оксиди, са подобни на керамиката: те са крехки и непластични. Оказа се, че свръхпроводимостта във всеки кристал има добри параметри, но в компактни образци критичните токове са доста ниски, което се дължи на слабите контакти между зърната на материала. Слабите Джозефсонови връзки между свръхпроводящи зърна не правят възможно производството на материал (например да се направи проводник) с високи свръхпроводящи характеристики.

Слънчева батерия на базата на поликристален силиций

Същата ситуация може да се случи и с графен. Понастоящем са открити много интересни свойства за него, но предстои да се направят обширни изследвания, за да се отговори окончателно на въпроса за възможността за получаване на този материал в индустриален мащаб и използването му в наноелектрониката.

Алла Аршинова: Можете ли да обясните какво е графен и как се различава от графита?

Владимир Федоров: Графенът е моноатомен слой, образуван от въглеродни атоми, който, подобно на графита, има решетка с форма на пчелна пита. И съответно графитът е подреден един върху друг в купчина графенови слоеве. Графеновите слоеве в графита са свързани помежду си с много слаби ван дер ваалсови връзки, поради което е възможно в крайна сметка те да бъдат разкъсани. Когато пишем с молив, това е пример за факта, че отлепяме слоеве графит. Вярно е, че следата от молив върху хартията все още не е графен, а графенова многослойна структура.

Сега всяко дете може да каже напълно сериозно, че не просто превежда хартия, но създава най-сложната графенова многослойна структура.

Но ако е възможно да се раздели такава структура на един слой, тогава се получава истински графен. Подобно разделяне направиха и тазгодишните нобелови лауреати по физика Гейм и Новоселов. Те успяха да разцепят графита с лепяща лента и след изследване на свойствата на този „графитен слой“ се оказа, че той има много добри параметри за използване в микроелектрониката. Едно от забележителните свойства на графена е неговата висока подвижност на електрони. Казват, че графенът ще се превърне в незаменим материал за компютри, телефони и друго оборудване. Защо? Защото в тази област има тенденция за ускоряване на процедурите по обработка на информация. Тези процедури са свързани с тактовата честота. Колкото по-висока е работната честота, толкова повече операции могат да бъдат обработени за единица време. Следователно скоростта на носителите на заряд е много важна. Оказа се, че носителите на заряд в графена се държат като релативистични частици с нулева ефективна маса. Такива свойства на графена наистина ни позволяват да се надяваме, че ще бъде възможно да се създадат устройства, способни да работят на терахерцови честоти, които са недостъпни за силиций. Това е едно от най-интересните свойства на материала.

Нобеловите лауреати по физика за 2010 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов

Гъвкави и прозрачни филми могат да бъдат получени от графен, който също е много интересен за редица приложения. Друг плюс е, че е много прост и много лек материал, по-лек от силиций; освен това в природата има много въглерод. Ето защо, ако наистина намерят начин да използват този материал във високите технологии, тогава, разбира се, той ще има добри перспективи и евентуално в крайна сметка ще замени силиция.

Но има един основен проблем, свързан с термодинамичната стабилност на нискоразмерните проводници. Както е известно, твърдите тела се подразделят на различни пространствени системи; например 3D (триизмерната) система включва обемни кристали. Двумерните (2D) системи са представени от слоести кристали. И верижните структури принадлежат към едномерна (1D) система. И така, нискоразмерните - 1D верижни и 2D слоести структури с метални свойства не са стабилни от термодинамична гледна точка, тъй като температурата намалява, те са склонни да се превърнат в система, която губи метални свойства. Това са така наречените преходи метал-изолатор. Остава да видим колко стабилни ще бъдат графеновите материали в някои устройства. Разбира се, графенът е интересен, както по отношение на електрически, така и на механични свойства. Смята се, че монолитният слой от графен е много здрав.

Алла Аршинова: По-силен от диамант?

Владимир Федоров: Диамантът има триизмерни връзки, механично е много здрав. В графита в равнината междуатомните връзки са същите, може би по-силни. Факт е, че от термодинамична гледна точка диамантът трябва да се превърне в графит, тъй като графитът е по-стабилен от диаманта. Но в химията има два важни фактора, които контролират процеса на трансформация: това са термодинамичната стабилност на фазите и кинетиката на процеса, тоест скоростта на трансформация на една фаза в друга. И така, диамантите лежат в музеите по света от векове и не искат да се превърнат в графит, въпреки че трябва. Може би след милиони години те все още ще се превърнат в графит, въпреки че би било жалко. Процесът на диамант до графит при стайна температура е много бавен, но ако загреете диаманта до висока температура, тогава кинетичната бариера ще бъде по-лесна за преодоляване и това определено ще се случи.

Графит в оригиналния си вид

Алла Аршинова: Фактът, че графитът може да бъде разделен на много тънки люспи, е известен отдавна. Какво тогава е постижението на нобеловите лауреати по физика за 2010 г.?

Владимир Федоров: Вероятно познавате такъв герой като Петрик. След връчването на Нобеловата награда на Андрей Гейм и Константин Новоселов той заяви, че Нобеловата награда е била открадната от него. В отговор Game каза, че наистина подобни материали са известни от много дълго време, но те са получили наградата за изучаване на свойствата на графена, а не за откриването на метод за получаването му като такъв. Всъщност тяхната заслуга е, че са успели да отцепят графенови слоеве с много добро качество от силно ориентиран графит и да проучат свойствата им в детайли. Качеството на графена е много важно, точно както в силициевата технология. Когато се научиха как да получават силиций с много висока степен на чистота, едва тогава електрониката, базирана на него, стана възможна. Същото важи и за графена. Гейм и Новоселов взеха много чист графит с перфектни слоеве, успяха да отцепят един слой и изследваха свойствата му. Те бяха първите, които доказаха, че този материал има набор от уникални свойства.

Алла Аршинова: Във връзка с присъждането на Нобелова награда на учени с руски корени, работещи в чужбина, нашите сънародници, които са далеч от науката, се чудят дали е възможно да се стигне до същите резултати тук, в Русия?

Владимир Федоров: Вероятно беше възможно. Те просто си тръгнаха в точния момент. Първата им статия, публикувана в Nature, е в съавторство с няколко учени от Черноголовка. Явно и нашите руски изследователи са работили в тази посока. Но не успя да го завърши убедително. Жалко. Може би една от причините са по-благоприятните условия за работа в чужди научни лаборатории. Наскоро пристигнах от Корея и мога да сравня условията на работа, които получих там, с работата у дома. Така че там не бях загрижен за нищо, а у дома - пълен с рутинни задължения, които отнемат много време и постоянно отвличат вниманието от основното. Осигуриха ми всичко необходимо и то с невероятна бързина. Например, ако ми трябва някакъв реактив, пиша бележка - и на следващия ден ми го носят. Подозирам, че нобеловите лауреати също имат много добри условия за работа. Е, имаха достатъчно постоянство: многократно се опитваха да получат добър материал и накрая постигнаха успех. Те наистина отделиха много време и усилия за това и наградата в този смисъл е заслужена.

Алла Аршинова: И какви точно са предимствата на графена спрямо силиция?

Владимир Федоров: Първо, вече казахме, че има висока мобилност на носителите, както казват физиците, носителите на заряд нямат маса. Масата винаги забавя движението. А в графена електроните се движат по такъв начин, че можем да смятаме, че нямат маса. Това свойство е уникално: ако има други материали и частици с подобни свойства, те са изключително редки. Графенът се оказа добър в това и в това се сравнява благоприятно със силиция.

Второ, графенът има висока топлопроводимост, което е много важно за електронните устройства. Той е много лек, а листът от графен е прозрачен и гъвкав и може да се навие на руло. Графенът може да бъде и много евтин, ако се разработят оптимални методи за неговото производство. В края на краищата "методът на скоча", който беше демонстриран от Game и Novoselov, не е индустриален. С този метод се получават проби с наистина високо качество, но в много малки количества, само за изследване.

И сега химиците разработват други начини за получаване на графен. В крайна сметка трябва да вземете големи листове, за да стартирате производството на графен. С тези въпроси се занимаваме и тук, в Института по неорганична химия. Ако графенът може да бъде синтезиран с помощта на методи, които биха позволили производството на висококачествен материал в индустриален мащаб, тогава има надежда, че той ще революционизира микроелектрониката.

Алла Аршинова: Както може би всички вече знаят от медиите, графенова многослойна структура може да се получи с помощта на молив и тиксо. И каква е технологията за получаване на графен, използвана в научните лаборатории?

Владимир Федоров: Има няколко метода. Един от тях е известен от много дълго време, той се основава на използването на графитен оксид. Принципът му е доста прост. Графитът се поставя в разтвор на силно окисляващи вещества (например сярна, азотна киселина и др.) И при нагряване започва да взаимодейства с окислители. В този случай графитът се разделя на няколко листа или дори на едноатомни слоеве. Но получените монослоеве не са графен, а са окислен графен, който има прикрепени кислородни, хидроксилни и карбоксилни групи. Сега основната задача е да възстановим тези слоеве до графен. Тъй като по време на окисляването се получават малки частици, те трябва по някакъв начин да бъдат залепени, за да се получи монолит. Усилията на химиците са насочени към разбиране как е възможно да се направи графенов лист от графитен оксид, чиято производствена технология е известна.

Има и друг метод, също доста традиционен и известен отдавна - това е химическо отлагане на пари с участието на газообразни съединения. Същността му е следната. Първо, реакционните вещества се сублимират в газова фаза, след което преминават през нагрят до високи температури субстрат, върху който се отлагат желаните слоеве. Когато се избере първоначалният реагент, например метан, той може да се разложи по такъв начин, че водородът да се отдели и въглеродът да остане върху субстрата. Но тези процеси са трудни за контролиране и е трудно да се получи идеален слой.

Графенът е една от алотропните модификации на въглерода

Има още един метод, който сега започва да се използва активно - методът на използване на интеркалирани съединения. В графита, както и в други слоести съединения, между слоевете могат да се поставят молекули на различни вещества, които се наричат ​​"молекули-гости". Графитът е матрицата "домакин", където доставяме "гости". Когато гостите се интеркалират в хост мрежата, естествено слоевете се разделят. Точно това е необходимо: процесът на интеркалиране разгражда графита. Интеркалираните съединения са много добри прекурсори за получаване на графен - просто трябва да извадите "гостите" от там и да предотвратите срутването на слоевете обратно в графит. В тази технология важна стъпка е процесът на получаване на колоидни дисперсии, които могат да бъдат превърнати в графенови материали. Ние подкрепяме този подход в нашия институт. Според нас това е най-напредналото направление, от което се очакват много добри резултати, тъй като изолираните слоеве могат да се получат най-лесно и ефективно от различни видове интеркалирани съединения.

Графенът е подобен по структура на пчелните пити. А напоследък стана много "сладка" тема

Има и друг начин, който се нарича пълен химичен синтез. Това се крие във факта, че необходимите "пчелни пити" са сглобени от прости органични молекули. Органичната химия има много развит синтетичен апарат, който позволява получаването на огромно разнообразие от молекули. Следователно методът на химичния синтез се опитва да получи графенови структури. Досега е било възможно да се създаде графенов лист, състоящ се от около двеста въглеродни атома.

Разработват се и други подходи за синтеза на графен. Въпреки многобройните проблеми, науката в тази посока върви успешно напред. Има голяма увереност, че съществуващите препятствия ще бъдат преодолени и графенът ще донесе нов крайъгълен камък в развитието на високите технологии.

Доктор по химия Татяна Зимина.

Нобеловата награда за физика за 2010 г. беше присъдена за изследване на графена, двуизмерен материал, който проявява необичайни и в същото време много полезни свойства. Неговото откритие обещава не само нови технологии, но и развитие на фундаменталната физика, което може да доведе до нови знания за структурата на материята. Тазгодишните носители на Нобелова награда по физика са Андре Гаме и Константин Новоселов, професори от университета в Манчестър (Великобритания), възпитаници на Московския физико-технологичен институт.

Въглеродните атоми в графена образуват двуизмерен кристал с шестоъгълни клетки.

Нобеловият лауреат по физика за 2010 г. Андре Гейм (роден през 1958 г.) е професор в университета в Манчестър (Великобритания). Завършва Московския физико-технически институт, защитава докторска дисертация в Института по физика на твърдото тяло (Черноголо

Нобеловият лауреат по физика за 2010 г. Константин Новоселов (роден през 1974 г.) е професор в университета в Манчестър (Великобритания) и възпитаник на Московския физико-технологичен институт. Работил в Института по проблеми на технологията на микроелектрониката и

Графенът е една от алотропните форми на въглерода. За първи път е получен чрез постепенно ексфолиране на тънки слоеве графит. Графенът, сгънат, образува нанотръба или фулерен.

Едно от възможните приложения на графена е създаването на негова основа на нова технология за дешифриране на химическата структура (секвениране) на ДНК. Учени от Института по нанонаука Kavli (Холандия), ръководени от професор Dekke

Графенът, материал с дебелина само един атом, е изграден от "решетка" от въглеродни атоми, подредени като пчелна пита в хексагонални (шестоъгълни) клетки. Това е друга алотропна форма на въглерод заедно с графит, диамант, нанотръби и фулерен. Материалът има отлична електропроводимост, добра топлопроводимост, висока якост и е почти напълно прозрачен.

Идеята за получаване на графен "лежи" в кристалната решетка на графита, която е слоеста структура, образувана от слабо свързани слоеве от въглеродни атоми. Това означава, че графитът всъщност може да бъде представен като набор от графенови слоеве (двуизмерни кристали), свързани помежду си.

Графитът е слоест материал. Именно това свойство са използвали нобеловите лауреати, за да получат графен, въпреки факта, че теорията прогнозира (и предишни експерименти потвърдиха), че двуизмерен въглероден материал не може да съществува при стайна температура - той ще се трансформира в други алотропни форми на въглерод, за например, сгъване в нанотръби или в сферични фулерени.

Международен екип от учени, ръководен от Андре Гейм, включващ изследователи от Университета в Манчестър (Великобритания) и Института за проблеми на микроелектронната технология и високочистите материали (Русия, Черноголовка), получи графен чрез просто ексфолиране на графитни слоеве. За да направите това, обикновената самозалепваща лента беше залепена върху графитния кристал и след това отстранена: върху лентата останаха най-тънките филми, сред които бяха еднослойни. (Как да не помните: „Всичко гениално е просто!“) По-късно с помощта на тази техника са получени и други двуизмерни материали, включително високотемпературният свръхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Сега този метод се нарича "микромеханично разделяне", той ви позволява да получите най-висококачествени образци от графен с размер до 100 микрона.

Друга страхотна идея на бъдещите Нобелови лауреати беше отлагането на графен върху субстрат от силициев оксид (SiO 2 ). Благодарение на тази процедура графенът стана възможен за наблюдение под микроскоп (от оптична до атомна сила) и за изследване.

Още първите експерименти с новия материал показаха, че в ръцете на учените не е просто друга форма на въглерод, а нов клас материали със свойства, които не винаги могат да бъдат описани от гледна точка на класическата теория на физиката на твърдото тяло.

Полученият двуизмерен материал, бидейки полупроводник, има проводимост, подобна на тази на един от най-добрите метални проводници – медта. Електроните му имат много голяма подвижност, което се свързва с особеностите на кристалната му структура. Очевидно това качество на графена, съчетано с нанометровата му дебелина, го прави кандидат за материал, който би могъл да замени в електрониката, включително бъдещите високоскоростни компютри, силиций, който не отговаря на настоящите изисквания. Изследователите смятат, че нов клас графенова наноелектроника с дебелина на базовия транзистор не повече от 10 nm (полев транзистор вече е получен върху графен) не е далеч.

Сега физиците работят върху по-нататъшното увеличаване на мобилността на електроните в графена. Изчисленията показват, че ограничаването на мобилността на носителите на заряд в него (и следователно на проводимостта) е свързано с наличието на заредени примеси в SiO 2 субстрата. Ако човек се научи как да получава "свободно висящи" графенови филми, тогава подвижността на електроните може да се увеличи с два порядъка - до 2×10 6 cm 2 /V. с. Такива експерименти вече се провеждат и то доста успешно. Вярно е, че идеалният двуизмерен филм в свободно състояние е нестабилен, но ако се деформира в пространството (т.е. не е идеално плосък, а например вълнообразен), тогава за него е осигурена стабилност. Такъв филм може да се използва например за направата на наноелектромеханична система - високочувствителен газов сензор, способен да реагира дори на една молекула, която се появява на повърхността му.

Други възможни приложения на графена: в електродите на суперкондензатори, в слънчеви клетки, за създаване на различни композитни материали, включително свръхлеки и високоякостни (за авиация, космически кораби и др.), със зададена проводимост. Последните могат да бъдат изключително различни. Синтезиран е например материалът графан, който за разлика от графена е изолатор (виж "Наука и живот" бр.). Получава се чрез свързване на водороден атом към всеки въглероден атом на изходния материал. Важно е, че всички свойства на изходния материал - графен - могат да бъдат възстановени чрез просто нагряване (отгряване) на графан. В същото време графенът, добавен към пластмасата (изолатор), я превръща в проводник.

Почти пълната прозрачност на графена предполага използването му в сензорни екрани, а ако си спомним неговата „свръхтънкост“, тогава перспективите за използването му за бъдещи гъвкави компютри (които могат да се навиват като вестник), гривни за часовници, панели с мека светлина са разбираемо.

Но всяко приложение на материала изисква промишленото му производство, за което методът на микромеханично разделяне, използван в лабораторните изследвания, не е подходящ. Ето защо в момента в света се разработват огромен брой други начини за получаването му. Вече са предложени химически методи за получаване на графен от графитни микрокристали. Един от тях например произвежда графен, вграден в полимерна матрица. Отлагането на пари, растежът при високо налягане и температура върху субстрати от силициев карбид също са описани. В последния случай, който е най-подходящ за промишлено производство, филм със свойствата на графен се образува чрез термично разлагане на повърхностния слой на субстрата.

Стойността на новия материал за развитието на физическите изследвания е фантастично голяма. Както посочват Сергей Морозов (Институт за проблеми на микроелектронната технология и високочистите материали на Руската академия на науките), Андре Гейм и Константин Новоселов в статията си, публикувана през 2008 г. в списание Uspekhi fizicheskikh nauk, „всъщност графенът открива нова научна парадигма - „релативистична“ физика на твърдо тяло, в която квантовите релативистични явления (някои от които не са осъществими дори във физиката на високите енергии) вече могат да бъдат изследвани в обикновени лабораторни условия ... За първи път в твърдо тяло -държавен експеримент, могат да се изследват всички нюанси и разнообразие на квантовата електродинамика. Тоест, ние говорим за факта, че много явления, чието изследване изисква изграждането на огромни ускорители на частици, сега могат да бъдат изследвани с много по-прост инструмент - най-тънкият материал в света.

Експертен коментар

Мислехме за полеви транзистор...

Редакторите помолиха своя колега и съавтор да коментира резултатите от работата на Нобеловите лауреати Андре Гейм и Константин Новоселов. Сергей Морозов, ръководител на лабораторията на Института по проблеми на технологията на микроелектрониката и високочистите материали на Руската академия на науките (Черноголовка), отговаря на въпроси на Татяна Зимина, кореспондент на Science and Life.

Как се роди идеята да се получи двуизмерен въглероден материал? Във връзка с какво? Очаквахте ли някакви необичайни свойства от тази форма на въглерод?

Първоначално нямахме цел да получим двуизмерен материал от полуметал, опитахме се да направим транзистор с полеви ефекти. Металите, дори с дебелина от един атом, не са подходящи за това - те имат твърде много свободни електрони. Първо, получихме изброим брой атомни равнини от графитен кристал, след това започнахме да правим все по-тънки и по-тънки плочи, докато получихме едноатомен слой, тоест графен.

Графенът се разглежда от теоретиците дълго време, от средата на 20 век. Те също въведоха самото име на двуизмерния въглероден материал. Графенът беше, че теоретиците (много преди експерименталното му производство) станаха отправна точка за изчисляване на свойствата на други форми на въглерод - графит, нанотръби, фулерени. Тя е и най-добре описана теоретично. Разбира се, теоретиците просто не са взели предвид каквито и да било ефекти, открити сега експериментално. Електроните в графена се държат като релативистични частици. Но никой преди това не се е сещал да проучи как би изглеждал ефектът на Хол в случай на релативистични частици. Открихме нов тип квантов ефект на Хол, който беше едно от първите поразителни потвърждения за уникалността на електронната подсистема в графена. Същото може да се каже и за парадокса на Клайн, присъщ на графена, известен от физиката на високите енергии. В традиционните полупроводници или метали електроните могат да преминават през потенциални бариери, но с вероятност много по-малка от единица. В графена електроните (като релативистичните частици) проникват без отражение дори през безкрайно високи потенциални бариери.

Защо се смяташе, че двуизмерен въглероден материал (графен) би бил нестабилен при стайна температура? И тогава как го получихте?

Ранната работа на теоретиците, която показва нестабилността на двуизмерните материали, се отнася до безкрайна идеална двуизмерна система. По-късна работа показа, че в двумерна система все още може да съществува далечен ред (което е присъщо на кристалните тела. - Ред.) при крайна температура (стайната температура за кристал е доста ниска температура). Истинският графен в суспензия обаче явно не е идеално плосък, а е леко вълнист - височината на издиганията в него е от порядъка на нанометър. В електронен микроскоп тези "вълни" не се виждат, но има други потвърждения за тях.

Графенът е полупроводник, ако разбирам правилно. Но тук-там срещам определението - полуметал. Към кой клас материали принадлежи?

Полупроводниците имат забранена зона с определена ширина. Графенът има нула. Така че може да се нарече полупроводник с нулева забранена лента или полуметал с припокриваща се нулева лента. Тоест, той заема междинна позиция между полупроводници и полуметали.

На места в популярната литература се споменават и други двуизмерни материали. Вашата група пробвала ли е някое от тези?

Буквално година след получаването на графен получихме двуизмерни материали от други слоести кристали. Това са например борен нитрид, някои дихалкогениди, високотемпературен свръхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Те не повтаряха свойствата на графена - някои от тях бяха като цяло диелектрици, други имаха много ниска проводимост. Много изследователски групи в света се занимават с изследване на двуизмерни материали. Сега използваме борен нитрид като субстрат за графенови структури. Оказа се, че това радикално подобрява свойствата на графена. Освен това, ако говорим за използването на графен за създаване на композитни материали, борният нитрид е един от основните му конкуренти тук.

- Кои са най-обещаващите методи за производство на графен?

Според мен сега има два такива основни метода. Първият е растежът на повърхността на филми от някои редкоземни метали, както и мед и никел. След това графенът трябва да се пренесе върху други субстрати и това вече е научено да се прави. Тази технология преминава в етап на комерсиално развитие.

Друг метод е отглеждането на силициев карбид. Но би било хубаво да научите как да отглеждате графен върху силиций, върху който е изградена цялата съвременна електроника. Тогава развитието на устройствата с графен щеше да върви с големи скокове, тъй като електрониката с графен естествено би разширила функционалността на традиционната микроелектроника.