Nobelova cena za objev agrafenu. Jak „odpadoví fyzici“ z Ruska dostali Nobelovu cenu

Ve Stockholmu byla vyhlášena jména laureátů Nobelovy ceny za fyziku za rok 2010. Byli to profesor Andrei Geim a profesor Konstantin Novoselov. Oba laureáti působící na Britské univerzitě v Manchesteru pocházejí z Ruska. 52letý Andrey Geim je občanem Nizozemska a 36letý Konstantin Novoselov má ruské a britské občanství.

Nejprestižnější světovou vědeckou cenu v letošním roce v hodnotě asi 1,5 milionu dolarů získali vědci za objev grafenu, ultratenkého a extrémně odolného materiálu, což je uhlíkový film o tloušťce jednoho atomu.

Vědecký redaktor časopisu Around the World, Alexander Sergeev, hovoří na Radio Liberty o obtížích, které vznikly při objevu grafenu a jaké je praktické použití tohoto materiálu:

Pozoruhodný je samotný fakt, že vědci získali grafen. Teoreticky byl grafen předpovězen půl století před jeho syntézou. Ve škole všichni studovali strukturu grafitu - to je obyčejná tužka. Atom uhlíku tvoří tenké vrstvy, které se opakovaně vrství na sebe. Každá vrstva se skládá z šestiúhelníkových buněk, které do sebe zapadají jako plástev.

Problém byl v oddělení jedné vrstvy od vrstev nahoře a dole. Pro jednu vrstvu tohoto dvourozměrného krystalu, nazývaného proto, že nemá žádný třetí rozměr, byla předpovězena řada různých zajímavých fyzikálních vlastností. Bylo provedeno mnoho experimentů. Ale nebylo možné oddělit jednu vrstvu od všech ostatních se stabilním výsledkem.

Andrey Geim a Konstantin Novoselov přišli na způsob, jak mohli tuto vrstvu vybrat a později se ujistit, že to byla opravdu jedna. Vědci pak mohli změřit jeho fyzikální vlastnosti a ověřit, že teoretické předpovědi byly víceméně správné. Tento experiment je velmi jednoduchý: vědci vzali obyčejnou tužku, kousek grafitu. Pomocí lepicí pásky z něj odstranili vrstvu grafitu a následně ji začali odlepovat. Když zůstaly 1-2 vrstvy, grafit byl přenesen na křemíkový substrát.

Proč všechny předchozí experimenty selhaly? Protože (a to bylo teoreticky předpovězeno) grafenový film, dvourozměrný uhlíkový krystal, je nestabilní vůči torzi. Jakmile je ve volném stavu, okamžitě se začne mačkat. Objevil se dokonce názor, že je nemožné izolovat grafen. Práce vědců byla provedena v roce 2004 a v roce 2009 byl již získán kus grafenu. Tedy téměř centimetr velký plát grafenu. A teď se bavíme o desítkách centimetrů.

- Proč je tento grafen vůbec potřeba?

Veškerá elektronika se nyní ubírá směrem zmenšování prvků - tranzistorů, elektrod atd. Čím menší prvky uvnitř procesoru, tím více prvků do něj lze umístit a tím výkonnější procesor lze sestavit. V důsledku toho bude provádět složitější logické operace. Co může být tenčí než jedna atomová vrstva? Grafen má tu vlastnost, že je tenký.

Navíc vede elektrický proud. A - téměř průhledné. Zároveň je poměrně pevný: je to jeden z nejpevnějších materiálů na atomovou vrstvu. Prakticky nepropouští žádné další látky. Ani plynné helium nedokáže proniknout grafenem, takže jde o zcela spolehlivý povlak. Lze jej použít například v dotykových obrazovkách, protože průhledná elektroda nebude zakrývat obraz. Můžete to zkusit použít v elektronice. Nyní se snaží vyvinout tranzistory na bázi grafenů. Pravda, jsou zde potíže. Grafen má anomální vlastnosti, které poněkud znesnadňují jeho použití v tranzistorech. Ale poté, co jsme se naučili, jak získat atomové vrstvy, jsou to pravděpodobně již překonatelné překážky. Jedná se o zásadně nový materiál. Nikdy předtím nic podobného nebylo. Nejtenčí monovrstva vodiče, kterou lze použít v technice a elektronice.

Noví laureáti Nobelovy ceny mají poměrně složitou biografii. Jeden z nich je občanem Nizozemska, druhý má dva pasy: britský a ruský. Pracovali, pokud víme, ve výzkumném středisku v Manchesteru v Anglii. Stává se věda mezinárodní, nebo je smutným údělem ruských vědců dělat velké objevy, pouze pokud cestují do zahraničí?

Abyste se mohli zapojit do seriózní vědecké práce, potřebujete nejen materiální a technickou základnu, ale také jednoduše klid. Vědec by se neměl nechat zmást žádnými otázkami. Andrey Geim obdržel před 10 lety Ig Nobelovu cenu za experimenty s magnetickou levitací žab. Ig Nobelova cena je komická anticena za nesmyslnou práci. Vědec potřebuje ve své činnosti určitou volnost. Pak se rodí nápady. Dnes jsem levitoval žáby a zítra dostanu grafeny.

Pokud má člověk takové podmínky, pak pracuje efektivněji. Ostatně oba současní laureáti Nobelovy ceny za fyziku studovali na MIPT (Moskva Institute of Physics and Technology - RS). A velmi brzy odjeli do Holandska, do Spojeného království, protože tamní pracovní atmosféra je příznivější pro hledání vědeckých prostředků nezbytných k provádění výzkumu. Páskou strhávali uhlíkové filmy, ale bylo nutné je změřit mikroskopem atomárních sil. Takže tam musel být tento mikroskop. V Rusku samozřejmě existují, ale jsou mnohem hůře dostupné.

Pokud řeknu, že Rusko má dobré základní vzdělání, které mu umožňuje produkovat laureáty Nobelovy ceny, ale zároveň neexistuje seriózní vědecká high-tech základna pro experimenty, bude to pravda?

Jako u každého zobecnění, i zde existuje určitý úsek. Naše školství už není tak dobré a plynulé, protože na mnoha místech se ničí vědecké školy. Velký zlom v práci v 90. letech se projevil. V Rusku je několik škol, kde všechno stále jde velmi dobře, ale jsou zde problémy s vybavením a prováděním seriózního a drahého výzkumu. Toto zařízení někde končí: čas od času se uskuteční docela vážné nákupy, například do Kurchatovova institutu. Ale jak efektivně se to používá, je velká otázka. Proto na některých místech existuje silná vědecká škola a na jiných - finanční prostředky na technologii. Vyměňovat si je mezi sebou z důvodů prestiže a byrokracie je poměrně obtížné. V Rusku je také možný špičkový výzkum, ale jeho provádění je mnohem obtížnější – je zde obtížnější pracovní prostředí.

Vědecký výzkum je mnohostranný. Existují však určité oblasti, které Nobelova komise definuje jako průlomové? Za co je snazší získat Nobelovu cenu? Nebo takové pokyny neexistují?

Podíval jsem se na seznam laureátů Nobelovy ceny za fyziku za posledních 20 let. Neexistuje žádný jasný trend. V oblasti fyziky elementárních částic a fundamentálních fyzikálních interakcí je pravděpodobně poměrně dost ocenění. To je pochopitelné – dělají tam docela zajímavou práci. Zde ale musíme vzít v úvahu důležitý bod. Často se říká, že k získání Nobelovy ceny nestačí udělat průlomovou práci. Musíme ještě žít do doby, kdy bude oceněna. Proto se Nobelova cena obvykle uděluje lidem velmi pokročilého věku. Z tohoto pohledu je letošní Nobelova cena za fyziku výjimkou z pravidla. Novoselovovi je nyní 36 let. Za posledních 20 let takový případ mezi cenami za fyziku nebyl a podle mého názoru se vůbec nikdy nestal! Za posledních 8 let nedostal Nobelovu cenu žádný vědec mladší 50 let a mnozí ji dostali ve svých 70 nebo dokonce 80 letech za práci vykonanou před desítkami let.

Současná Nobelova cena byla udělena v rozporu s pravidly. Možná měl Nobelov výbor pocit, že cena se stává gerontologickou a že věk pro její obdržení by měl být snížen. Naposledy byla cena za fyziku udělena v „mladém“ věku v roce 2001. Laureátům bylo mezi 40 a 50 lety.

Nyní se zjevně zaměřil na skutečnou experimentální práci. I když tedy Nobelova cena nezahrnuje astronomii, za posledních 10 let byly v astrofyzice uděleny dvě velmi důležité ceny. Ceny byly ve fyzice vysokých energií a ve fyzice elementárních částic, ve fyzice pevných látek, ve fyzice kondenzovaných látek - tedy pevných, kapalných a dalších skupenství, ve kterých jsou atomy blízko sebe. Téměř všechny tyto práce souvisejí tak či onak s kvantovou fyzikou.

- Proč zrovna kvantová teorie? Souvisí to s nějakými osobními preferencemi členů Nobelova výboru? Nebo je to opravdu blízká vědecká budoucnost?

Důvod je velmi jednoduchý. Ve skutečnosti je dnes veškerá fyzika, kromě teorie gravitace, kvantová. Téměř všechno nové, co se v oblasti fyziky dělá, s výjimkou určitých vedlejších směrů, vylepšení a průlomů, které byly v minulosti, je založeno na kvantové fyzice. Pouze gravitace tomuto „kvantování“ ještě nepodlehla. A vše ostatní, co se týká základů fyziky, je kvantová teorie a kvantová teorie hmoty.

kdo to je? Novoselov Konstantin Sergejevič!

Životopis

Slavný vědec se narodil ve městě Nižnij Tagil ve Sverdlovské oblasti 23. srpna 1974 v rodině inženýra a učitele angličtiny na škole č. 39, jejímž zakladatelem a ředitelem byl kdysi jeho dědeček Viktor Konstantinovič Novoselov.

Zatímco v šesté třídě Konstantin odhalí mimořádné schopnosti a zaujímá první místo v krajské fyzikální olympiádě, o něco později na celosvazové olympiádě svůj úspěch zopakuje a dostane se do první desítky. V roce 1991 absolvoval doplňkovou korespondenční školu fyziky a technologie a ve stejném roce se stal studentem Moskevského institutu fyziky a technologie. Studuje obor „nanotechnologie“ na Fakultě fyzikální a kvantové elektroniky, absolvuje s vyznamenáním na ústavu, poté je přijat do Ústavu problémů technologie mikroelektroniky Ruské akademie věd (Ústav pro problémy mikroelektroniky Technologie Ruské akademie věd) v Černogolovce. Tam absolvoval postgraduální studium pod vedením Jurije Dubrovského.

Do zahraničí

V roce 1999 se Konstantin Sergeevich Novoselov, fyzik s již zavedenou pověstí, přestěhoval do Nizozemska. Tam, na univerzitě v Nijmegenu, spolupracuje s Andrei Geim. Od roku 2001 vědci spolupracují na univerzitě v Manchesteru. V roce 2004 získal titul doktora filozofie (školitel Jan-Kees Maan).

V současné době je Konstantin Sergeevich Novoselov profesorem Královské společnosti a profesorem fyzikálních a matematických věd na univerzitě v Manchesteru a má dvojí občanství (Rusko a Velká Británie). V současné době žije v Manchesteru.

Výzkum

Čím se proslavil Konstantin Sergejevič Novoselov? Podle analytické agentury Thomson Reuters je rusko-britský fyzik jedním z nejčastěji citovaných vědců. Z jeho pera pocházelo 190 vědeckých článků. Jeho nejvýznamnějším výzkumem je však samozřejmě grafen. Mnozí slyšeli toto slovo, které se zdá jednoduché a známé. Technologie je skutečně lakonická a elegantní, jako všechno důmyslné. Další studium může lidstvo zavést do éry ultrarychlých a ultratenkých mobilních a počítačových zařízení, elektromobilů a odolných, ale velmi lehkých konstrukcí.

Ocenění

Když Konstantin Sergejevič Novoselov začal pracovat na univerzitě v Manchesteru, stal se jeho vedoucím jeho starší kolega z Ruska, který se v té době již dlouho zabýval výzkumem v této oblasti a podařilo se mu napodobit mechanismus adheze gekonových tlapek. a na jejím základě vytvořil lepicí pásku, kterou později fyzici použili při práci s grafenem. Předtím Geimovi pomáhal jistý čínský student, ale podle samotného fyzika se práce začaly rozvíjet až poté, co se Konstantin Sergejevič Novoselov pustil do podnikání. V říjnu 2010 jim byla udělena Nobelova cena. Novoselov je nyní znám jako nejmladší laureát Nobelovy ceny za fyziku (za posledních 37 let), navíc je v současnosti jediným vědcem mezi nositeli Nobelovy ceny narozeným po roce 1970.

V témže roce 2010 získal Novoselov za významný přínos pro vědu v Nizozemsku titul komtur Řádu nizozemského lva a o něco později, v roce 2011, jej dekret královny Alžběty II. učinil rytířským mládencem, již za jeho přínos vědě ve Velké Británii. Rytířský ceremoniál se konal o něco později, na jaře 2012, podle očekávání v Buckinghamském paláci. Vedla ji královnina dcera princezna Anne.

Je třeba říci, že Konstantin Sergejevič Novoselov, jehož vědecké a společenské aktivity jsou velmi rozsáhlé, získal další prestižní ocenění za výzkum grafenu a stal se v roce 2008 laureátem Europhysics Prize. Uděluje se každé dva roky, mezi nositeli Nobelovy ceny bylo pouze třináct. Cena se skládá z peněžní odměny a odpovídajícího certifikátu. Dostal také cenu Kurti, ale ne za grafen, ale za seznam úspěchů v práci s nízkými teplotami a magnetickými poli.

O rodině a životě

Konstantin Novoselov je šťastně ženatý se svou manželkou Irinou. Přestože je také Ruska, vědci se setkali v zahraničí, v Nizozemsku. Irina, původem z Vologdy, se zabývá výzkumem v oblasti mikrobiologie (disertační práci obhájila v Petrohradě). Pár má dvě dcery, dvojčata Sophii a Viku, narozené v roce 2009.

Konstantin Sergejevič podle svých vlastních slov není ten typ otce, který celé týdny sedí v laboratoři a přichází o dětství svých vlastních dětí. Vynalézt nejmenší tranzistor na světě a naučit dceru počítat do sedmadvaceti je pro něj něco, co je na úrovni. "Nikdo to ještě nikdy neudělal," říká.

Jeho rodiče se zase nikdy nesnažili omezovat zájmy svého syna. Vždy si byli jisti, že jejich syn je velmi nadaný, a jak říká sám fyzik, nestačili se divit, když dostal Nobelovu cenu.

V rozhovoru pro magazín Esquire přiznal, že sní o tom, že se naučí hrát na klavír. Studuje, ale podle jeho vlastního přiznání jsou výsledky stále průměrné.

O SSSR

Konstantin Sergejevič se narodil v SSSR a získal vynikající vzdělání. Sám přiznává, že tak hluboké znalosti lze získat málokde. Návrat do Ruska ale neplánuje. Možná právě proto mu někteří novináři mimovolně vyčítají nedostatek vlastenectví. Na to vědec odpovídá, že nejde o peníze, ale v Británii je klidnější pracovat, protože se vám nikdo neplete do vašich záležitostí.

Novoselov bere život na lehkou váhu a nezdržuje se neúspěchy – to je jedno z jeho základních pravidel. Pokud nastanou potíže ve vztazích s lidmi, snaží se nevést k rozchodu, ale pokud je to nevyhnutelné, nechává poslední slovo na druhém. Slavný fyzik má v životě mnoho obvyklých problémů, byl by například ochoten utratit jakékoli peníze, jen aby získal trochu volného času.

Svůj život však nerozděluje na práci a odpočinek; možná je to klíč k vědcově produktivitě. Doma přemýšlí o fyzice a v práci zkrátka relaxuje na duši.

Co je grafen

Navzdory všem úspěchům v oblasti fyziky byl Novoselovovou hlavní prací a stále zůstává grafen. Tato struktura, kterou naši krajané získali jako první v laboratorních podmínkách, je dvourozměrná „síť“ atomů uhlíku o tloušťce pouhého jednoho atomu. Sám Novoselov tvrdí, že technologie není složitá a vytvořit grafen může každý, téměř z improvizovaných prostředků. Říká, že vše, co musíte udělat, je koupit dobrý grafit, i když můžete použít i tužky, a trochu utratit za křemíkové destičky a pásku. To je vše, sada pro tvorbu grafenu je připravena! Materiál se tak nestane majetkem výhradně velkých korporací, Novoselov a Game ho doslova rozdali celému světu.

Úžasné vlastnosti

Fyzik je také překvapen elektronickými vlastnostmi tohoto materiálu. Podle něj lze grafen použít v tranzistorech, o což se již snaží některé firmy, které nahrazují konvenční díly v mobilních zařízeních.

Podle Novoselova způsobí grafen revoluci v technologii. Nedílnou součástí každého sci-fi filmu jsou neuvěřitelné vychytávky, průhledné, tenké, nerozbitné a se skvělou funkčností. Pokud grafen postupně nahradí zastaralý křemík, objeví se v životě technologie z kinematografie.

Co je ještě pozoruhodného na výzkumu Novoselova a Geima? Skutečnost, že téměř okamžitě migrovaly z laboratoří na montážní linky a ještě více, se ukázala jako velmi užitečná již v prvních letech.

Budoucí technologie

Kde se grafen používá nyní? Zdálo by se, že takto nedávno objevený materiál se ještě nemůže široce šířit a do jisté míry je to pravda. Téměř veškerý vývoj je stále experimentální povahy a nebyl uvolněn do sériové výroby. Nyní se však snaží tento materiál používat doslova ve všech oblastech, které lze snad nazvat skutečnou „grafenovou horečkou“.

Samotný grafen je i přes svou nízkou hmotnost a téměř úplnou průhlednost (absorbuje 2 % procházejícího světla, úplně stejně jako běžné okenní sklo) velmi odolný. Nedávné studie amerických vědců ukázaly, že grafen se dobře mísí s plastem. Výsledkem je superpevný materiál, který lze použít ve všem, od nábytku a mobilních telefonů až po raketovou vědu.

Z grafenu již byly vytvořeny prototypy baterií pro elektromobily. Vyznačují se vysokou kapacitou a krátkou dobou nabíjení. Snad se tak vyřeší problém s elektromobily a doprava bude levná a ekologická.

Grafen se používá při vývoji nových dotykových panelů pro telefony. Pokud klasické senzory mohou pracovat pouze na rovném povrchu, pak grafen tuto nevýhodu nemá, protože jej lze jakkoli ohýbat. Navíc vysoká elektrická vodivost způsobí, že odezva bude minimální.

V letectví

Těla raket a letadel vyrobená z grafenu budou několikanásobně lehčí, což výrazně sníží náklady na palivo. Letenky zlevní natolik, že si výlet na druhou stranu země bude moci dovolit každý. To se ale kromě osobní dopravy samozřejmě dotkne i nákladní dopravy. Zásobování odlehlých koutů planety se mnohem zlepší, což znamená, že tam bude žít a pracovat více lidí.

MOSKVA, 5. října – RIA Novosti. Nobelova cena za fyziku za rok 2010 se stala svátkem pro dvě země najednou, pro vlast laureátů – Rusko, a pro jejich současný domov – Británii. Švédští akademici udělili nejvyšší vědecké ocenění Andrei Geimovi a Konstantinu Novoselovovi za objev dvourozměrné formy uhlíku - grafenu, což způsobilo, že ruští vědci naříkali nad odlivem mozků a britští doufali v zachování financování vědy.

"Je škoda, že Geim a Novoselov objevili své objevy v zahraničí," řekl RIA Novosti vedoucí katedry fyziky polymerů a krystalů Moskevské státní univerzity, akademik Ruské akademie věd Alexej Chochlov.

"Vláda by se měla poučit z rozhodnutí Nobelova výboru," řekl profesor Martin Rees, prezident Královské společnosti, v komentáři k udělení Nobelovy ceny za fyziku. Připomněl, že mnoho vědců, včetně zahraničních, kteří pracují v Británii, může jednoduše odejít do jiných zemí, pokud dojde k omezení financování.

Britská vláda představí plány na zásadní škrty ve vládních výdajích 20. října. Očekává se, že věda a vysoké školství budou jednou z oblastí nejvíce postižených škrty.

Absolventi MIPT Geim a Novoselov, pracující v Manchesteru, obdrželi cenu „za inovativní experimenty ve studiu dvourozměrného materiálu grafenu“. Rozdělí si mezi sebou 10 milionů švédských korun (asi jeden milion eur). Slavnostní předávání cen se uskuteční ve Stockholmu 10. prosince, v den úmrtí jeho zakladatele Alfreda Nobela.

Grafen se stal prvním dvourozměrným materiálem v historii, skládajícím se z jediné vrstvy atomů uhlíku propojených strukturou chemických vazeb, připomínajících svou geometrií strukturu plástve. Dlouho se věřilo, že taková struktura není možná.

"Věřilo se, že takové dvourozměrné jednovrstvé krystaly nemohou existovat. Musí ztratit stabilitu a proměnit se v něco jiného, ​​protože tohle je vlastně rovina bez tloušťky," bývalý šéf laureátů, ředitel Institutu pro problémy z mikroelektronické technologie a vysoce čistých materiálů Ruské akademie věd (IPTM) řekl RIA Novosti Vjačeslav Tulin.

Jak se však ukazuje, „nemožný“ materiál má jedinečné fyzikální a chemické vlastnosti, díky kterým je nepostradatelný v různých oblastech. Grafen vede elektřinu stejně jako měď; lze z něj vytvořit dotykové obrazovky, solární články a flexibilní elektronická zařízení.

"Toto je budoucí revoluce v mikroelektronice. Pokud jsou nyní počítače gigahertzové, pak budou terahertzové a tak dále. Tranzistory a všechny ostatní prvky elektronických obvodů budou vytvořeny na bázi grafenu," Alexey Fomichev, profesor na MIPT. oddělení kvantové elektroniky, řekl RIA Novosti.

Grafen již našel jednu oblast použití: solární fotovoltaické články. "Dříve se při výrobě solárních článků používaly jako průhledná elektroda oxidy india dopované cínem. Ukázalo se však, že několik vrstev grafenu je mnohem účinnějších," řekl Alexander Vul, vedoucí laboratoře fyziky klastrových struktur. na Petrohradském Ioffeově fyzikálně-technickém institutu Ruské akademie věd.

Nejprve z fyziky a techniky

Andrej Geim a Konstantin Novoselov jsou prvními absolventy Moskevského institutu fyziky a technologie, kteří obdrželi Nobelovu cenu: předtím zakladatelé a zaměstnanci MIPT - Pjotr ​​Kapitsa, Nikolaj Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prochorov, Nikolaj Basov , Vitalij Ginzburg a Alexej Abrikosov. Geim promoval na Fakultě obecné a aplikované fyziky (GPPF) v roce 1982, Novoselov na Fakultě fyzikální a kvantové elektroniky (FFQE) v roce 1997. Oba absolventi obdrželi diplomy s vyznamenáním.

"To je super zpráva. Jsme velmi potěšeni rozhodnutím Nobelovy komise. MIPT již poslal blahopřání novým laureátům Nobelovy ceny," řekl v úterý agentuře RIA Novosti rektor MIPT Nikolaj Kudrjavcev.

Podle rektora zaměstnanci „vytáhli své osobní složky z archivu a ujistili se, že se jedná o vynikající studenty“. Zároveň Andrei Geim nevstoupil do ústavu poprvé, rok pracoval v továrně, ale „prokázal vytrvalost“ a stal se studentem na MIPT.

"Za celou dobu svého studia na FOPF získal Geim od učitelů nejvyšší hodnocení. A absolventská práce Geima byla absolventskou komisí hodnocena výjimečně," uvedl vedoucí MIPT.

Student 152. skupiny Fakulty fyzikální a kvantové elektroniky Konstantin Novoselov, jak poznamenal Kudryavtsev, „navštěvoval hodiny nepravidelně, ale úspěšně a včas prošel všemi úkoly“.

"A hodnocení učitelů Novoselova je také nejvyšší. To znamená, že byl tak talentovaný, že obecně nemusel navštěvovat všechny hodiny," komentoval archivní dokumenty rektor MIPT.

Od Shnobela k Nobelovi

Herní kolega, Konstantin Novoselov, se stal nejmladším laureátem Nobelovy ceny s ruským občanstvím: 36letý fyzik je o šest let mladší než jeho sovětský kolega Nikolaj Basov, který ve svých 42 letech obdržel cenu 1964 za práci v oblasti kvantové elektroniky, která vedla k vytvoření emitorů a zesilovačů na principu laser-maser .

Nejmladším nositelem Nobelovy ceny v historii byl Lawrence Bragg, který se ve věku 25 let o cenu za fyziku dělil se svým otcem Williamem Henrym Braggem. Na dalších čtyřech příčkách na seznamu nejmladších laureátů v historii jsou také fyzici: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson a Paul Dirac dostali cenu v 31 letech.

Konstantin Novoselov se však do historie ocenění zapíše jako první představitel generace narozené v 70. letech. Podle webu ceny jsou na seznamu laureátů předchozí dekády fyzik Eric Cornell, biologové Carol Greider a Craig Mello a také americký prezident Barack Obama, který obdržel Nobelovu cenu za mír. Na seznamu laureátů není nikdo mladší než 1961, kromě Novoselova.

Od redaktora: dotýkajíce se tématu modernizace ruské ekonomiky a rozvoje špičkových technologií u nás, klademe si za úkol nejen upozornit čtenáře na nedostatky, ale také hovořit o pozitivních příkladech. Navíc takových je a není jich málo. Minulý týden jsme hovořili o vývoji palivových článků v Rusku a dnes budeme mluvit o grafenu, za jehož studium vlastností „naši bývalí lidé“ nedávno dostali Nobelovu cenu. Ukazuje se, že v Rusku, přesněji v Novosibirsku, na tomto materiálu pracují velmi vážně.

Křemík jako základ mikroelektroniky si pevně vydobyl pozici v high-tech prostoru a nestalo se tak náhodou. Za prvé, je relativně snadné dodat křemíku požadované vlastnosti. Zadruhé, věda ji zná již dlouhou dobu a je studována široko daleko. Třetím důvodem je, že do křemíkové technologie byly investovány skutečně obrovské peníze a na nový materiál si nyní troufne vsadit jen málokdo. To bude koneckonců vyžadovat přestavbu obrovského průmyslového sektoru. Nebo spíše postavit ji téměř od nuly.

Existují však i další uchazeči o vedení jako polovodičový materiál. Například grafen, který se stal velmi módní po udělení Nobelovy ceny za studium jeho vlastností. Existují skutečně důvody, proč na něj přejít z křemíku, protože grafen má řadu významných výhod. Zda se ale nakonec dočkáme „elektroniky na grafenu“, zatím není jasné, protože spolu s výhodami existují i ​​nevýhody.

Abychom si promluvili o perspektivách grafenu v mikroelektronice a jeho jedinečných vlastnostech, setkali jsme se v Novosibirsku s hlavním výzkumným pracovníkem Ústavu anorganické chemie pojmenovaným po něm. A.V. Nikolaev SB RAS, doktor chemických věd, profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimíre Efimoviči, jaké je současné postavení křemíku v mikroelektronice?

Vladimír Fedorov: Křemík se v průmyslu používá velmi dlouho jako hlavní polovodičový materiál. Faktem je, že se snadno dopuje, to znamená, že se do něj mohou přidávat atomy různých prvků, které specificky mění fyzikální a chemické vlastnosti. Tato modifikace vysoce čistého křemíku umožňuje získat polovodičové materiály typu n nebo p. Směrové dopování křemíku tedy reguluje funkční vlastnosti materiálů, které jsou důležité pro mikroelektroniku.

Křemík je skutečně jedinečný materiál, a to je důvod, proč do něj bylo investováno tolik úsilí, peněz a intelektuálních zdrojů. Základní vlastnosti křemíku byly studovány tak podrobně, že panuje rozšířený názor, že za něj prostě nemůže existovat náhrada. Nedávný výzkum grafenu však dal zelenou jinému názoru, a sice, že nové materiály by mohly být vyvinuty do té míry, že by mohly nahradit křemík.

Krystalová struktura křemíku

Takové diskuse se ve vědě objevují pravidelně a zpravidla se řeší až po seriózním výzkumu. Například nedávno byla podobná situace u vysokoteplotních supravodičů. V roce 1986 Bednorz a Müller objevili supravodivost v oxidu barya-lanthanu-měďnatém (za tento objev jim byla v roce 1987 - rok po objevu udělena Nobelova cena!), která byla zjištěna při teplotách výrazně vyšších, než byly hodnoty ​​charakteristika dříve známé doby supravodivých materiálů. Struktura kuprátových supravodivých sloučenin se navíc výrazně lišila od nízkoteplotních supravodičů. Poté lavina studií souvisejících systémů vedla k výrobě materiálů s teplotou supravodivého přechodu 90 K a vyšší. To znamenalo, že místo drahého a vrtošivého kapalného helia mohl být jako chladivo použit kapalný dusík - v plynné formě je ho v přírodě hodně a navíc je výrazně levnější než helium.

Tato euforie však bohužel brzy vyprchala po pečlivém výzkumu nových vysokoteplotních supravodičů. Tyto polykrystalické materiály, stejně jako jiné komplexní oxidy, jsou jako keramika: jsou křehké a neduktilní. Ukázalo se, že uvnitř každého krystalu má supravodivost dobré parametry, ale u kompaktních vzorků jsou kritické proudy poměrně nízké, což je způsobeno slabými kontakty mezi zrny materiálu. Slabá Josephsonova spojení mezi supravodivými zrny neumožňují výrobu materiálu (například drátu) s vysokými supravodivými charakteristikami.

Solární baterie na bázi polykrystalického křemíku

Stejná situace může nastat s grafenem. V současné době byly pro něj zjištěny velmi zajímavé vlastnosti, zbývá však provést rozsáhlý výzkum, který by definitivně zodpověděl otázku možnosti výroby tohoto materiálu v průmyslovém měřítku a jeho využití v nanoelektronice.

Alla Arshinova: Vysvětlete prosím, co je grafen a jak se liší od grafitu?

Vladimír Fedorov: Grafen je jednoatomová vrstva tvořená atomy uhlíku, která má stejně jako grafit mřížku ve tvaru plástve. A grafit jsou tedy grafenové vrstvy naskládané jedna na druhé. Vrstvy grafenu v grafitu jsou navzájem spojeny velmi slabými van der Waalsovými vazbami, a proto je v konečném důsledku možné je od sebe odtrhnout. Když píšeme tužkou, je to příklad toho, jak odstraňujeme vrstvy grafitu. Pravda, stopa tužky zbývající na papíře ještě není grafen, ale grafenová vícevrstvá struktura.

Nyní může každé dítě vážně tvrdit, že nepřenáší pouze papír, ale vytváří komplexní grafenovou vícevrstvou strukturu

Ale pokud je možné rozdělit takovou strukturu na jednu vrstvu, pak se získá pravý grafen. Podobné štěpení provedli letošní laureáti Nobelovy ceny za fyziku Geim a Novoselov. Podařilo se jim rozštípnout grafit pomocí pásky a po prostudování vlastností této „grafitové vrstvy“ se ukázalo, že má velmi dobré parametry pro použití v mikroelektronice. Jednou z pozoruhodných vlastností grafenu je jeho vysoká mobilita elektronů. Říká se, že grafen se stane nepostradatelným materiálem pro počítače, telefony a další vybavení. Proč? Protože v této oblasti je tendence zrychlovat postupy zpracování informací. Tyto postupy souvisí s rychlostí hodin. Čím vyšší je pracovní frekvence, tím více operací lze zpracovat za jednotku času. Proto je velmi důležitá rychlost nosičů náboje. Ukázalo se, že nosiče náboje v grafenu se chovají jako relativistické částice s nulovou efektivní hmotností. Tyto vlastnosti grafenu skutečně dávají naději, že bude možné vytvořit zařízení schopná pracovat na terahertzových frekvencích, které jsou pro křemík nedostupné. To je jedna z nejzajímavějších vlastností materiálu.

Nositelé Nobelovy ceny za fyziku 2010 Andre Geim a Konstantin Novoselov

Flexibilní a transparentní fólie lze získat z grafenu, který je také velmi zajímavý pro řadu aplikací. Dalším plusem je, že se jedná o velmi jednoduchý a velmi lehký materiál, lehčí než křemík; Kromě toho je v přírodě dostatek uhlíku. Pokud tedy skutečně najdou způsob, jak tento materiál využít ve špičkových technologiích, pak bude mít samozřejmě dobré vyhlídky a možná časem nahradí křemík.

S termodynamickou stabilitou nízkorozměrných vodičů je ale spojen jeden zásadní problém. Jak známo, pevné látky se dělí do různých prostorových systémů; například 3D (trojrozměrný) systém zahrnuje volumetrické krystaly. Dvourozměrné (2D) systémy jsou reprezentovány vrstvenými krystaly. A řetězové struktury patří do jednorozměrného (1D) systému. Nízkorozměrné - 1D řetězové a 2D vrstvené struktury s kovovými vlastnostmi tedy nejsou z termodynamického hlediska stabilní, s klesající teplotou mají tendenci přecházet v systém, který ztrácí své kovové vlastnosti. Jedná se o tzv. kov-dielektrické přechody. Jak stabilní budou grafenové materiály v některých zařízeních, se teprve uvidí. Zajímavý je samozřejmě grafen, a to jak z pohledu elektrofyzikálních vlastností, tak i mechanických. Monolitická vrstva grafenu je považována za velmi silnou.

Alla Arshinova: Silnější než diamant?

Vladimír Fedorov: Diamant má trojrozměrné vazby a je mechanicky velmi pevný. V grafitu jsou meziatomové vazby v rovině stejné, možná ještě silnější. Faktem je, že z termodynamického hlediska by se diamant měl proměnit v grafit, protože grafit je stabilnější než diamant. Ale v chemii existují dva důležité faktory, které řídí transformační proces: termodynamická stabilita fází a kinetika procesu, tedy rychlost transformace jedné fáze do druhé. Diamanty tedy leží v muzeích po celém světě po staletí a nechtějí se proměnit v grafit, ačkoli by měly. Možná se ještě za miliony let promění v grafit, i když by to byla velká škoda. Proces přeměny diamantu na grafit při pokojové teplotě probíhá velmi pomalu, ale pokud diamant zahřejete na vysokou teplotu, pak bude kinetická bariéra snáze překonatelná, a to se určitě stane.

Grafit v původní podobě

Alla Arshinova: Již dlouhou dobu je známo, že grafit lze štěpit na velmi tenké vločky. Jaký byl tedy úspěch laureátů Nobelovy ceny za fyziku z roku 2010?

Vladimír Fedorov: Takovou postavu jako Petřík asi znáte. Po předání Nobelovy ceny Andreji Geimovi a Konstantinu Novoselovovi prohlásil, že mu Nobelova cena byla ukradena. Geim v reakci na to uvedl, že takové materiály jsou skutečně známé velmi dlouho, ale cenu dostaly za studium vlastností grafenu, nikoli za objevení způsobu jeho výroby jako takového. Ve skutečnosti je jejich zásluha v tom, že dokázali oddělit velmi kvalitní grafenové vrstvy z vysoce orientovaného grafitu a podrobně studovat jejich vlastnosti. Kvalita grafenu je velmi důležitá, stejně jako v křemíkové technologii. Když se naučili, jak získat křemík s velmi vysokým stupněm čistoty, teprve tehdy byla možná elektronika na něm založená. U grafenu je situace stejná. Geim a Novoselov vzali velmi čistý grafit s dokonalými vrstvami, dokázali odštípnout jednu vrstvu a studovali jeho vlastnosti. Jako první dokázali, že tento materiál má soubor jedinečných vlastností.

Alla Arshinova: V souvislosti s udělením Nobelovy ceny vědcům s ruskými kořeny působícími v zahraničí si naši krajané, daleko od vědy, kladou otázku, zda bylo možné dosáhnout stejných výsledků i u nás v Rusku?

Vladimír Fedorov: Pravděpodobně to bylo možné. Prostě odešli ve správný čas. Jejich první článek, publikovaný v Nature, byl spoluautorem několika vědců z Černogolovky. V tomto směru zřejmě pracovali i naši ruští badatelé. Ale nepodařilo se to dokončit přesvědčivě. Je to škoda. Snad jedním z důvodů jsou výhodnější podmínky pro práci v zahraničních vědeckých laboratořích. Nedávno jsem přijel z Koreje a mohu porovnat pracovní podmínky, které jsem tam dostal, s prací doma. Tam jsem se tedy ničím nezaměstnával, ale doma jsem měl plno rutinních povinností, které zabíraly spoustu času a neustále mě odváděly od toho hlavního. Bylo mi poskytnuto vše, co jsem potřeboval, a to bylo provedeno s úžasnou rychlostí. Například, když potřebuji nějaké činidlo, napíšu lístek a druhý den mi ho přinesou. Mám podezření, že i nositelé Nobelovy ceny mají velmi dobré pracovní podmínky. No, měli dost vytrvalosti: mnohokrát se snažili získat dobrý materiál a nakonec dosáhli úspěchu. Věnovali tomu opravdu hodně času a úsilí a v tomto smyslu byla cena zaslouženě udělena.

Alla Arshinova: Jaké jsou vlastně výhody grafenu ve srovnání s křemíkem?

Vladimír Fedorov: Za prvé, již jsme řekli, že má vysokou mobilitu nosičů, jak říkají fyzici, nosiče náboje nemají hmotnost. Hmota vždy zpomaluje pohyb. A v grafenu se elektrony pohybují takovým způsobem, že je lze považovat za bezhmotné. Tato vlastnost je jedinečná: pokud existují jiné materiály a částice s podobnými vlastnostmi, jsou extrémně vzácné. K tomu se grafen ukázal jako dobrý a také proto je na tom dobře ve srovnání s křemíkem.

Za druhé, grafen má vysokou tepelnou vodivost, a to je pro elektronická zařízení velmi důležité. Je velmi lehký a grafenový list je průhledný a pružný a lze jej srolovat. Grafen může být velmi levný, pokud jsou vyvinuty optimální metody pro jeho výrobu. Koneckonců „metoda lepicí pásky“, kterou předvedli Game a Novoselov, není průmyslová. Tato metoda produkuje vzorky opravdu vysoké kvality, ale ve velmi malém množství, pouze pro výzkum.

A nyní chemici vyvíjejí další způsoby výroby grafenu. Koneckonců, musíte získat velké listy, abyste mohli spustit výrobu grafenu. Těmito otázkami se zabýváme i zde na Ústavu anorganické chemie. Pokud se naučí syntetizovat grafen metodami, které by umožnily vyrábět vysoce kvalitní materiál v průmyslovém měřítku, pak je naděje, že to způsobí revoluci v mikroelektronice.

Alla Arshinova: Jak už asi každý ví z médií, grafenovou vícevrstvou strukturu lze získat pomocí tužky a lepicí pásky. Jaká je technologie výroby grafenu používaná ve vědeckých laboratořích?

Vladimír Fedorov: Existuje několik metod. Jeden z nich je znám již velmi dlouho, je založen na použití oxidu grafitu. Jeho princip je vcelku jednoduchý. Grafit se umístí do roztoku vysoce oxidačních látek (například kyseliny sírové, dusičné atd.) a při zahřátí začne interagovat s oxidačními činidly. V tomto případě je grafit rozdělen na několik plátů nebo dokonce monatomických vrstev. Ale výsledné monovrstvy nejsou grafen, ale oxidovaný grafen, který obsahuje navázaný kyslík, hydroxylové a karboxylové skupiny. Nyní je hlavním úkolem obnovit tyto vrstvy na grafen. Protože oxidací vznikají malé částice, je nutné je nějakým způsobem slepit, aby se získal monolit. Úsilí chemiků směřuje k pochopení toho, jak je možné vyrobit grafenovou desku z oxidu grafitu, jehož technologie výroby je známá.

Existuje ještě jedna metoda, rovněž zcela tradiční a již dlouhou dobu známá - je to chemická depozice par za účasti plynných sloučenin. Jeho podstata je následující. Nejprve jsou reakční látky sublimovány do plynné fáze, poté procházejí substrátem zahřátým na vysoké teploty, na kterém se ukládají požadované vrstvy. Jakmile je vybráno výchozí činidlo, jako je methan, může být rozloženo takovým způsobem, že se vodík odštěpí a uhlík zůstane na substrátu. Tyto procesy se však obtížně kontrolují a je obtížné získat ideální vrstvu.

Grafen je jednou z alotropních modifikací uhlíku

Existuje další metoda, která se nyní začíná aktivně používat - metoda použití interkalovaných sloučenin. V grafitu, stejně jako v jiných vrstvených sloučeninách, mohou být mezi vrstvy umístěny molekuly různých látek, nazývané „molekuly hostů“. Grafit je matricí „hostitele“, kam dodáváme „hosty“. Když hosté interkalují do mřížky hostitele, vrstvy se přirozeně oddělí. To je přesně to, co je požadováno: proces interkalace rozkládá grafit. Interkalované sloučeniny jsou velmi dobrými prekurzory pro výrobu grafenu – stačí odtud odstranit „hosty“ a zabránit tomu, aby se vrstvy znovu zhroutily do grafitu. Důležitým krokem v této technologii je proces získávání koloidních disperzí, které lze přeměnit na grafenové materiály. V našem ústavu přesně tento přístup podporujeme. Podle našeho názoru se jedná o nejpokročilejší směr, od kterého se očekávají velmi dobré výsledky, protože izolované vrstvy lze nejjednodušeji a nejefektivněji získat z různých typů interkalovaných sloučenin.

Struktura grafenu je podobná pláství. A v poslední době se to stalo velmi „sladkým“ tématem

Existuje další metoda, která se nazývá totální chemická syntéza. Spočívá v tom, že potřebné „voštinové plástve“ jsou sestaveny z jednoduchých organických molekul. Organická chemie má velmi vyvinutý syntetický aparát, který umožňuje získat obrovské množství molekul. Proto se snaží získat struktury grafenu chemickou syntézou. Doposud se podařilo vytvořit grafenový list sestávající z asi dvou set atomů uhlíku.

Další přístupy k syntéze grafenu jsou vyvíjeny. Navzdory četným problémům jde věda v tomto směru úspěšně kupředu. Existuje vysoká míra jistoty, že stávající překážky budou překonány a grafen přinese nový milník ve vývoji špičkových technologií.

Kandidát chemických věd Tatyana Zimina.

Nobelova cena za fyziku za rok 2010 byla udělena za výzkum grafenu, dvourozměrného materiálu, který vykazuje neobvyklé a zároveň velmi užitečné vlastnosti. Jeho objev slibuje nejen nové technologie, ale také rozvoj fundamentální fyziky, jehož výsledkem mohou být nové poznatky o struktuře hmoty. Letošními laureáty Nobelovy ceny za fyziku jsou Andre Geim a Konstantin Novoselov, profesoři z University of Manchester (UK), absolventi Moskevského institutu fyziky a technologie.

Atomy uhlíku v grafenu tvoří dvourozměrný krystal s buňkami ve tvaru šestiúhelníku.

Nositel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2010 Andre Geim (narozen v roce 1958) je profesorem na University of Manchester (UK). Vystudoval Moskevský institut fyziky a technologie, obhájil doktorskou práci na Institutu fyziky pevných látek (Černogolo

Nositel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2010 Konstantin Novoselov (narozen v roce 1974) je profesorem na University of Manchester (UK) a absolventem Moskevského institutu fyziky a technologie. Působil v Ústavu pro problémy technologie mikroelektroniky a zejména

Grafen je jednou z alotropních forem uhlíku. Nejprve se získával postupným odlupováním tenkých vrstev grafitu. Grafen se sroluje a vytvoří nanotrubičku nebo fulleren.

Jednou z možných aplikací grafenu je vytvoření na jeho základě nové technologie pro dešifrování chemické struktury (sekvenování) DNA. Vědci z Kavli Institute of nanocience, Nizozemsko, pod vedením profesora Deckeho

Grafen, materiál o tloušťce pouhého jednoho atomu, se skládá ze „sítě“ atomů uhlíku uspořádaných jako plástev do buněk šestiúhelníkového tvaru. Toto je další alotropní forma uhlíku spolu s grafitem, diamantem, nanotrubičkami a fullerenem. Materiál má vynikající elektrickou vodivost, dobrou tepelnou vodivost, vysokou pevnost a je téměř zcela průhledný.

Myšlenka na výrobu grafenu „ležela“ v krystalové mřížce grafitu, což je vrstvená struktura tvořená volně spojenými vrstvami atomů uhlíku. To znamená, že grafit může být ve skutečnosti reprezentován jako soubor vrstev grafenu (dvourozměrných krystalů) spojených navzájem.

Grafit je vrstvený materiál. Právě této vlastnosti využili laureáti Nobelovy ceny k výrobě grafenu, přestože teorie předpovídala (a předchozí experimenty potvrdily), že dvourozměrný uhlíkový materiál nemůže existovat při pokojové teplotě – přemění se například na jiné alotropní formy uhlíku. , skládat do nanotrubic nebo sférických fullerenů.

Mezinárodní tým vědců pod vedením Andre Geima, který zahrnoval výzkumníky z University of Manchester (UK) a Institute of Microelectronics Technology and Highly Pure Materials (Černogolovka, Rusko), získal grafen pouhým odloupnutím vrstev grafitu. K tomu byla na grafitový krystal nalepena obyčejná páska a poté odstraněna: na pásce zůstaly nejtenčí filmy, včetně jednovrstvých. (Jak si člověk nemůže vzpomenout: „Všechno důmyslné je jednoduché“!) Později byly pomocí této techniky získány další dvourozměrné materiály, včetně vysokoteplotního supravodiče Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Nyní se tato metoda nazývá „mikromechanická exfoliace“, umožňuje získat nejkvalitnější vzorky grafenu až do velikosti 100 mikronů.

Dalším skvělým nápadem budoucích laureátů Nobelovy ceny bylo nanesení grafenu na substrát oxidu křemičitého (SiO 2). Díky tomuto postupu bylo možné grafen pozorovat pod mikroskopem (od optické po atomovou sílu) a studovat.

První experimenty s novým materiálem ukázaly, že v rukou vědců není jen další forma uhlíku, ale nová třída materiálů s vlastnostmi, které nelze vždy popsat z hlediska klasické teorie fyziky pevných látek.

Výsledný dvourozměrný materiál, který je polovodičem, má vodivost jako jeden z nejlepších kovových vodičů - měď. Jeho elektrony mají velmi vysokou pohyblivost, což je způsobeno zvláštnostmi jeho krystalové struktury. Je zřejmé, že tato kvalita grafenu spolu s jeho tloušťkou nanometrů z něj činí kandidátský materiál, který by mohl nahradit křemík v elektronice, včetně budoucích vysokorychlostních počítačů. Vědci se domnívají, že nová třída grafenové nanoelektroniky s tloušťkou základního tranzistoru nepřesahující 10 nm (tranzistor s efektem pole již byl získán na grafenu) je hned za rohem.

Fyzici nyní pracují na dalším zvýšení mobility elektronů v grafenu. Výpočty ukazují, že omezení mobility nosičů náboje v něm (a tedy vodivosti) je spojeno s přítomností nabitých nečistot v substrátu SiO 2 . Pokud se naučíme získávat „volně visící“ grafenové filmy, pak lze mobilitu elektronů zvýšit o dva řády – až na 2 × 10 6 cm 2 /V. S. Takové experimenty již probíhají a docela úspěšně. Pravda, ideální dvourozměrný film ve volném stavu je nestabilní, ale pokud se v prostoru deformuje (tedy není ideálně plochý, ale např. zvlněný), pak je stabilita zajištěna. Z takové fólie je možné vyrobit například nanoelektromechanický systém - vysoce citlivý senzor plynu schopný reagovat i na jedinou molekulu, která se nachází na jejím povrchu.

Další možné aplikace grafenu: v elektrodách superkondenzátorů, v solárních bateriích, pro vytváření různých kompozitních materiálů, včetně ultralehkých a vysokopevnostních (pro letectví, kosmické lodě atd.), s danou vodivostí. To druhé se může výrazně lišit. Například byl syntetizován materiál grafan, který je na rozdíl od grafenu izolant (viz „Věda a život“ č.). Získal se přidáním atomu vodíku ke každému atomu uhlíku výchozího materiálu. Důležité je, že všechny vlastnosti výchozího materiálu – grafenu – lze obnovit pouhým zahřátím (žíháním) grafanu. Přitom grafen přidaný do plastu (izolantu) z něj udělá vodič.

Téměř úplná průhlednost grafenu naznačuje jeho použití v dotykových obrazovkách, a pokud si vzpomeneme na jeho „supertenkost“, pak vyhlídky na jeho použití v budoucích flexibilních počítačích (které lze srolovat jako noviny), náramkech na hodinky a měkkých světelné panely jsou čiré.

Jakákoli aplikace materiálu ale vyžaduje jeho průmyslovou výrobu, pro kterou není vhodná metoda mikromechanické exfoliace používaná v laboratorním výzkumu. Ve světě se proto nyní vyvíjí obrovské množství dalších způsobů, jak jej získat. Chemické metody výroby grafenu z mikrokrystalů grafitu již byly navrženy. Jedna z nich například vyrábí grafen zapuštěný do polymerní matrice. Rovněž je popsána depozice par a růst při vysokém tlaku a teplotě na substrátech z karbidu křemíku. V druhém případě, který je nejvhodnější pro průmyslovou výrobu, se při tepelném rozkladu povrchové vrstvy substrátu vytvoří film s vlastnostmi grafenu.

Hodnota nového materiálu pro rozvoj fyzikálního výzkumu je fantasticky velká. Jak uvádějí Sergej Morozov (Ústav pro problémy technologie mikroelektroniky a vysoce čistých materiálů Ruské akademie věd), Andre Geim a Konstantin Novoselov ve svém článku publikovaném v roce 2008 v časopise Uspekhi Fizicheskikh Nauk, „grafen ve skutečnosti otevírá nové vědecké paradigma - „relativistická“ fyzika pevných látek, ve které lze nyní kvantově relativistické jevy (z nichž některé nejsou realizovatelné ani ve fyzice vysokých energií) studovat v běžných laboratorních podmínkách... Poprvé v pevné fázi experimentu, je možné prozkoumat všechny nuance a rozmanitost kvantové elektrodynamiky.“ To znamená, že mluvíme o tom, že mnoho jevů, jejichž studium vyžadovalo konstrukci obrovských urychlovačů částic, lze nyní studovat, vyzbrojeni mnohem jednodušším nástrojem - nejtenčím materiálem na světě.

Odborný komentář

Přemýšleli jsme o tranzistoru s efektem pole...

Redakce požádala svého kolegu a spoluautora, aby se vyjádřil k výsledkům práce laureátů Nobelovy ceny Andre Geima a Konstantina Novoselova. Vedoucí laboratoře Ústavu pro problémy technologie mikroelektroniky a vysoce čistých materiálů Ruské akademie věd (Černogolovka) Sergej Morozov odpovídá na otázky korespondentky „Vědy a života“ Taťány Ziminy.

Jak se zrodil nápad získat dvourozměrný uhlíkový materiál? V souvislosti s čím? Čekali jste od této formy karbonu nějaké neobvyklé vlastnosti?

Zpočátku naším cílem nebylo vyrobit dvourozměrný materiál z polokovu, zkoušeli jsme vyrobit tranzistor s efektem pole. K tomu nejsou vhodné ani kovy o tloušťce jednoho atomu – mají příliš mnoho volných elektronů. Nejprve jsme získali spočetný počet atomových rovin z grafitového krystalu, pak jsme začali vyrábět tenčí a tenčí desky, až jsme dostali monatomickou vrstvu, tedy grafen.

O grafenu uvažují teoretici již dlouho, od poloviny dvacátého století. Zavedli také samotný název dvourozměrného uhlíkového materiálu. Právě grafen se stal pro teoretiky (dávno před jeho experimentální výrobou) výchozím bodem pro výpočet vlastností dalších forem uhlíku – grafitu, nanotrubic, fullerenů. Je také nejlépe teoreticky popsána. Samozřejmě, že některé efekty nyní experimentálně objevené teoretikové prostě nezvažovali. Elektrony v grafenu se chovají jako relativistické částice. Ale nikoho nikdy nenapadlo studovat, jak by vypadal Hallův jev v případě relativistických částic. Objevili jsme nový typ kvantového Hallova jevu, který byl jedním z prvních jasných potvrzení jedinečnosti elektronického subsystému v grafenu. Totéž lze říci o Kleinově paradoxu, který je grafenu vlastní, známý z fyziky vysokých energií. V tradičních polovodičích nebo kovech mohou elektrony tunelovat přes potenciální bariéry, ale s pravděpodobností výrazně menší než jedna. V grafenu pronikají elektrony (jako relativistické částice) i přes nekonečně vysoké potenciálové bariéry bez odrazu.

Proč se myslelo, že dvourozměrný uhlíkový materiál (grafen) bude při pokojové teplotě nestabilní? A jak se ti to pak podařilo získat?

Rané práce teoretiků, které ukázaly nestabilitu dvourozměrných materiálů, odkazovaly na nekonečný ideální dvourozměrný systém. Pozdější práce ukázaly, že ve dvourozměrném systému může řád na dlouhé vzdálenosti (který je vlastní krystalickým tělesům - pozn. red.) stále existovat při konečné teplotě (pokojová teplota pro krystal je poměrně nízká teplota). Skutečný grafen v zavěšeném stavu zřejmě není dokonale plochý, je mírně zvlněný – výška náběhů v něm je v řádu nanometrů. Tyto „vlny“ nejsou v elektronovém mikroskopu viditelné, ale existují jejich další potvrzení.

Grafen je polovodič, jestli tomu dobře rozumím. Sem tam ale najdu definici – polokov. Do jaké třídy materiálů patří?

Polovodiče mají zakázané pásmo určité šířky. U grafenu je to nula. Takže to může být nazýváno polovodičem s nulovou mezerou v pásmu nebo polokovem s nulovým přesahem. To znamená, že zaujímá mezilehlou polohu mezi polovodiči a polokovy.

Tu a tam se v populární literatuře objevují zmínky o dalších dvourozměrných materiálech. Zkoušela vaše skupina něco z toho získat?

Doslova rok po získání grafenu jsme získali dvourozměrné materiály z dalších vrstvených krystalů. Jsou to například nitrid boru, některé dichalkogenidy a vysokoteplotní supravodič Bi-Sr-Ca-Cu-O. Nekopírovaly vlastnosti grafenu – některé z nich byly obecně izolanty, jiné měly velmi nízkou vodivost. Mnoho výzkumných skupin po celém světě studuje dvourozměrné materiály. V současné době používáme nitrid boru jako substrát pro grafenové struktury. Ukázalo se, že to radikálně zlepšuje vlastnosti grafenu. Také pokud mluvíme o použití grafenu k vytvoření kompozitních materiálů, nitrid boru je jedním z jeho hlavních konkurentů.

- Jaké stávající metody výroby grafenu jsou nejslibnější?

Podle mého názoru nyní existují dvě takové hlavní metody. Prvním je růst filmů některých kovů vzácných zemin, stejně jako mědi a niklu, na povrchu. Pak se musí grafen přenést na jiné substráty a oni se už naučili, jak to udělat. Tato technologie vstupuje do fáze komerčního vývoje.

Další metodou je růst na karbidu křemíku. Bylo by ale fajn naučit se pěstovat grafen na křemíku, na kterém je postavena veškerá moderní elektronika. Pak by vývoj grafenových zařízení šel mílovými kroky, protože grafenová elektronika by přirozeně rozšířila funkčnost tradiční mikroelektroniky.