Nobelova nagrada za odkritje agrafena. Kako so "smeti fiziki" iz Rusije dobili Nobelovo nagrado

V Stockholmu so razglasili imena dobitnikov Nobelove nagrade za fiziko za leto 2010. To sta bila profesor Andrej Geim in profesor Konstantin Novoselov. Oba nagrajenca, ki delata na britanski univerzi v Manchestru, prihajata iz Rusije. 52-letni Andrei Geim je nizozemski državljan, 36-letni Konstantin Novoselov pa ima rusko in britansko državljanstvo.

Najprestižnejšo znanstveno nagrado na svetu, ki letos znaša približno 1,5 milijona dolarjev, so znanstveniki prejeli za odkritje grafena, ultratankega in izjemno trpežnega materiala, ki je en atom debel karbonski film.

O tem, kakšne težave so se pojavile pri odkritju grafena in kakšna je praktična uporaba tega materiala, Alexander Sergeev, znanstveni urednik revije Vokrug Sveta, govori v radiu Liberty:

Že dejstvo, da so znanstveniki pridobili grafen, je izjemno. Teoretično je bil grafen predviden pol stoletja pred njegovo sintezo. V šoli so vsi šli skozi strukturo grafita - to je navaden svinčnik. Ogljikov atom tvori tanke plasti, ki se večkrat nalagajo ena na drugo. Vsaka plast je sestavljena iz šesterokotnih celic, ki se kot satovje spajajo druga z drugo.

Težava je bila ločiti eno plast od zgornjih in spodnjih. Za posamezno plast tega dvodimenzionalnega kristala, imenovanega tako zato, ker nima tretje dimenzije, so napovedali kup zanimivih fizikalnih lastnosti. Bilo je veliko poskusov. Vendar ni bilo mogoče doseči ločitve ene plasti od vseh drugih s stabilnim rezultatom.

Andrey Geim in Konstantin Novoselov sta se domislila načina, s katerim sta lahko to plast izolirala in se nato prepričala, da je res ena. Znanstveniki so nato lahko izmerili njegove fizikalne lastnosti in preverili, ali so teoretične napovedi bolj ali manj pravilne. Ta poskus je zelo preprost: znanstveniki so vzeli navaden svinčnik, kos grafita. Z lepilnim trakom so z njega odstranili plast grafita, nato pa so ga začeli luščiti. Ko sta ostali 1-2 plasti, je bil grafit prenesen na silicijev substrat.

Zakaj so bili vsi prejšnji poskusi neuspešni? Ker (in to je bilo teoretično predvideno) je grafenski film, dvodimenzionalni ogljikov kristal, nestabilen za zvijanje. Takoj, ko je v prostem stanju, se bo takoj začela zmečkati. Bilo je celo mnenje, da je nemogoče izolirati grafen. Delo znanstvenikov je bilo opravljeno leta 2004, leta 2009 pa je bil že pridobljen kos grafena. Se pravi skoraj centimeter velik list grafena. In zdaj govorimo o desetinah centimetrov.

Zakaj ta grafen sploh potrebujemo?

Vsa elektronika gre zdaj v smeri zmanjševanja velikosti elementov - tranzistorjev, elektrod itd. Manjši kot so elementi v notranjosti procesorja, več elementov lahko postavimo vanj in močnejši procesor lahko sestavimo. Zato se bodo v njem izvajale bolj zapletene logične operacije. Kaj je lahko tanjše od ene atomske plasti? Grafen ima lastnost tankosti.

Poleg tega prevaja elektriko. In je skoraj prozoren. Hkrati je dovolj močan: je eden najmočnejših materialov na atomsko plast. Skozi sebe praktično ne prepušča drugih snovi. Celo plinasti helij ne more pronicati skozi grafen, zato je to zelo zanesljiv premaz. Uporablja se lahko na primer v zaslonih na dotik, saj prozorna elektroda ne bo zakrila slike. Lahko ga poskusite uporabiti v elektroniki. Zdaj poskušajo razviti tranzistorje na osnovi grafena. Res je, tukaj so težave. Grafen ima neobičajne lastnosti, zaradi katerih ga je nekoliko težko uporabiti v tranzistorjih. Ko pa smo se naučili pridobivati ​​atomske plasti, so to verjetno že premagljive ovire. To je bistveno nov material. Česa takega še ni bilo. Najtanjši monosloj prevodnika, ki se lahko uporablja v tehniki, v elektroniki.

Nova Nobelova nagrajenca imata precej zapleteno biografijo. Eden od njih je državljan Nizozemske, drugi ima dva potna lista: britanski in ruski. Delali so, kolikor je znano, v znanstvenem središču v Manchestru v Angliji. Ali znanost postaja mednarodna ali je žalostna usoda ruskih znanstvenikov, da delajo velika odkritja le, če gredo v tujino?

Za resno znanstveno delo potrebujete ne le materialno in tehnično bazo, ampak tudi mir. Znanstvenika nekatera vprašanja ne smejo zmesti. Andrei Game je pred 10 leti prejel Ig Nobelovo nagrado za poskuse magnetne levitacije žab. Ig Nobelova nagrada je šaljiva antinagrada za nesmiselno delo. Znanstvenik potrebuje določeno svobodo pri svojem delu. Potem se porodijo ideje. Danes sem levitiral žabe, jutri pa dobim grafene.

Če ima oseba takšne pogoje, potem dela bolj učinkovito. Navsezadnje sta oba aktualna Nobelova nagrajenca za fiziko študirala na Moskovskem inštitutu za fiziko in tehnologijo (Moscow Institute of Physics and Technology – RS). In zelo kmalu so odšli na Nizozemsko, v Veliko Britanijo, ker je tam delovno vzdušje bolj ugodno za iskanje znanstvenih sredstev, potrebnih za izvajanje raziskav. Karbonske filme so odtrgali z lepilnim trakom, vendar so jih morali izmeriti z mikroskopom za atomsko silo. Torej je moral biti ta mikroskop. V Rusiji seveda so, vendar so veliko težje dostopni.

Če rečem, da ima Rusija dobro osnovno izobrazbo, ki omogoča rast dobitnikov Nobelove nagrade, hkrati pa ni resne znanstvene visokotehnološke baze za eksperimente, ali je to res?

Kot pri vsakem posploševanju je tudi tukaj nekaj natega. Z izobraževanjem ne gre več tako dobro in gladko, saj se marsikje uničujejo znanstvene šole. V 90. letih je prišlo do velikega preloma v delu. V Rusiji so osamljene šole, kjer gre še vedno zelo dobro, vendar obstajajo težave z opremo in izvajanjem resnih dragih raziskav. Ta oprema nekje konča: od časa do časa se opravijo precej resni nakupi, na primer inštitutu Kurčatov. Toda kako učinkovito se tam uporablja, je veliko vprašanje. Zato je ponekod močna znanstvena šola, drugod so sredstva za tehnologijo. Zaradi prestiža in birokracije jih je med seboj precej težko izmenjati. V Rusiji so možne tudi raziskave visokega razreda, vendar jih je veliko težje izvajati - tukaj je težje okolje za delo.

Znanstveno raziskovanje je večplastno. Toda ali obstajajo ločena področja, ki jih Nobelov odbor opredeljuje kot prebojna? Za kaj je lažje dobiti Nobelovo nagrado? Ali pa teh navodil ni?

Pogledal sem seznam dobitnikov Nobelove nagrade za fiziko v zadnjih 20 letih. Jasnega trenda ni. Kar nekaj nagrad je podeljenih na področju fizike osnovnih delcev, temeljnih fizikalnih interakcij. To je razumljivo - tam opravljajo precej zanimivo delo. Toda tukaj moramo upoštevati pomembno točko. Pogosto se reče, da za prejem Nobelove nagrade ni dovolj narediti prodorno delo. Še vedno moramo živeti do časa, ko bo to cenjeno. Zato Nobelovo nagrado praviloma prejmejo ljudje v zelo ugledni starosti. S tega vidika je letošnja Nobelova nagrada za fiziko izjema od pravila. Novoselov je zdaj star 36 let. V zadnjih 20 letih med nagradami iz fizike ni bilo takega primera, po mojem mnenju ga sploh ni bilo! V zadnjih 8 letih noben znanstvenik, mlajši od 50 let, ni prejel Nobelove nagrade, mnogi pa so jo prejeli v starosti 70 ali celo 80 let za delo, opravljeno pred desetletji.

Sedanja Nobelova nagrada je bila podeljena v nasprotju s pravili. Morda je Nobelov odbor menil, da nagrada postaja gerontološka in da bi bilo treba znižati starost za njeno prejem. Nazadnje v "mladi" starosti je bila nagrada za fiziko podeljena leta 2001. Zmagovalci so bili stari od 40 do 50 let.

Zdaj je očitno narejena instalacija za dejansko eksperimentalno delo. Torej, čeprav Nobelova nagrada ne vključuje astronomije, sta bili v zadnjih 10 letih dve zelo pomembni nagradi v astrofiziki. Nagrade so bile v fiziki visokih energij in fiziki osnovnih delcev, v fiziki trdne snovi, v fiziki kondenziranega stanja – torej trdnega, tekočega in drugih stanj, v katerih so atomi blizu drug drugemu. Skoraj vsa ta dela so tako ali drugače vezana na kvantno fiziko.

Zakaj ravno kvantna teorija? Je to posledica osebnih preferenc članov Nobelovega odbora? Ali pa je to res najbližja znanstvena prihodnost?

Razlog je zelo preprost. Pravzaprav je vsa fizika, razen teorije gravitacije, zdaj kvantna. Skoraj vse, kar se novega naredi na področju fizike, z izjemo nekaterih stranskih usmeritev, izboljšav in prebojev, ki so bili v preteklosti, temelji na kvantni fiziki. Le gravitacija še ni podlegla tej »kvantizaciji«. In vse ostalo, kar zadeva temelje fizike, je kvantna teorija in kvantna teorija materije.

Kdo je on? Novoselov Konstantin Sergejevič!

Biografija

Slavni znanstvenik se je rodil v mestu Nižni Tagil v regiji Sverdlovsk 23. avgusta 1974 v družini inženirja in učiteljice angleščine v šoli št. 39, katere ustanovitelj in direktor je bil nekoč njegov dedek Viktor Konstantinovič. Novoselov.

Ko je bil v šestem razredu, Konstantin razkrije izjemne sposobnosti in zasede prvo mesto na regionalni fizikalni olimpijadi, malo kasneje pa na vseslovenski olimpijadi ponovi svoj uspeh in vstopi med prvih deset. Leta 1991 je diplomiral na dodatni dopisni šoli za fiziko in tehnologijo in istega leta postal študent Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo. Študira na specialnosti "nanotehnologija" na Fakulteti za fizikalno in kvantno elektroniko in z odliko diplomira na inštitutu, nato pa se zaposli v IPTM RAS (Inštitut za probleme mikroelektronske tehnologije RAS) v Černogolovki. Tam konča podiplomski študij pod vodstvom Jurija Dubrovskega.

V tujini

Leta 1999 se je Konstantin Sergejevič Novoselov, fizik z že uveljavljenim ugledom, preselil na Nizozemsko. Tam na Univerzi v Nijmegenu dela z Andreom Geimom. Od leta 2001 znanstveniki sodelujejo na Univerzi v Manchestru. Leta 2004 je doktoriral (mentor Jan-Kees Maan).

Trenutno je Konstantin Sergejevič Novoselov profesor Kraljeve družbe in profesor fizikalnih in matematičnih znanosti na Univerzi v Manchestru in ima dvojno državljanstvo (Rusija in Velika Britanija). Zdaj živi v Manchestru.

Raziskovanje

Po čem je znan Konstantin Sergejevič Novoselov? Po podatkih analitske agencije Thomson Reuters je rusko-britanski fizik eden najpogosteje citiranih znanstvenikov. Izpod njegovega peresa je izšlo 190 znanstvenih člankov. Njegova najpomembnejša raziskava pa je seveda grafen. Mnogi so slišali to besedo, ki se zdi preprosta in znana. Tehnologija je res jedrnata in elegantna, kot vse genialne. Možne so nadaljnje študije, ki bodo človeštvo uvedle v dobo ultra hitrih in ultra tankih mobilnih in računalniških naprav, električnih avtomobilov in trpežnih, a zelo lahkih konstrukcij.

Nagrade

Ko je Konstantin Sergejevič Novoselov začel delati na Univerzi v Manchestru, je njegov vodja postal višji kolega iz Rusije, ki se je do takrat že dolgo ukvarjal z raziskavami na tem področju in uspel reproducirati mehanizem lepljenja gekonovih šap. , na njegovi osnovi pa ustvaril lepilni trak, ki so ga fiziki kasneje uporabili pri delu z grafenom. Pred tem je Geimu pomagal neki kitajski študent, vendar je po besedah ​​samega fizika delo začelo napredovati šele potem, ko se je Konstantin Sergejevič Novoselov lotil posla. Nobelovo nagrado so jima podelili oktobra 2010. Novoselov je zdaj znan kot najmlajši Nobelov nagrajenec za fiziko (v zadnjih 37 letih), poleg tega je trenutno edini znanstvenik med Nobelovimi nagrajenci, ki je bil rojen po letu 1970.

Istega leta 2010 je Novoselov prejel naziv poveljnika Reda nizozemskega leva za njegov pomemben prispevek k nizozemski znanosti, malo kasneje, leta 2011, pa ga je ukaz kraljice Elizabete II že razglasil za viteza samca. za njegov prispevek k znanosti v Veliki Britaniji. Slovesna viteška slovesnost je potekala nekoliko kasneje, spomladi 2012, kot je bilo pričakovano, v Buckinghamski palači. Gostila ga je kraljičina hči, princesa Anne.

Povedati je treba, da je Konstantin Sergejevič Novoselov, katerega znanstvena in družbena dejavnost je zelo obsežna, prejel še eno prestižno nagrado za raziskave grafena, leta 2008 pa je postal dobitnik nagrade za evrofiziko. Podeljujejo jo vsaki dve leti, med njenimi nagrajenci je bilo le trinajst Nobelovih nagrajencev. Nagrada je sestavljena iz denarne nagrade in pripadajoče listine. Prejel je tudi nagrado Kurti, a ne za grafen, temveč za seznam dosežkov pri delu s sfero nizkih temperatur in magnetnih polj.

O družini in življenju

Konstantin Novoselov je srečno poročen z ženo Irino. Čeprav je tudi ona Rusinja, so se znanstveniki srečali v tujini, na Nizozemskem. Irina je iz Vologde, ukvarja se z raziskavami na področju mikrobiologije (zagovarjala je disertacijo v Sankt Peterburgu). Par ima dve hčerki, dvojčici Sofijo in Viko, rojeni leta 2009.

Konstantin Sergejevič po lastnih besedah ​​ni oče, ki več tednov sedi v laboratoriju in pogreša otroštvo svojih otrok. Da bi izumil najmanjši tranzistor na svetu in svojo hčer naučil šteti do sedemindvajset – nekaj, kar je v isti vrsti. "Tega ni naredil še nihče pred vami," pravi.

Po drugi strani pa njegovi starši nikoli niso poskušali omejiti interesov svojega sina. Vedno so bili prepričani, da je njihov sin zelo nadarjen, in, kot pravi sam fizik, niso bili presenečeni, ko je prejel Nobelovo nagrado.

V intervjuju za revijo Esquire je priznal, da sanja, da bi se naučil igrati klavir. Uči se, a po lastnem priznanju so dosedanji rezultati povprečni.

O ZSSR

Konstantin Sergejevič je bil rojen v ZSSR in je prejel odlično izobrazbo. Sam priznava, da je malokje mogoče dobiti tako globoko znanje. Toda v Rusijo se ne namerava vrniti. Morda mu prav zaradi tega nekateri novinarji nehote očitajo pomanjkanje domoljubja. Na to znanstvenik odgovarja, da ne gre za denar, ampak da je delo v Veliki Britaniji mirnejše, ker se nihče ne vmešava v vaše zadeve.

Novoselov jemlje življenje lahkotno, ne obesi se na neuspehe - to je eno njegovih osnovnih pravil. Če se v odnosih z ljudmi pojavijo težave, se trudi, da ne pride do preloma, če pa je to neizogibno, zadnjo besedo prepusti drugi osebi. Slavni fizik ima veliko običajnih življenjskih težav, na primer, pripravljen bi bil zapraviti vsak denar, samo da bi dobil nekaj prostega časa.

Toda svojega življenja ne deli na delo in prosti čas, morda je to ključ do produktivnosti znanstvenika. Doma razmišlja o fiziki, v službi pa si le spočije dušo.

Kaj je grafen

Kljub seveda vsem dosežkom na področju fizike je bilo in je še vedno glavno delo Novoselova grafen. Ta struktura, ki so jo prvič v laboratoriju pridobili naši rojaki, je dvodimenzionalna "mreža" ogljikovih atomov, debela le en atom. Novoselov sam trdi, da tehnologija ni zapletena in da lahko vsak ustvari grafen, skoraj iz improviziranih sredstev. Pravi, da je dovolj, da dobite nekaj dobrega grafita, da začnete, čeprav lahko uporabite celo svinčnike in malo razmetavate s silikonskimi rezinami in lepilnim trakom. Vse, set za ustvarjanje grafena je pripravljen! Tako gradivo ne bo postalo last izključno velikih korporacij, Novoselov in Game sta ga dobesedno podarila celemu svetu.

Neverjetne lastnosti

Fizika presenečajo tudi elektronske lastnosti tega materiala. Po njegovem mnenju je grafen mogoče uporabiti v tranzistorjih, kar že poskušajo narediti nekatera podjetja, ki nadomeščajo znane dele v mobilnih napravah.

Po besedah ​​Novoselova bo grafen revolucioniral tehnologijo. Sestavni del vsakega znanstvenofantastičnega filma so neverjetni pripomočki, prozorni, tanki, nezlomljivi in ​​z veliko funkcionalnostjo. Če bo grafen postopoma nadomestil zastareli silicij, se bodo v življenju pojavile tehnologije iz kina.

Kaj je še zanimivega pri študijah Novoselova in Geima? Dejstvo, da so se skoraj takoj preselili iz laboratorijev na tekoče trakove, in še več - se je v prvih letih izkazalo za zelo koristno.

Tehnologije prihodnosti

Kje se zdaj uporablja grafen? Zdi se, da se tako nedavno odkrito gradivo še ne more široko razširiti, in to deloma drži. Skoraj vsi dogodki so še vedno eksperimentalni in niso bili sproščeni v množično proizvodnjo. Vendar pa zdaj poskušajo ta material uporabiti dobesedno na vseh področjih, kar morda lahko imenujemo prava "grafenska vročica".

Sam grafen je kljub nizki teži in skoraj popolni prosojnosti (vpije 2% prepuščene svetlobe, popolnoma enako kot običajno okensko steklo) zelo trpežen material. Nedavne študije ameriških znanstvenikov so pokazale, da se grafen dobro meša s plastiko. Posledica tega je izjemno močan material, ki se lahko uporablja v vsem, od pohištva in mobilnih telefonov do raketne znanosti.

Iz grafena so že izdelali prototipe baterij za električne avtomobile. Odlikuje jih velika zmogljivost in kratek čas polnjenja. Morda se bo tako rešil problem električnih vozil, promet pa bo postal poceni in okolju prijazen.

Grafen se uporablja pri razvoju novih zaslonov na dotik za telefone. Če klasični senzorji lahko delujejo le na ravni površini, potem je grafen brez te pomanjkljivosti, saj ga lahko poljubno upognemo. Poleg tega bo zaradi visoke električne prevodnosti odziv minimalen.

V letalstvu

Ohišja raket in letal, izdelana z uporabo grafena, bodo večkrat lažja, kar bo močno zmanjšalo stroške goriva. Leti bodo postali tako poceni, da si bo vsak lahko privoščil potovanje na drugo stran sveta. A poleg potniškega prometa bo to seveda vplivalo tudi na tovorni promet. Oskrba oddaljenih kotičkov planeta bo postala veliko boljša, kar pomeni, da bo tam živelo in delalo več ljudi.

MOSKVA, 5. oktober - RIA Novosti. Nobelova nagrada za fiziko leta 2010 je bila praznik za dve državi hkrati, za domovino nagrajencev - Rusijo, in za njihovo sedanjo domovino - Veliko Britanijo. Švedski akademiki so Andreju Geimu in Konstantinu Novoselovu podelili najvišjo znanstveno nagrado za odkritje dvodimenzionalne oblike ogljika - grafena, zaradi česar so se ruski znanstveniki pritoževali nad begom možganov, britanski znanstveniki pa upali na nadaljnje financiranje znanosti.

"Škoda, da sta Geim in Novoselov odkrila v tujini," je za RIA Novosti povedal Aleksej Khokhlov, vodja oddelka za fiziko polimerov in kristalov na Moskovski državni univerzi.

"Vlada bi se morala učiti iz odločitve Nobelovega odbora," je podelitev Nobelove nagrade za fiziko komentiral predsednik Kraljeve znanstvene družbe, profesor Martin Reese. Spomnil je, da lahko številni znanstveniki, tudi tuji, ki delajo v Veliki Britaniji, v primeru omejitve financiranja preprosto odidejo v druge države.

Britanska vlada bo 20. oktobra objavila načrte za resno zmanjšanje državne porabe. Znanost in visoko šolstvo naj bi bilo eno izmed področij, ki jih bodo rezi najbolj prizadeli.

Diplomanta MIPT Game in Novoselov, ki delata v Manchestru, sta prejela nagrado "za pionirske eksperimente pri preučevanju dvodimenzionalnega materiala grafena." Med seboj si bosta razdelila 10 milijonov švedskih kron (približno milijon evrov). Slovesna podelitev nagrad bo v Stockholmu 10. decembra, na dan smrti njenega ustanovitelja Alfreda Nobela.

Grafen je postal prvi dvodimenzionalni material v zgodovini, sestavljen iz ene same plasti ogljikovih atomov, ki so med seboj povezani s strukturo kemičnih vezi, ki po svoji geometriji spominjajo na strukturo satja. Dolgo časa je veljalo, da je takšna struktura nemogoča.

"Verjeli so, da takšni dvodimenzionalni enoslojni kristali ne morejo obstajati. Izgubiti morajo stabilnost in se spremeniti v nekaj drugega, saj gre pravzaprav za ravnino brez debeline," je nekdanji vodja nagrajencev, direktor Inštituta za probleme za tehnologijo mikroelektronike in materialov visoke čistosti Ruske akademije znanosti (IPTM) je za RIA Novosti povedal Vjačeslav Tulin.

Vendar pa ima "nemogoči" material, kot se je izkazalo, edinstvene fizikalne in kemijske lastnosti, zaradi katerih je nepogrešljiv na različnih področjih. Grafen prevaja elektriko tako dobro kot baker, z njim lahko ustvarimo zaslone na dotik, sončne celice, prilagodljive elektronske naprave.

"To je prihodnja revolucija v mikroelektroniki. Če so zdaj računalniki gigaherčni, potem bodo teraherčni in tako naprej. Tranzistorji in vsi drugi elementi elektronskih vezij bodo ustvarjeni na osnovi grafena," Aleksej Fomičev, profesor na oddelku MIPT kvantne elektronike, je povedal RIA Novosti.

Grafen je že našel eno področje uporabe: sončne fotovoltaične celice. "Prej so bili indijevi oksidi, dopirani s kositrom, uporabljeni kot prozorna elektroda pri proizvodnji fotovoltaičnih celic. Vendar se je izkazalo, da je več plasti grafena veliko bolj učinkovito," je povedal Alexander Vul, vodja laboratorija za fiziko struktur grozdov pri Sanktpeterburški Ioffejev inštitut za fiziko in tehnologijo Ruske akademije znanosti.

Prvi s fizikalno-tehniškega oddelka

Andrej Geim in Konstantin Novoselov sta prva diplomanta Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo, ki sta prejela Nobelovo nagrado: pred tem ustanovitelji in zaposleni na Moskovskem inštitutu za fiziko in tehnologijo - Petr Kapica, Nikolaj Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Aleksander Prohorov, Nikolaj Basov, Vitalij Ginzburg in Aleksej Abrikosov. Geim je leta 1982 diplomiral na Fakulteti za splošno in uporabno fiziko (FOPF), Novoselov - na Fakulteti za fizikalno in kvantno elektroniko (FFKE) leta 1997. Oba maturanta sta prejela rdeči diplomi.

"To je super novica. Zelo smo zadovoljni z odločitvijo Nobelovega odbora. MIPT je že poslal čestitke novim Nobelovim nagrajencem," je v torek za RIA Novosti povedal rektor MIPT Nikolaj Kudrjavcev.

Zaposleni so po besedah ​​rektorja »iz arhiva dvignili svoje osebne mape in se prepričali, da so odlični študenti«. Hkrati Andrey Geim ni prvič vstopil na inštitut, saj je eno leto delal v tovarni, vendar je "pokazal vztrajnost" in postal študent Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo.

"V celotnem času študija na FOPF je Geim prejel najvišje ocene učiteljev. Geimovo zaključno delo pa je komisija za diplome ocenila izjemno visoko," je dejal vodja Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo.

Študent 152. skupine Fakultete za fizikalno in kvantno elektroniko Konstantin Novoselov je, kot je opozoril Kudryavtsev, "neredno obiskoval pouk, vendar je vse naloge uspešno in pravočasno oddal."

"In tudi ocene učiteljev o Novoselovu so najvišje. To pomeni, da je bil tako nadarjen, da mu na splošno ni bilo treba hoditi v vse razrede," je komentiral rektor Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo. arhivske dokumente.

Od Schnobela do Nobela

Geimov kolega, Konstantin Novoselov, je postal najmlajši Nobelov nagrajenec z ruskim državljanstvom: 36-letni fizik je šest let mlajši od svojega sovjetskega kolega Nikolaja Basova, ki je pri 42 letih leta 1964 prejel nagrado za svoje delo na področju kvantne elektronike, ki je vodilo do nastanka oddajnikov in ojačevalcev na principu laser-maser.

Najmlajši dobitnik Nobelove nagrade v zgodovini je bil Lawrence Bragg, ki si je pri 25 letih delil nagrado za fiziko z očetom Williamom Henryjem Braggom. Naslednja štiri mesta na lestvici najmlajših nagrajencev v zgodovini prav tako zasedajo fiziki: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Karl Anderson in Paul Dirac so nagrade prejeli pri 31 letih.

Konstantin Novoselov pa se bo v zgodovino zapisal kot prvi pripadnik generacije, rojene v sedemdesetih. Preteklo desetletje na seznamu nagrajencev predstavljajo fizik Eric Cornell, biologa Carol Greider in Craig Mello ter predsednik ZDA Barack Obama, ki je prejel Nobelovo nagrado za mir. Na seznamu nagrajencev ni nikogar, mlajšega od letnika 1961, razen Novoselova.

Od urednika: Če se dotaknemo teme modernizacije ruskega gospodarstva in razvoja visokih tehnologij v naši državi, smo si zadali nalogo, da ne le opozorimo bralce na pomanjkljivosti, ampak tudi govorimo o pozitivnih primerih. Še več, obstajajo, in to veliko. Prejšnji teden smo govorili o razvoju gorivnih celic v Rusiji, danes pa bomo govorili o grafenu, za preučevanje lastnosti katerega so "naši nekdanji ljudje" nedavno prejeli Nobelovo nagrado. Izkazalo se je, da v Rusiji, oziroma v Novosibirsku, zelo resno delajo na tem materialu.

Silicij kot osnova mikroelektronike je trdno osvojil svoj položaj v visokotehnološkem prostoru in to se ni zgodilo po naključju. Prvič, siliciju je relativno enostavno dati želene lastnosti. Drugič, znanost ga pozna že dolgo in ga preučujejo "navzgor in navzdol". Tretji razlog je, da so bila v silicijeve tehnologije vložena res ogromna sredstva in le malokdo si bo zdaj upal staviti na nov material. Navsezadnje bo za to treba obnoviti ogromen industrijski sektor. Raje ga zgradite skoraj iz nič.

Vendar pa obstajajo tudi drugi kandidati za vodstvo kot polprevodniški material. Na primer grafen, ki je po Nobelovi nagradi za preučevanje njegovih lastnosti postal zelo moden. Dejansko obstajajo razlogi za prehod s silicija nanj, saj ima grafen številne pomembne prednosti. A ali bomo na koncu prišli do »elektronike na osnovi grafena«, še ni jasno, saj poleg prednosti obstajajo tudi slabosti.

Da bi se pogovarjali o možnostih grafena v mikroelektroniki in njegovih edinstvenih lastnostih, smo se v Novosibirsku srečali z glavnim raziskovalcem Inštituta za anorgansko kemijo. A. V. Nikolaev SB RAS, doktor kemijskih znanosti, profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimir Efimovič, kakšen je trenutni položaj silicija v mikroelektroniki?

Vladimir Fedorov: Silicij se že zelo dolgo uporablja v industriji kot glavni polprevodniški material. Dejstvo je, da se zlahka dopira, se pravi, da se mu lahko dodajajo atomi različnih elementov, ki usmerjeno spreminjajo fizikalne in kemijske lastnosti. Takšna modifikacija silicija visoke čistosti omogoča pridobivanje polprevodniških materialov tipa n ali p. Tako usmerjeno dopiranje silicija uravnava funkcionalne lastnosti materialov, ki so pomembni za mikroelektroniko.

Silicij je resnično edinstven material, zato je bilo vanj vloženega toliko truda, denarja in intelektualnih virov. Temeljne lastnosti silicija so tako podrobno raziskane, da je splošno razširjeno mnenje, da ga preprosto ne more nadomestiti. Vendar pa so nedavne raziskave o grafenu dale zeleno luč drugemu mnenju, ki pravi, da je mogoče nove materiale napredovati do te mere, da lahko nadomestijo silicij.

Kristalna struktura silicija

Takšne razprave se v znanosti občasno pojavljajo in se praviloma rešijo šele po resnih raziskavah. Na primer, nedavno je prišlo do podobne situacije z visokotemperaturnimi superprevodniki. Leta 1986 sta Bednorz in Müller odkrila superprevodnost v barijev-lantan-bakrovem oksidu (za to odkritje sta prejela Nobelovo nagrado že leta 1987 - leto dni po odkritju!), ki je bila zaznana pri temperaturi, bistveno višji od vrednosti značilnost znanega časa superprevodnih materialov. Hkrati se struktura kupratnih superprevodnih spojin bistveno razlikuje od nizkotemperaturnih superprevodnikov. Nato je plazu podobna študija povezanih sistemov privedla do proizvodnje materialov s temperaturo superprevodnega prehoda 90 K in več. To je pomenilo, da kot hladilno sredstvo ni mogoče uporabiti dragega in muhastega tekočega helija, temveč tekoči dušik - v plinasti obliki ga je v naravi veliko, poleg tega pa je veliko cenejši od helija.

A na žalost je ta evforija po skrbnem raziskovanju novih visokotemperaturnih superprevodnikov kmalu minila. Ti polikristalni materiali so tako kot drugi kompleksni oksidi podobni keramiki: so krhki in neduktilni. Izkazalo se je, da ima superprevodnost znotraj vsakega kristala dobre parametre, vendar so v kompaktnih vzorcih kritični tokovi precej nizki, kar je posledica šibkih stikov med zrni materiala. Šibki Josephsonovi stiki med superprevodnimi zrni ne omogočajo izdelave materiala (na primer izdelave žice) z visokimi superprevodnimi lastnostmi.

Solarna baterija na osnovi polikristalnega silicija

Enaka situacija se lahko zgodi z grafenom. Trenutno so bile zanj ugotovljene zelo zanimive lastnosti, vendar je treba opraviti še obsežne raziskave, da bi dokončno odgovorili na vprašanje o možnosti pridobivanja tega materiala v industrijskem obsegu in njegove uporabe v nanoelektroniki.

Alla Arshinova: Ali lahko prosim pojasnite, kaj je grafen in kako se razlikuje od grafita?

Vladimir Fedorov: Grafen je monoatomska plast, sestavljena iz ogljikovih atomov, ki ima tako kot grafit mrežo v obliki satja. In grafit je naložen drug na drugega v kupu grafenskih plasti. Grafenske plasti v grafitu so med seboj povezane z zelo šibkimi van der Waalsovimi vezmi, zato jih je na koncu mogoče raztrgati. Ko pišemo s svinčnikom, je to primer dejstva, da luščimo plasti grafita. Res je, sled svinčnika, ki ostane na papirju, še ni grafen, ampak grafenska večplastna struktura.

Zdaj lahko vsak otrok z vso resnostjo reče, da ne samo prevaja papir, ampak ustvarja najkompleksnejšo grafensko večplastno strukturo.

Toda če je mogoče takšno strukturo razdeliti na eno plast, potem dobimo pravi grafen. Podobne cepitve sta opravila tudi letošnja Nobelova nagrajenca za fiziko Geim in Novoselov. Grafit jim je uspelo razcepiti z lepilnim trakom in po študiju lastnosti te »grafitne plasti« se je izkazalo, da ima zelo dobre parametre za uporabo v mikroelektroniki. Ena izmed izjemnih lastnosti grafena je njegova visoka mobilnost elektronov. Pravijo, da bo grafen postal nepogrešljiv material za računalnike, telefone in drugo opremo. Zakaj? Kajti na tem področju obstaja težnja po pospeševanju postopkov obdelave informacij. Te rutine so povezane s frekvenco ure. Višja kot je delovna frekvenca, več operacij je mogoče obdelati na časovno enoto. Zato je hitrost nosilcev naboja zelo pomembna. Izkazalo se je, da se nosilci naboja v grafenu obnašajo kot relativistični delci z ničelno efektivno maso. Takšne lastnosti grafena nam resnično omogočajo upanje, da bo mogoče ustvariti naprave, ki bodo sposobne delovati na frekvencah terahercev, ki so nedostopne za silicij. To je ena najbolj zanimivih lastnosti materiala.

Nobelova nagrajenca za fiziko 2010 Andrej Geim in Konstantin Novoselov

Iz grafena je mogoče pridobiti prožne in prozorne filme, ki so prav tako zelo zanimivi za številne aplikacije. Še en plus je, da je zelo preprost in zelo lahek material, lažji od silicija; poleg tega je v naravi veliko ogljika. Če torej res najdejo način za uporabo tega materiala v visokih tehnologijah, potem bo seveda imel dobre možnosti in bo morda sčasoma nadomestil silicij.

Vendar obstaja ena temeljna težava, povezana s termodinamično stabilnostjo nizkodimenzionalnih prevodnikov. Kot je znano, so trdna telesa razdeljena na različne prostorske sisteme; na primer 3D (tridimenzionalni) sistem vključuje razsute kristale. Dvodimenzionalni (2D) sistemi so predstavljeni s plastnimi kristali. In verižne strukture pripadajo enodimenzionalnemu (1D) sistemu. Nizkodimenzionalne - 1D verižne in 2D plastne strukture s kovinskimi lastnostmi torej niso stabilne s termodinamičnega vidika, saj se z nižanjem temperature rado spremenijo v sistem, ki izgubi kovinske lastnosti. To so tako imenovani prehodi kovina-izolator. Kako stabilni bodo materiali grafena v nekaterih napravah, bomo še videli. Grafen je seveda zanimiv, tako z vidika električnih kot mehanskih lastnosti. Menijo, da je monolitna plast grafena zelo močna.

Alla Arshinova: Močnejši od diamanta?

Vladimir Fedorov: Diamant ima tridimenzionalne vezi, mehansko je zelo močan. V grafitu v ravnini so medatomske vezi enake, morda močnejše. Dejstvo je, da bi se s termodinamičnega vidika diamant moral spremeniti v grafit, saj je grafit stabilnejši od diamanta. Toda v kemiji sta dva pomembna dejavnika, ki nadzorujeta proces transformacije: to sta termodinamična stabilnost faz in kinetika procesa, to je hitrost transformacije ene faze v drugo. Diamanti torej že stoletja ležijo v svetovnih muzejih in se nočejo spremeniti v grafit, čeprav bi se morali. Mogoče se bodo čez milijone let še spremenili v grafit, čeprav bi bilo škoda. Proces pretvorbe diamanta v grafit pri sobni temperaturi je zelo počasen, če pa diamant segrejete na visoko temperaturo, bo kinetično oviro lažje premagati in to se bo zagotovo zgodilo.

Grafit v izvirni obliki

Alla Arshinova: Dejstvo, da se grafit lahko razcepi na zelo tanke kosmiče, je že dolgo znano. Kakšen je bil torej dosežek Nobelovih nagrajencev za fiziko leta 2010?

Vladimir Fedorov: Verjetno poznate takšnega lika, kot je Petrik. Po podelitvi Nobelove nagrade Andreju Geimu in Konstantinu Novoselovu je izjavil, da so mu Nobelovo nagrado ukradli. Game je v odgovoru dejal, da so takšni materiali res znani že zelo dolgo, vendar so nagrado dobili za proučevanje lastnosti grafena in ne za odkritje metode za njegovo pridobivanje kot takega. Pravzaprav je njihova zasluga ta, da jim je uspelo iz visoko usmerjenega grafita odcepiti zelo kakovostne grafenske plasti in podrobno preučiti njihove lastnosti. Kakovost grafena je zelo pomembna, tako kot pri tehnologiji silicija. Ko so se naučili pridobivati ​​silicij zelo visoke čistosti, je šele takrat postala mogoča elektronika na njegovi osnovi. Enako velja za grafen. Geim in Novoselov sta vzela zelo čist grafit s popolnimi plastmi, uspela odcepiti eno plast in preučevala njegove lastnosti. Bili so prvi, ki so dokazali, da ima ta material vrsto edinstvenih lastnosti.

Alla Arshinova: V zvezi s podelitvijo Nobelove nagrade znanstvenikom ruskih korenin, ki delajo v tujini, se naši rojaki, ki so daleč od znanosti, sprašujejo, ali je bilo mogoče priti do enakih rezultatov pri nas v Rusiji?

Vladimir Fedorov: Verjetno je bilo mogoče. Le ob pravem času so odšli. Njihov prvi članek, objavljen v Nature, je bil soavtor več znanstvenikov iz Černogolovke. Očitno so v tej smeri delali tudi naši ruski raziskovalci. Vendar ga ni uspelo prepričljivo dokončati. Škoda. Morda so eden od razlogov ugodnejši pogoji za delo v tujih znanstvenih laboratorijih. Pred kratkim sem prispel iz Koreje in lahko primerjam tamkajšnje delovne pogoje z delom doma. Tako me tam ni nič skrbelo, doma pa - polno rutinskih obveznosti, ki vzamejo veliko časa in nenehno odvračajo pozornost od glavne stvari. Dobil sem vse, kar sem potreboval, in to z neverjetno hitrostjo. Na primer, če potrebujem kakšen reagent, napišem obvestilo - in naslednji dan mi ga prinesejo. Sumim, da imajo tudi Nobelovi nagrajenci zelo dobre pogoje za delo. No, vztrajnosti so imeli dovolj: večkrat so poskušali dobiti dober material in končno dosegli uspeh. Za to so res porabili ogromno časa in truda in nagrada v tem smislu je zaslužena.

Alla Arshinova: In kakšne so pravzaprav prednosti grafena v primerjavi s silicijem?

Vladimir Fedorov: Prvič, rekli smo že, da ima visoko mobilnost nosilcev, kot pravijo fiziki, nosilci naboja nimajo mase. Masa vedno upočasni gibanje. In v grafenu se elektroni gibljejo tako, da lahko smatramo, da nimajo mase. Ta lastnost je edinstvena: če obstajajo drugi materiali in delci s podobnimi lastnostmi, so izjemno redki. Grafen se je v tem izkazal za dobrega in se v tem dobro primerja s silicijem.

Drugič, grafen ima visoko toplotno prevodnost, kar je zelo pomembno za elektronske naprave. Je zelo lahka in grafenska plošča je prozorna in upogljiva ter jo je mogoče zviti. Grafen je lahko tudi zelo poceni, če se razvijejo optimalne metode za njegovo proizvodnjo. Navsezadnje "metoda škota", ki sta jo pokazala Game in Novoselov, ni industrijska. S to metodo se pridobijo res kvalitetni vzorci, vendar v zelo majhnih količinah, le za raziskave.

In zdaj kemiki razvijajo druge načine za pridobivanje grafena. Navsezadnje morate dobiti velike liste, da lahko začnete proizvodnjo grafena. S temi vprašanji se ukvarjamo tudi pri nas, na Inštitutu za anorgansko kemijo. Če je mogoče grafen sintetizirati z metodami, ki bi omogočile proizvodnjo visokokakovostnega materiala v industrijskem obsegu, potem obstaja upanje, da bo revolucioniral mikroelektroniko.

Alla Arshinova: Kot je verjetno vsem že znano iz medijev, lahko grafensko večplastno strukturo dobimo s pomočjo svinčnika in lepilnega traku. In kakšna je tehnologija za pridobivanje grafena, ki se uporablja v znanstvenih laboratorijih?

Vladimir Fedorov: Obstaja več metod. Eden od njih je znan že zelo dolgo, temelji na uporabi grafitnega oksida. Njegov princip je precej preprost. Grafit se postavi v raztopino močno oksidativnih snovi (na primer žveplove, dušikove kisline itd.), Ko se segreje, pa začne delovati z oksidanti. V tem primeru je grafit razcepljen na več listov ali celo na enoatomske plasti. Toda nastale enoplastne plasti niso grafen, temveč oksidiran grafen, ki ima vezane kisikove, hidroksilne in karboksilne skupine. Zdaj je glavna naloga obnoviti te plasti v grafen. Ker pri oksidaciji nastanejo majhni delci, jih je treba nekako zlepiti, da dobimo monolit. Prizadevanja kemikov so usmerjena v razumevanje, kako je mogoče izdelati grafensko ploščo iz grafitnega oksida, katere proizvodna tehnologija je znana.

Obstaja še ena metoda, prav tako precej tradicionalna in znana že dolgo - to je kemično nanašanje s paro s sodelovanjem plinastih spojin. Njegovo bistvo je naslednje. Reakcijske snovi najprej sublimiramo v plinsko fazo, nato jih spustimo skozi substrat, segret na visoke temperature, na katerega nanesemo želene plasti. Ko izberemo začetni reagent, na primer metan, ga lahko razgradimo tako, da se vodik odcepi, ogljik pa ostane na substratu. Toda te procese je težko nadzorovati in težko je dobiti idealno plast.

Grafen je ena od alotropnih modifikacij ogljika

Obstaja še ena metoda, ki se zdaj začenja aktivno uporabljati - metoda uporabe interkaliranih spojin. V grafitu, tako kot v drugih plastnih spojinah, se lahko med plastmi nahajajo molekule različnih snovi, ki jih imenujemo "gostujoče molekule". Grafit je "gostiteljska" matrika, kamor oskrbujemo "goste". Ko so gostje vključeni v gostiteljsko mrežo, so plasti seveda ločene. To je točno tisto, kar je potrebno: proces interkalacije razgradi grafit. Interkalirane spojine so zelo dobri predhodniki za pridobivanje grafena - od tam morate le odstraniti "goste" in preprečiti, da bi se plasti sesedle nazaj v grafit. Pri tej tehnologiji je pomemben korak postopek pridobivanja koloidnih disperzij, ki jih je mogoče pretvoriti v grafenske materiale. V našem zavodu ta pristop podpiramo. Po našem mnenju je to najnaprednejša smer, od katere pričakujemo zelo dobre rezultate, saj lahko izolirane plasti najenostavneje in najučinkoviteje dobimo iz različnih vrst interkaliranih spojin.

Grafen je po strukturi podoben satju. In v zadnjem času je postala zelo "sladka" tema

Obstaja še en način, ki se imenuje popolna kemična sinteza. Leži v tem, da so potrebni "satovji" sestavljeni iz preprostih organskih molekul. Organska kemija ima zelo razvit sintetični aparat, ki omogoča pridobivanje ogromno različnih molekul. Zato z metodo kemijske sinteze poskušamo pridobiti grafenske strukture. Doslej je bilo mogoče ustvariti grafensko ploščo, sestavljeno iz približno dvesto ogljikovih atomov.

Razvijajo se tudi drugi pristopi k sintezi grafena. Kljub številnim težavam znanost v tej smeri uspešno napreduje. Obstaja veliko zaupanje, da bodo obstoječe ovire premagane, grafen pa bo prinesel nov mejnik v razvoju visokih tehnologij.

Doktorica kemije Tatyana Zimina.

Nobelovo nagrado za fiziko leta 2010 so prejeli za raziskave grafena, dvodimenzionalnega materiala, ki izkazuje nenavadne in hkrati zelo uporabne lastnosti. Njegovo odkritje ne obljublja le novih tehnologij, temveč tudi razvoj temeljne fizike, kar lahko privede do novih spoznanj o strukturi snovi. Letošnja Nobelova nagrajenca za fiziko sta Andre Game in Konstantin Novoselov, profesorja Univerze v Manchestru (Velika Britanija), diplomanta Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo.

Atomi ogljika v grafenu tvorijo dvodimenzionalni kristal s heksagonalnimi celicami.

Nobelov nagrajenec za fiziko leta 2010 Andre Geim (rojen leta 1958) je profesor na Univerzi v Manchestru (UK). Diplomiral na Moskovskem inštitutu za fiziko in tehnologijo, zagovarjal doktorsko disertacijo na Inštitutu za fiziko trdne snovi (Černogolo).

Nobelov nagrajenec za fiziko 2010 Konstantin Novoselov (rojen leta 1974) je profesor na Univerzi v Manchestru (Združeno kraljestvo) in diplomant Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo. Delal je na Inštitutu za probleme tehnologije mikroelektronike in

Grafen je ena od alotropnih oblik ogljika. Najprej so ga pridobivali s postopnim luščenjem tankih plasti grafita. Grafen, prepognjen, tvori nanocevko ali fuleren.

Ena od možnih aplikacij grafena je ustvarjanje nove tehnologije za dešifriranje kemijske strukture (sekvence) DNK na njegovi osnovi. Znanstveniki z Inštituta za nanoznanost Kavli (Nizozemska) pod vodstvom profesorja Dekkeja

Grafen, le en atom debel material, je zgrajen iz "mreže" ogljikovih atomov, ki so kot satje razporejeni v heksagonalne (heksagonalne) celice. To je še ena alotropna oblika ogljika skupaj z grafitom, diamantom, nanocevkami in fulerenom. Material ima odlično električno prevodnost, dobro toplotno prevodnost, visoko trdnost in je skoraj popolnoma prozoren.

Ideja o pridobivanju grafena je "ležala" v kristalni mreži grafita, ki je plastna struktura, ki jo tvorijo šibko vezane plasti ogljikovih atomov. To pomeni, da je grafit dejansko mogoče predstaviti kot niz med seboj povezanih grafenskih plasti (dvodimenzionalnih kristalov).

Grafit je slojevit material. To lastnost so uporabili Nobelovi nagrajenci za pridobivanje grafena, kljub dejstvu, da je teorija predvidevala (in predhodni poskusi potrdili), da dvodimenzionalni ogljikov material ne more obstajati pri sobni temperaturi - preoblikoval se bo v druge alotropne oblike ogljika, za na primer zložiti v nanocevke ali v sferične fulerene.

Mednarodna ekipa znanstvenikov pod vodstvom Andreja Geima, ki je vključevala raziskovalce z Univerze v Manchestru (Velika Britanija) in Inštituta za probleme tehnologije mikroelektronike in visoko čistih materialov (Rusija, Černoglavka), je pridobila grafen s preprostim luščenjem grafitnih plasti. Da bi to naredili, je bil navaden lepilni trak prilepljen na kristal grafita in nato odstranjen: na traku so ostali najtanjši filmi, med katerimi so bili tudi enoslojni. (Kako se ne spomnite: "Vse genialno je preprosto!") Kasneje so s to tehniko pridobili še druge dvodimenzionalne materiale, vključno z visokotemperaturnim superprevodnikom Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Zdaj se ta metoda imenuje "mikromehansko ločevanje", omogoča vam, da dobite najkakovostnejše vzorce grafena do velikosti 100 mikronov.

Druga odlična ideja bodočih Nobelovih nagrajencev je bila nanos grafena na podlago iz silicijevega oksida (SiO 2 ). Zahvaljujoč temu postopku je grafen postalo mogoče opazovati pod mikroskopom (od optične do atomske sile) in proučevati.

Že prvi poskusi z novim materialom so pokazali, da v rokah znanstvenikov ni le še ena oblika ogljika, temveč nov razred materialov z lastnostmi, ki jih ni mogoče vedno opisati s stališča klasične teorije fizike trdne snovi.

Nastali dvodimenzionalni material, ki je polprevodnik, ima podobno prevodnost kot eden najboljših kovinskih prevodnikov - baker. Njegovi elektroni imajo zelo visoko mobilnost, kar je povezano s posebnostmi njegove kristalne strukture. Očitno je zaradi te kakovosti grafena, skupaj z njegovo nanometrsko debelino, kandidat za material, ki bi lahko v elektroniki, vključno s prihodnjimi hitrimi računalniki, nadomestil silicij, ki ne ustreza trenutnim zahtevam. Raziskovalci verjamejo, da nov razred grafenske nanoelektronike z debelino osnovnega tranzistorja ne več kot 10 nm (tranzistor z učinkom polja je bil že pridobljen na grafenu) ni daleč.

Zdaj fiziki delajo na nadaljnjem povečanju mobilnosti elektronov v grafenu. Izračuni kažejo, da je omejitev mobilnosti nosilcev naboja v njem (in s tem prevodnosti) povezana s prisotnostjo nabitih nečistoč v SiO 2 substratu. Če se naučimo pridobivati ​​"prosto viseče" grafenske filme, potem lahko mobilnost elektronov povečamo za dva reda velikosti - do 2×10 6 cm 2 /V. z. Takšni poskusi že potekajo in precej uspešno. Res je, da je idealen dvodimenzionalni film v prostem stanju nestabilen, a če se v prostoru deformira (to pomeni, da ni popolnoma raven, ampak na primer valovit), mu je stabilnost zagotovljena. Takšen film se lahko uporabi na primer za izdelavo nanoelektromehanskega sistema - zelo občutljivega plinskega senzorja, ki se lahko odzove celo na eno samo molekulo, ki se pojavi na njegovi površini.

Druge možne uporabe grafena: v elektrodah superkondenzatorjev, v sončnih celicah, za ustvarjanje različnih kompozitnih materialov, vključno z ultralahkimi in visoko trdnimi (za letalstvo, vesoljska plovila itd.), Z dano prevodnostjo. Slednji so lahko zelo različni. Sintetiziran je bil na primer material grafan, ki je za razliko od grafena izolator (glej "Znanost in življenje" št.). Dobili so ga tako, da so vsakemu ogljikovemu atomu izhodnega materiala pritrdili atom vodika. Pomembno je, da lahko z enostavnim segrevanjem (žarjenjem) grafana povrnemo vse lastnosti izhodnega materiala – grafena. Hkrati grafen, dodan plastiki (izolator), jo spremeni v prevodnik.

Skoraj popolna prosojnost grafena kaže na njegovo uporabo v zaslonih na dotik, in če se spomnimo njegove "supertankosti", potem so možnosti za njegovo uporabo za prihodnje prilagodljive računalnike (ki jih je mogoče zviti kot časopis), zapestnice za ure, plošče z mehko svetlobo. razumljivo.

Toda vsaka uporaba materiala zahteva njegovo industrijsko proizvodnjo, za kar metoda mikromehanskega ločevanja, ki se uporablja v laboratorijskih raziskavah, ni primerna. Zato se zdaj v svetu razvija ogromno drugih načinov za njegovo pridobitev. Kemične metode za pridobivanje grafena iz mikrokristalov grafita so že bile predlagane. Eden od njih na primer proizvaja grafen, vdelan v polimerno matriko. Opisano je tudi nanašanje s paro, rast pri visokem tlaku in temperaturi na podlagah iz silicijevega karbida. V slednjem primeru, ki je najbolj primeren za industrijsko proizvodnjo, nastane film z lastnostmi grafena s termično razgradnjo površinske plasti substrata.

Vrednost novega materiala za razvoj fizikalnih raziskav je fantastično velika. Kot poudarjata Sergej Morozov (Inštitut za probleme tehnologije mikroelektronike in visoko čiste materiale Ruske akademije znanosti), Andre Geim in Konstantin Novoselov v svojem članku, objavljenem leta 2008 v reviji Uspekhi fizicheskih nauk, »grafen pravzaprav odpira nova znanstvena paradigma - “relativistična” fizika trdne snovi, v kateri je zdaj mogoče preučevati kvantne relativistične pojave (od katerih nekateri niso uresničljivi niti v fiziki visokih energij) v običajnih laboratorijskih pogojih ... Prvič v trdni snovi -state eksperiment, je mogoče raziskati vse nianse in raznolikost kvantne elektrodinamike. To pomeni, da govorimo o dejstvu, da je veliko pojavov, katerih preučevanje je zahtevalo izdelavo ogromnih pospeševalnikov delcev, zdaj mogoče raziskati oboroženo z veliko preprostejšim orodjem - najtanjšim materialom na svetu.

Strokovni komentar

Razmišljali smo o tranzistorju z učinkom polja ...

Uredniki so kolega in soavtorja prosili za komentar o rezultatih dela nobelovcev Andreja Geima in Konstantina Novoselova. Sergej Morozov, vodja laboratorija Inštituta za probleme tehnologije mikroelektronike in materialov visoke čistosti Ruske akademije znanosti (Černogolovka), odgovarja na vprašanja Tatyane Zimine, dopisnice Science and Life.

Kako je prišlo do ideje, da bi dobili dvodimenzionalni ogljikov material? V zvezi s čim? Ste od te oblike ogljika pričakovali kakšne nenavadne lastnosti?

Sprva nismo imeli cilja dobiti dvodimenzionalni material iz polkovine, poskušali smo izdelati tranzistor z učinkom polja. Kovine, tudi debele en atom, za to niso primerne – imajo preveč prostih elektronov. Najprej smo iz kristala grafita dobili nešteto atomskih ravnin, nato smo začeli izdelovati vse tanjše plošče, dokler nismo dobili enoatomske plasti, torej grafena.

Grafen se med teoretiki ukvarja že dolgo, od sredine 20. stoletja. Uvedli so tudi samo ime dvodimenzionalnega ogljikovega materiala. Prav grafen je postal teoretikom (dolgo pred njegovo eksperimentalno proizvodnjo) izhodišče za izračun lastnosti drugih oblik ogljika - grafita, nanocevk, fuleren. Teoretično je tudi najbolj dobro opisana. Seveda teoretiki preprosto niso upoštevali nobenih učinkov, ki so jih zdaj odkrili eksperimentalno. Elektroni v grafenu se obnašajo kot relativistični delci. Toda nihče prej ni razmišljal o tem, kako bi izgledal Hallov učinek v primeru relativističnih delcev. Odkrili smo novo vrsto kvantnega Hallovega učinka, ki je bila ena prvih presenetljivih potrditev edinstvenosti elektronskega podsistema v grafenu. Enako lahko rečemo o Kleinovem paradoksu, ki je del grafena in je znan iz fizike visokih energij. V tradicionalnih polprevodnikih ali kovinah lahko elektroni tunelirajo skozi potencialne ovire, vendar z verjetnostjo veliko manjšo od ena. V grafenu elektroni (kot relativistični delci) prodrejo brez odboja tudi skozi neskončno visoke potencialne ovire.

Zakaj so verjeli, da bi bil dvodimenzionalni ogljikov material (grafen) pri sobni temperaturi nestabilen? In kako si ga potem dobil?

Zgodnje delo teoretikov, ki je pokazalo nestabilnost dvodimenzionalnih materialov, se nanaša na neskončni idealni dvodimenzionalni sistem. Kasnejše delo je pokazalo, da lahko v dvodimenzionalnem sistemu še vedno obstaja red na dolge razdalje (ki je neločljivo povezan s kristalnimi telesi. - Ed.) pri končni temperaturi (sobna temperatura za kristal je dokaj nizka temperatura). Pravi grafen v suspenziji pa očitno ni popolnoma raven, je rahlo valovit - višina vzponov v njem je reda velikosti nanometra. V elektronskem mikroskopu ti "valovi" niso vidni, vendar obstajajo druge potrditve zanje.

Grafen je polprevodnik, če prav razumem. Tu in tam pa najdem definicijo - semi-metal. V kateri razred materialov spada?

Polprevodniki imajo prepovedani pas določene širine. Grafen ima nič. Tako ga lahko imenujemo polprevodnik z ničelno vrzeljo ali polmetal s prekrivanjem ničelnega pasu. To pomeni, da zavzema vmesni položaj med polprevodniki in polkovinami.

Ponekod v poljudni literaturi se omenjajo še drugi dvodimenzionalni materiali. Je vaša skupina poskusila kaj od tega?

Dobesedno leto po pridobitvi grafena smo pridobili dvodimenzionalne materiale iz drugih slojevitih kristalov. To so na primer borov nitrid, nekateri dihalkogenidi, visokotemperaturni superprevodnik Bi-Sr-Ca-Cu-O. Niso ponovili lastnosti grafena - nekateri so bili na splošno dielektriki, drugi so imeli zelo nizko prevodnost. Veliko raziskovalnih skupin v svetu se ukvarja s preučevanjem dvodimenzionalnih materialov. Zdaj uporabljamo borov nitrid kot substrat za grafenske strukture. Izkazalo se je, da to radikalno izboljša lastnosti grafena. Tudi če govorimo o uporabi grafena za ustvarjanje kompozitnih materialov, je borov nitrid tukaj eden njegovih glavnih konkurentov.

- Katere so najbolj obetavne metode za proizvodnjo grafena?

Po mojem mnenju zdaj obstajata dve glavni metodi. Prvi je rast na površini filmov nekaterih redkih zemeljskih kovin, pa tudi bakra in niklja. Potem je treba grafen prenesti na druge substrate, in tega so se že naučili. Ta tehnologija se premika v fazo komercialnega razvoja.

Druga metoda je gojenje na silicijevem karbidu. Bilo pa bi lepo naučiti se gojiti grafen na siliciju, na katerem je zgrajena vsa sodobna elektronika. Potem bi šel razvoj grafenskih naprav skokovito, saj bi grafenska elektronika seveda razširila funkcionalnost tradicionalne mikroelektronike.