Плоский графеновый мир

Лауреат Нобелевской премии по физике за 2010 год Андре Гейм.
Фото Reuters

Весть о присуждении Нобелевской премии по физике за 2010 год Андре Гейму и Константину Новоселову за получение и исследование свойств графена задела интересы многих исследователей в России. На сегодняшний день графен самый тонкий – толщиной в один атом – графитовый материал. И самый прочный к тому же (в 200 раз прочнее стали), так как подобные материалы практически не имеют дефектов, снижающих прочность твердых тел.

Авторы получили графен играючи. Они взяли липкую ленту (скотч), приклеили ее к графиту и затем отслоили ее от поверхности графита. На скотче остался темный слой графита, что хорошо видно на просвет (можете проделать это дома, зачернив грифелем карандаша полоску бумаги, прикатав к этому месту скотч и отслоив его). Затем на слой графита приклеили другую полоску скотча и снова отслоили его – слой графита стал тоньше. Операцию повторили многократно, пока на скотче не остался один слой графита – это и был графен.

Но, оказывается, Гейм и Новоселов не были одиноки в своих исследованиях монослойных материалов. На «супероборудовании» (обыкновенная зубочистка с приклеенным к ее кончику кусочком графита) получил графен американец Скотт Банч. Для этого он провел кусочком графита по пластине оксида кремния с вытравленными на ней бороздками шириной 1 микрон. На выступах бороздок получались пленки различной толщины, вплоть до одноатомной (графен). Было это шесть лет назад. А вот для того, чтобы убедиться в этом, необходимо было действительно современное оборудование – атомносиловой микроскоп, к примеру.

Что же собой представляет графит? Это минерал слоистой структуры, расщепляющийся на пластиночки-листочки. Таких материалов, вообще говоря, – сотни. Это слюды различных марок, аурипигмент (дисульфид мышьяка), дисульфид молибдена (используется в качестве сухой смазки наряду с графитом), тальк, хризотил-асбест, диборид магния (высокотемпературный сверхпроводник), кристаллическая решетка черного фосфора, графитида, графитоподобная решетка нитрида бора.

Получить планарные (плоские) двумерные пленки фосфора и нитрида бора было бы не менее интересно, чем пленки графена (углерода). Двумерность всегда была загадочной и завораживающей, к примеру тень. Даже поэты и режиссеры откликались на двумерность: «И уже я по горло в двумерную плоскость проник» (Арсений Тарковский).

Знакомы школьники и студенты с тонкой пленкой серебра (реакция серебряного зеркала), сформированной на поверхности стеклянной колбы. До какой толщины можно ее довести? Или ртутная пленка, образующаяся на медной пластине, помещенной в раствор соли ртути. Кто измерял их толщину в зависимости от концентрации соли и времени выдержки? Многим знакомый эффект – после перегорания обыкновенной электролампочки на внутренней стенке колбочки остается сероватая тончайшая пленка вольфрама (часть испарившейся спиральки). Кто замерял ее толщину?

Если золотое кольцо поместить рядом с открытым флаконом настойки йода и накрыть их стаканом, то через некоторое время можно обнаружить на золоте пленку йода темного цвета. Со временем пленка испаряется, то есть переходит и через стадию одноатомного слоя, как и ртутная амальгама. Японские ученые создали жидкий кремний, после полного испарения которого с твердой подложки не остается ничего. Значит, этот процесс проходит и через стадию образования монослоя?

Возвращаясь к графену, можно отметить, что экспериментаторы научились переносить слои графена с липкой ленты на твердые подложки (кремний, лавсан, карбид кремния). К примеру, можно прижать пленку графена, образованную на скотче, к подложке окисленного кремния с предварительно нанесенным на нее слоем эпоксидной смолы. После отверждения смолы липкую ленту отслаивают. Пленка графена остается на ровной поверхности пленки эпоксидной смолы, так как ее сцепление со смолой выше, чем со слоем липкого адгезива на скотче.

Можно вдавить пленку графена в нагретую поверхность лавсана, использовать другие ухищрения. А затем исследовать прочностные, электропроводящие свойства графена, теплопроводность и т.п. Нобеля за простые игрушки не дают. Для ряда экспериментов используют графеновые пленки (как одно-, так и многослойные), полученные способами плазмохимического осаждения из газовой фазы на подложки из карбида кремния с использованием электростатических манипуляций.

Показано, что полученные пленки обладают уникальными физико-химическими характеристиками (высокая подвижность электронов, невиданная механическая прочность, прекрасная электро- и теплопроводность). Все это позволило предложить графен для использования в различных устройствах – гибкие дисплеи, транзисторы (один из типов на 100 гигагерц уже изготовлен в США), прозрачные элементы солнечных батарей. Имея в виду последний случай, уже заговорили о замене кремниевой электроники на графеновую. Правда, это дело ближайшего будущего. Впрочем, получать графеновые пленки больших размеров уже научились. По крайней мере, на медной фольге получены подобные пленки площадью один квадратный сантиметр, и нет никаких ограничений для больших размеров.

Что касается других упомянутых материалов, то расщеплением получены листочки слюд толщиной около 75 нм, листочки аурипигмента толщиной 1 мкм и менее. Даже в таких толстых слоях они прозрачны. Способ тот же – с использованием скотчей. А тоньше и не пытались сделать. Слюдяные пластины до сих пор используются в различных устройствах и материалах – слюдопласты, осциллирующие электронно-лучевые трубки, электроизоляционные материалы и т.п.

Слюдяные материалы были известны столетия назад (в древности они служили вместо стекол), а графен открыт лишь шесть лет назад – в 2004 году. Существование подобных материалов предсказано физиком П.Волласом в 1947 году. Так что сюрпризов предвидится еще немало. Их, сюрпризов, еще и у слюды достаточно. Так, слюда марки вермикулит (рыхлая, режется ножом) легко расслаивается на тончайшие пластинки при повышенных температурах, в пламени спички например. При этом пластинка разбухает в 18–25 раз!

Одинок ли графен как атомноразмерный по толщине объект? Думаю, нет. В принципе, графен можно рассматривать как мономолекулярную пленку – чаще употребляется определение «молекула графена». Некоторые исследователи рассматривают соединения со слоистой структурой как двумерные макромолекулы. Так, между слоями у графита расстояние 0,335 нм, связь слабая, он оставляет след на бумаге. У нитрида бора расстояние между шестиугольниками почти такое же (0,330 нм), но они расположены точно друг над другом, и смазочные свойства его выше, чем у графита. Сюрпризов и загадок предвидится достаточно.