Погружаясь в глубины графита

Графическое изображение двух извилистых графеновых лент. Электрические, оптические и магнитные свойства графеновых лент сильно зависят от их формы и ширины. Иллюстрация Алексея Липатова

Сегодня удовлетворение большого количество потребностей человечества упирается в необходимость создания новых материалов. Ученые во всем мире разрабатывают материалы с заданными и строго контролируемыми свойствами. Создаются сверхпрочные, сверхлегкие, сверхупругие, магнитомягкие, коррозионно-стойкие материалы, материалы, способные эффективно поглощать радиацию, материалы, обладающие различными комбинациями перечисленных свойств. Список можно продолжать долго. Практически в каждом номере журналов Nature или Science найдется по крайней мере одна статья, посвященная созданию нового материала.

Разработка принципиально новых материалов во второй половине XX века стала возможной благодаря созданию технологий работы с нанообъектами, то есть объектами, размеры которых находятся в интервале от 1 до 100 нм. Один нанометр – это одна миллиардная часть метра, то есть10-9 м, что приблизительно в 100 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса. Материалы, получаемые с использованием наночастиц и применением нанотехнологий, обладают уникальными свойствами.

На наноуровне можно получить много разнообразных материалов из одного-единственного химического элемента. С глубокой древности известен углерод – распространенный в природе химический элемент, существующий, например, в виде алмаза или графита. Но только с приходом нанотехнологий оказалось, что проникновение в глубины графита открывает перед учеными новые возможности. Причем чем меньше размер получаемого материала, тем больше интересных свойств он демонстрирует.

Графит – это углеродный материал со слоистой структурой и слабыми связями между слоями. Из него, например, делают грифели для карандашей. В 2004 году физики Андре Гейм и Константин Новоселов из университета Манчестера обратили внимание на клейкую ленту, с помощью которой готовили образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Ученые склеивали и разлепляли ленту с чешуйками графита, отрывая графитные слои, до тех пор, пока не получили слой графита толщиной в один атом. Так они открыли новый материал – графен.

Выяснилось, что графен обладает уникальным сочетанием электрических, механических, тепловых и оптических свойств. При толщине в один атом графен – один из самых прочных и стабильных в мире материалов. Но оказалось, что возможности по уменьшению размерности материала на этом не исчерпывались...

Если от трехмерного графита отделить один слой, то получится двумерный графен. Но от графена можно перейти к материалу еще меньшей размерности – одномерной графеновой ленте. При этом свойства материала могут измениться еще более радикально. Например, графит и графен – это хорошие электрические проводники, тогда как графеновая лента, в зависимости от своей структуры, может быть как проводником, так и полупроводником.

Открыв семейство графеновых нанолент, ученые получили широкий спектр удивительных свойств – варьируемую в широком диапазоне электрическую проводимость, интересные оптические, а в некоторых случаях даже магнитные свойства, что для углерода в целом не характерно. И все эти свойства демонстрирует семейство наноматериалов, состоящих из одного-единственного элемента – углерода. Набор конкретных свойств материала зависит в первую очередь от ширины графеновой ленты. Однако получить узкие графеновые ленты оказалось не так просто.

Чтобы добиться всех этих уникальных свойств, ученым необходимо сделать так, чтобы нанолента была очень узкой – шириной от 1 до 5 нм. Взять лист графена и вырезать из него ножницами ленту толщиной 2 нм   технически невозможно. Пойти «сверху вниз» и получить из большого объекта очень маленький не получится, даже если использовать самые современные методики наноструктурирования, доступные ведущим компаниям в области полупроводниковых продуктов. Компании Intel, IBM или Samsung способны получать объекты с пределом разрешения только около 10 нм.

Ученые решили пойти «снизу вверх» – синтезировать графеновые ленты с требуемыми свойствами, то есть «собрать» ленты из еще меньших по размеру объектов. Они воспользовались методами органической химии: синтезируются молекулы, содержащие небольшие графеновые фрагменты, из них создаются полимерные цепочки, которые потом преобразуются в графеновые ленты.

Первые графеновые ленты были получены в 2010 году: ученые вырастили небольшое количество графеновых лент в вакууме на монокристалле золота. Однако отделить их от золотой подложки и исследовать физические свойства оказалось непросто. В 2014 году научной группе из Университета штата Небраска впервые удалось масштабировать синтез и получить графеновые ленты с такой же структурой в растворе в большом количестве. По словам руководителя научной группы Университета Небраски (Линкольн, США) Александра Синицкого, его сотрудники научились синтезировать ленты с определенным типом структуры в достаточном количестве, чтобы тестировать их свойства в прототипах различных электронных устройств – фотовольтические элементы и газовые сенсоры.

Перспективы графеновых лент в фотовольтаике связаны с тем, что оптические свойства напрямую зависят от их формы и ширины. Варьируя геометрические параметры графеновых лент, можно добиться большого поглощения солнечного спектра, что необходимо для создания эффективных солнечных элементов.

Ряд научных групп проводит исследования возможности использования графеновых лент вместо традиционного полупроводникового материала – кремния – в транзисторах и логических элементах. В более отдаленной перспективе создание графеновых лент с различными электрическими свойствами может привести к реализации концепции, согласно которой на основе углерода можно будет собирать целые электронные схемы.

Кроме графита в мире существует огромное количество трехмерных слоистых материалов со слабыми связями между слоями. Если эти слои изолировать и изучать в отдельности, то вполне вероятно открытие новых классов новых двумерных материалов, обладающих необычными свойствами. Недавно специалисты из России и Японии открыли двумерный оксид меди – материал, имеющий широкие перспективы для микроэлектроники. Теоретики уже предсказывают существование других двумерных материалов, которые, возможно, смогут принести человечеству ощутимую пользу. Дело теперь за практиками.