Графен: от Нобелевской премии по физике 2010 г.

Нобелевская премия по физике 2010 г. была присуждена двум физикам из Великобритании, Андре Гейму и Константину Новоселову, за их вклад в исследования графена. В этом году награда по физике имеет несколько разных мест.

Во-первых, это первая в истории премия по физике углерода. Еще со школы мы знаем, что углерод имеет две кристаллические формы: один - алмаз, используемый для самых дорогих украшений, а другой - графит, используемый в большинстве обычных карандашей. Мы также знаем, что алмаз - самый твердый природный материал. Графит очень «хрупкий». Кристаллическая структура графита слоистая. Атомы углерода в каждом слое образуют твердую гексагональную структуру, и связь между слоями намного слабее. Поэтому графит легко раскалывается в направлении слоя. Среди обычных веществ, которые мы имеем, «двусторонность» углерода можно назвать уникальной.

Но история только началась. В 1985 году было обнаружено, что углерод имеет другие формы: 60 атомов углерода (C60) могут образовывать мяч, как показано на рисунке 1. Структурная модель C60 похожа на футбольный мяч, поэтому его также называют футболом. Открытие C60 принесло Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Позже люди открыли так называемые «углеродные нанотрубки», трубчатую структуру, состоящую из атомов углерода, которая имеет диаметр около 1 нанометра, но может достигать нескольких сантиметров в длину. Отмеченный наградами графен представляет собой однослойную пленку атомов углерода, которая представляет собой один слой графита. Хотя углерод является наиболее известным элементом, основным компонентом нашего тела и объектом физики на протяжении многих лет, работа по структуре углерода впервые получила Нобелевскую премию по физике.

Премия Physics Awards 2010 стала первой отмеченной наградами работой в 21 веке (2004 г.). Один из лауреатов, Нусалов, был самым молодым лауреатом по физике с 1973 года. Обычно Нобелевская премия по науке носит немного «археологический» характер, и лишь немногие работы скоро получат призы. Важность графена широко признавалась с момента его создания. Возьмите самый авторитетный журнал по физике PhysicalReviewLetters. До награждения работ Гамма и других по графену была всего 21 статья. К моменту объявления Нобелевской премии в октябре 2010 года в статье было 1476 статей. Еще до объявления Нобелевской премии цитируемость работ Нушолова была одной из лучших в физическом мире. Видно, что эта работа создала новую область и быстро привлекла к себе большое внимание. Поэтому данная работа из графена номинирована на «зеленый глаз», надо сказать, что она заслуженная.

Графен «знаменит» отнюдь не случайно, а потому, что это действительно очень волшебный материал. Теоретически двумерные электронные системы обладают множеством уникальных свойств, и исследование квантового эффекта Холла было удостоено двух Нобелевских премий. Многие годы люди искали подходящую экспериментальную платформу для двумерных электронных систем. Графен - первая настоящая двумерная система. Его кристаллическая решетка очень правильная, поэтому это хороший экспериментальный материал, и он может отображать множество интересных квантовых явлений даже при нормальной температуре. Развитие исследований графена позволяет также получать другие материалы с двумерной решеткой.

Что еще более важно, эквивалентная масса электронов в графене равна нулю из-за его уникальной зонной структуры. Это означает, что эти электроны (строго говоря, эквивалентные носители) подчиняются закону относительности, как фотоны, хотя их скорость движения составляет всего несколько сотых скорости света. Например, у них есть физические параметры, такие как «поляризация». Таким образом, графен по-прежнему остается платформой для наблюдения и проверки квантового релятивизма.

С прикладной точки зрения графен - очень привлекательный электронный материал. Поскольку он имеет только один слой атомов, его электронная плотность и проводимость легко контролируются приложенным напряжением. Его кристаллическая решетка почти идеальна, поэтому электроны движутся очень быстро. В настоящее время триод из графена достиг частоты в один триллион Гц, что в несколько сотен раз превышает тактовую частоту современных обычных компьютеров. Эта частота была связана с дальней инфракрасной областью, устраняя разрыв между электронной и оптической частотой. Графен также обладает уникальными оптическими свойствами, которые могут открыть новые возможности для дисплеев и солнечных батарей.

Все мы знаем «закон Мура» и предсказываем, что размеры полупроводниковых устройств будут становиться все меньше и меньше. Однако, когда размер устройства составляет всего несколько сотен и нескольких десятков атомов, материал не является исходным кристаллом, и его электронные свойства уже не те же самые. Поэтому люди обычно предсказывают, что закон Мура доживет до конца. Однако атомная структура графена очень стабильна, и она остается стабильной даже с одним шестиугольником. Следовательно, графен может создавать настоящие нанокомпоненты, даже одноэлектронные триоды. Уменьшение размера компонентов означает, что на кристалле одного размера можно изготавливать больше компонентов, что увеличивает сложность кристалла и снижает стоимость. Что еще более важно, уменьшение размера компонентов также увеличивает скорость и энергопотребление, поэтому графен, вероятно, будет играть важную роль в будущих электронных продуктах.

В химическом отношении ультратонкий графен имеет непревзойденную площадь поверхности и, следовательно, обладает высокой реакционной способностью. Он может заменить некоторые из текущих применений графита, чтобы обеспечить превосходные характеристики. Он также надеется сыграть роль в будущем энергетических технологий в качестве материала для хранения водорода. Механическая прочность и ударная вязкость графена также удивительны и намного прочнее стали. Поэтому перспективны и композитные материалы на его основе.

Помимо важности исследовательской работы, награда Physics Awards 2010 была первой, присужденной победителю «IgNobelPrize». Оказывается, у Gamma Laboratories есть традиция «Пятничный вечер», когда одна десятая времени используется для того, чтобы делать что-то интересное, но не обязательно плодотворное или не обязательно важное. Однажды он подвесил лягушку в сильном магнитном поле, чтобы продемонстрировать диамагнитный эффект. Этот забавный эксперимент не только принес ему Нобелевскую премию 2000 года, но также использовался в качестве презентации в классе. Работа с графеном написана не только тем же человеком, но и исследовательской формой «Friday Evening Project»!

Другими словами, изобретение графена тоже очень случайно. Возможно, из-за прихоти они попросили аспиранта попытаться механически отделить однослойную атомную пленку от графита, и результат не увенчался успехом. Оказывается, некоторые в группе знают, как чистить графитовую поверхность с помощью скотча: лента может наклеивать тонкий слой материала на графит. Поэтому они подумали: если вы несколько раз разделите этот слой материала лентой, неужели он не станет все тоньше и тоньше и, наконец, получится только один слой атомов? Конечно, это случайная операция, и в результате должна получиться куча фрагментов разной толщины, при этом единственный слой графена скрыт.

Однако возникает вопрос: как найти продукт из этого однослойного материала? В таких масштабах единственным способом измерения толщины является атомно-силовая микроскопия (АСМ). Этот микроскоп сканирует поверхность образца с помощью зонда с наконечником атомного масштаба, сохраняя постоянное небольшое расстояние от образца. Это движение зонда отображает кривую толщины материала. Но из-за точного механического сканирования этот метод визуализации медленный и имеет небольшое поле зрения. Искать графен в стиле «стог сена» - некомпетентно. Для этого требуются другие микроскопические методы. Во-первых, они используют оптический микроскоп. Очень тонкие фрагменты графита прозрачны и не видны при нормальных условиях. Однако, когда фрагменты помещаются на подложку из кремниевой пластины, покрытой слоем диоксида кремния, эти пленки влияют на интерференцию света и изменяют цвет изображения. Так что эти пленки можно наблюдать в оптический микроскоп. Конечно, этот метод позволяет наблюдать только более толстые пленки, очень тонкие, и только один или несколько слоев атомов все еще остаются невидимыми. Для этого нужен другой микроскоп: растровый электронный микроскоп (СЭМ). Этот тип электронного микроскопа позволяет видеть пленки различной толщины, но не может точно измерить толщину пленки. Изображения двух микроскопов взаимно подтверждены. Все, что нельзя увидеть в оптический микроскоп и что можно увидеть в электронный микроскоп, представляет собой очень тонкую пленку. Наблюдая за этими областями с помощью атомно-силового микроскопа, можно обнаружить единственный слой графена. Видно, что этот поисковый процесс требует «совместной работы» трех микроскопов. И в этой исследовательской комнате есть как раз условия для этой совместной работы. К счастью, только впоследствии кремниевая подложка, которую они использовали, имела подходящую толщину из диоксида кремния. Если немного изменить толщину, вы не увидите этих графитовых фрагментов.

Но для получения Нобелевской премии одной удачи недостаточно. Графен создан, и его непросто привлечь внимание научного сообщества, потому что это не актуальная тема. Естественно, их оригинальная статья дважды была отклонена Природой. Но авторы не сдавались. Всего за год они опубликовали ряд интересных экспериментальных результатов, которые доказывают, что графен - очень многообещающая область исследований. Это привлекло тысячи физиков к решению поставленной задачи по изучению графена, что привело к быстрому развитию в этой области.

Мы часто говорим, что успех требует «времени, места и гармонии». Для открытия графена «время суток» очень неблагоприятно. Хотя люди теоретически предсказали существование и различные свойства графена, никто не смог успешно создать графен. Есть даже предсказания термодинамической теории о нестабильности двумерной кристаллической структуры. Так что только несколько исследовательских групп в мире обратили внимание на эту тему. Если команда Gem подаст заявку на финансирование исследования графена, она почти наверняка будет отклонена. И их успех связан с «местом»: в их лабораториях есть все необходимое для производства и тестирования оборудования и технологий. Что еще более важно, «человеческая гармония»: их исследователи обладают непредвзятостью и стойким энтузиазмом! Этот пример также доказывает, что хорошее исследование не обязательно требует больших денег и большой команды. Образец «непреднамеренных ив» не устарел даже в зрелых физических науках. В корпоративном мире существует модель 80-20 НИОКР, которая позволяет сотрудникам тратить 20% своего времени на любой проект, который им интересен. Самый известный пример успеха - Google. Аналогична традиция «пятничной ночи» в Gamma Laboratories.

Таким образом, Нобелевская премия по физике 2010 г. не только признала значимое достижение в области научных исследований, но и признала уникальный метод научных исследований. Я верю, что эта награда оставит уникальный след в истории Нобеля.

Страница содержит содержимое машинного перевода.