Вокруг Света 2010 № 12 (2843) - [36]

Многие особенности графена с трудом поддаются популярному описанию — для них просто еще не придумано достаточно удачных аналогий. Например, в квантовой физике известен так называемый парадокс Клейна. Он состоит в том, что релятивистской, то есть движущейся с околосветовой скоростью, частице легче «пронизать» высокий потенциальный барьер (превышающей две ее массы покоя), чем низкий. Как юркая мышь скорее проскользнет между ногами слона, чем между лапами кошки. Но электроны обладают нулевой эффективной массой и в результате оказываются способны уверенно туннелировать через любые потенциальные барьеры, поскольку даже самая маленькая кошка для них бесконечно велика. Это обеспечивает очень высокую подвижность электронов в графене. Даже появление препятствий в виде нарушений кристаллической структуры, примесей или контакта графенового листа с опорой не мешают движению вдоль него электронов.  

Андрей Гейм

1958 — Родился в Сочи в семье инженеров. Школу окончил с золотой медалью. 1976 — Поступил в МФТИ, который окончил с отличием. С 1982-го работал в Институте физики твердого тела в Черноголовке. Кандидатскую диссертацию защитил в 1987-м. В начале 1990-х семья Гейм переехала в Германию (отец ученого — этнический немец). С 2001-го работает в Манчестерском университете, возглавляет отдел физики конденсированного состояния.

Консантин Новоселов

1974 — Родился в Нижнем Тагиле в семье инженера и преподавательницы английского языка. Он самый молодой из всех ныне живущих нобелевских лауреатов. 1997 — С отличием окончил МФТИ. Работал в черноголовском Институте проблем технологии микроэлектроники. Защитил кандидатскую диссертацию. 1999 — Начал работать под руководством Гейма в голландском Неймегене. 2001 — Переехал в Манчестер. 2004 — Защитил докторскую диссертацию. Фото: AP/FOTOLINK (x2)

От игнобеля до нобеля

Константин Новоселов признавался, что успех в выделении монослойного графена отчасти связан с обычаем, которого с давних времен придерживается Андрей Гейм: посвящать пятничный вечер всяким забавным экспериментам, проводимым на скорую руку больше из любопытства и ради развлечения, чем с какой-то серьезной целью. За один из таких экспериментов, в котором живая лягушка парила в сильном магнитном поле, Гейм получил в 2000 году Игнобелевскую премию. Эта пародийная премия присуждается «за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом задуматься».

Способ получения графеновых листочков тоже вырос из пятничного эксперимента, когда Новоселов подобрал в соседней лаборатории кусок скотча, которым тамошний сотрудник очищал графитовую поверхность: приклеивал к графиту обыкновенный скотч и отдирал его вместе с поврежденными поверхностными слоями. То, что было мусором у соседей, стало объектом пристального изучения.

Гейм с Новоселовым приклеивали кристалл графита к ленте, а потом терпеливо соскребали слой за слоем все лишнее, благо слоистая структура графита этому способствует. В конце концов кристалл становился тонким и прозрачным. Дальше следовало избавиться от клейкой ленты. Для этого ее с прилипшими к ней кусочками графена опускали в ацетон. Когда клейкая лента растворялась, оставалось только избавиться от ацетона, а чтобы драгоценная графеновая пленка не скомкалась, ее переносили на твердую подложку из окисленного кремния. Это была первая в мире  воспроизводимая технология выделения кусочков графена. Затем наступило время детального исследования добытых образцов. И тут с использованием тончайшей аппаратуры Манчестерского университета была поставлена целая серия экспериментов, показавших, что теоретические представления о свойствах графена более или менее верны. Именно за эти работы — выделение и исследование графеновых листов — и была присуждена Нобелевская премия. Причем нельзя не отметить поразительную скорость реакции Нобелевского комитета: от работы до премии прошло всего 5–6 лет. А ведь многим ученым ждать признания приходится долгими десятилетиями.

Графеновая электроника

В море возможных приложений графена электроника неизменно упоминается первой. Отчасти это связано с тем, что быстродействие кремниевых полупроводниковых элементов вплотную приблизилось к теоретическому пределу. Структурная единица любой микросхемы — полевой транзистор, поэтому опыты с новыми материалами начинаются именно с воспроизведения этого прибора. Он состоит из двух полупроводников, соединенных между собой каналом, сопротивление которого меняется в зависимости от электрического поля, создаваемого изолированным от канала электродом — затвором. Графеновый транзистор собирается на графеновой ленте, в которой электроны обладают очень высокой подвижностью. Чтобы затвор мог их запереть, эту ленту в центральной части сужают до двух-трех элементарных шестиугольных ячеек. В таком сужении, выполняющем роль канала, описанного выше, проявляются квантовые эффекты, не наблюдающиеся в пленке бóльших размеров. Благодаря им это сужение обладает способностью менять сопротивление при наложении внешнего электрического поля от затвора. Роль последнего выполняет другая графеновая лента, изолированная от первой. Предельно малые размеры такого транзистора и высокая подвижность электронов в нем теоретически должны обеспечить исключительно высокие частоты запирания и отпирания канала (именно это определяет тактовую частоту микрочипа). Высокая же теплопроводность графена позволяет быстро отводить от такого прибора тепло. Разрабатываются и другие схемы, но все они пока находятся в стадии лабораторных исследований.