Кандидат химических наук Татьяна Зимина.
Нобелевскую премию по физике 2010 года присудили за исследования графена - двумерного материала, проявляющего необычные и одновременно весьма полезные свойства. Его открытие сулит не только новые технологии, но и развитие фундаментальной физики, результатом чего могут стать новые знания о строении материи. Лауреатами Нобелевской премии по физике нынешнего года стали Андре Гейм и Константин Новосёлов - профессора Манчестерского университета (Великобритания), выпускники Московского физико-технического института.
Атомы углерода в графене образуют двумерный кристалл с ячейками гексагональной формы.
Нобелевский лауреат по физике 2010 года Андре Гейм (род. в 1958 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания). Окончил Московский физико-технический институт, кандидатскую диссертацию защитил в Институте физики твёрдого тела (г. Черноголо
Нобелевский лауреат по физике 2010 года Константин Новосёлов (род. в 1974 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания) и выпускник Московского физико-технического института. Работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо
Графен - одна из аллотропных форм углерода. Впервые был получен поэтапным отшелушиванием тонких слоёв графита. Графен, сворачиваясь, образует нанотрубку или фуллерен.
Одно из возможных применений графена - создание на его основе новой технологии расшифровки химической структуры (секвенирования) ДНК. Учёные из Института наноисследований Кавли (Kavli Institute of nanoscience, Нидерланды) под руководством профессора Декке
Графен, материал толщиной всего в один атом, построен из «сетки» атомов углерода, уложенных, подобно пчелиным сотам, в ячейки гексагональной (шести-угольной) формы. Это ещё одна аллотропная форма углерода наряду с графитом, алмазом, нанотрубками и фуллереном. Материал обладает отличной электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой прочностью и практически полностью прозрачен.
Идея получения графена «лежала» в кристаллической решётке графита, которая представляет собой слоистую структуру, образованную слабо связанными слоями атомов углерода. То есть графит, по сути, можно представить как совокупность слоёв графена (двумерных кристаллов), соединённых между собой.
Графит - материал слоистый. Именно это свойство нобелевские лауреаты и использовали для получения графена, несмотря на то что теория предсказывала (и предыдущие эксперименты подтверждали), что двумерный углеродный материал при комнатной температуре существовать не может - он будет переходить в другие аллотропные формы углерода, например сворачиваться в нанотрубки или в сферические фуллерены.
Международная команда учёных под руководством Андре Гейма, в которую входили исследователи из Манчестерского университета (Великобритания) и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Россия, г. Черноголовка), получила графен простым отшелушиванием слоёв графита. Для этого на кристалл графита наклеивали обычный скотч, а потом снимали: на ленте оставались тончайшие плёнки, среди которых были и однослойные. (Как тут не вспомнить: «Всё гениальное - просто»!) Позже с помощью этой техники были получены и другие двумерные материалы, в том числе высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O.
Сейчас такой способ называется «микромеханическим расслоением», он позволяет получать наиболее качественные образцы графена размером до 100 микрон.
Другой замечательной идеей будущих нобелевских лауреатов было нанесение графена на подложку из окиси кремния (SiO 2). Благодаря этой процедуре графен стало возможным наблюдать под микроскопом (от оптического до атомно-силового) и исследовать.
Первые же эксперименты с новым материалом показали, что в руках учёных не просто ещё одна форма углерода, а новый класс материалов со свойствами, которые не всегда можно описать с позиций классической теории физики твёрдого тела.
Полученный двумерный материал, будучи полупроводником, обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников - меди. Его электроны имеют весьма высокую подвижность, что связано с особенностями его кристаллического строения. Очевидно, что это качество графена вкупе с его нанометровой толщиной делает его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе в будущих быстродействующих компьютерах, не удовлетворяющий нынешним запросам кремний. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (на графене уже получен полевой транзистор) не за горами.
Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности электронов в графене. Расчёты показывают, что ограничение подвижности носителей заряда в нём (а значит, проводимости) связано с наличием в SiO 2 -подложке заряженных примесей. Если научиться получать «свободновисящие» плёнки графена, то подвижность электронов можно увеличить на два порядка - до 2×10 6 см 2 /В. с. Такие эксперименты уже ведутся, и довольно успешно. Правда, идеальная двумерная плёнка в свободном состоянии нестабильна, но если она будет деформирована в пространстве (то есть будет не идеально плоской, а, например, волнистой), то стабильность ей обеспечена. Из такой плёнки можно сделать, к примеру, наноэлектромеханическую систему - высокочувствительный газовый сенсор, способный реагировать даже на одну-единственную молекулу, оказавшуюся на его поверхности.
Другие возможные приложения графена: в электродах суперконденсаторов, в солнечных батареях, для создания различных композиционных материалов, в том числе сверхлёгких и высокопрочных (для авиации, космических аппаратов и т.д.), с заданной проводимостью. Последние могут чрезвычайно сильно различаться. Например, синтезирован материал графан, который в отличие от графена - изолятор (см. «Наука и жизнь» № ). Получили его, присоединив к каждому атому углерода исходного материала по атому водорода. Важно, что все свойства исходного материала - графена - можно восстановить простым нагревом (отжигом) графана. В то же время графен, добавленный в пластик (изолятор), превращает его в проводник.
Почти полная прозрачность графена предполагает использование его в сенсорных экранах, а если вспомнить о его «сверхтонкости», то понятны перспективы его применения для будущих гибких компьютеров (которые можно свернуть в трубочку подобно газете), часов-браслетов, мягких световых панелей.
Но любые приложения материала требуют его промышленного производства, для которого метод микромеханического расслоения, используемый в лабораторных исследованиях, не годится. Поэтому сейчас в мире разрабатывается огромное число других способов его получения. Уже предложены химические методы получения графена из микрокристаллов графита. Один из них, к примеру, даёт на выходе графен, встроенный в полимерную матрицу. Описаны также осаждение из газовой фазы, выращивание при высоком давлении и температуре, на подложках карбида кремния. В последнем случае, который наиболее приспособлен к промышленному производству, плёнка со свойствами графена формируется при термическом разложении поверхностного слоя подложки.
Фантастически велика ценность нового материала для развития физических исследований. Как указывают в своей статье, опубликованной в 2008 году в журнале «Успехи физических наук», Сергей Морозов (Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН), Андре Гейм и Константин Новосёлов, «фактически графен открывает новую научную парадигму - ”релятивистскую” физику твёрдого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых не реализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях… Впервые в твёрдотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики». То есть речь идёт о том, что многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом - тончайшим в мире материалом.
Комментарий специалиста
Мы думали о полевом транзисторе…
Редакция попросила прокомментировать результаты работы нобелевских лауреатов Андре Гейма и Константина Новосёлова их коллегу и соавтора. На вопросы корреспондента «Науки и жизни» Татьяны Зиминой отвечает заведующий лабораторией Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (г. Черноголовка) Сергей Морозов.
Как вообще родилась идея получить двумерный углеродный материал? В связи с чем? Ожидали какие-либо необычные свойства у этой формы углерода?
Первоначально у нас не было цели получить двумерный материал из полуметалла, мы пытались сделать полевой транзистор. Металлы, даже толщиной в один атом, для этого не годятся - в них слишком много свободных электронов. Сначала мы получали счётное число атомных плоскостей с кристалла графита, затем стали делать всё более и более тонкие пластинки, пока не получили одноатомный слой, то есть графен.
Графен давно, с середины ХХ века, рассматривали теоретики. Они же и ввели само название двумерного углеродного материала. Именно графен стал у теоретиков (задолго до его экспериментального получения) отправной точкой для расчёта свойств других форм углерода - графита, нанотрубок, фуллеренов. Он же и наиболее хорошо теоретически описан. Конечно, какие-то эффекты, обнаруженные теперь экспериментально, теоретики просто не рассматривали. Электроны в графене ведут себя подобно релятивистским частицам. Но никому в голову раньше не приходила идея изучать, как будет выглядеть эффект Холла в случае релятивистских частиц. Мы обнаружили новый тип квантового эффекта Холла, который явился одним из первых ярких подтверждений уникальности электронной подсистемы в графене. То же можно сказать о присущем графену парадоксе Клейна, известному из физики высоких энергий. В традиционных полупроводниках или металлах электроны могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, но с вероятностью существенно меньше единицы. В графене электроны (подобно релятивистским частицам) проникают даже сквозь бесконечно высокие потенциальные барьеры безотражательно.
Почему считалось, что двумерный углеродный материал (графен) будет неустойчив при комнатной температуре? И как тогда его удалось получить?
Ранние работы теоретиков, в которых показана неустойчивость двумерных материалов, относились к бесконечной идеальной двумерной системе. Более поздние работы показали, что в двумерной системе всё-таки может существовать дальний порядок (который присущ кристаллическим телам. - Прим. ред.) при конечной температуре (комнатная температура для кристалла - достаточно низкая температура). Реальный же графен в подвешенном состоянии всё же, видимо, не идеально плоский, он слегка волнистый - высота поднятий в нём порядка нанометра. В электронный микроскоп эти «волны» не видны, но есть другие их подтверждения.
Графен - это полупроводник, если я правильно понимаю. Но кое-где я нахожу определение - полуметалл. К какому же классу материалов он относится?
Полупроводники имеют запрещённую зону определённой ширины. У графена она - нулевая. Так что его можно назвать полупроводником с нулевой запрещённой зоной или же полуметаллом с нулевым перекрытием зон. То есть он занимает промежуточное положение между полупроводниками и полуметаллами.
Кое-где в популярной литературе упоминается о других двумерных материалах. Пробовала ли ваша группа получить какие-либо из них?
Буквально через год после получения графена мы получили двумерные материалы из других слоистых кристаллов. Это, например, нитрид бора, некоторые дихалькогениды, высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Они не повторяли свойств графена - одни из них вообще были диэлектриками, другие имели очень низкую проводимость. Многие исследовательские группы в мире занимаются изучением двумерных материалов. Сейчас мы используем нитрид бора в качестве подложки для графеновых структур. Оказалось, это радикально улучшает свойства графена. Также, если говорить о применении графена для создания композитных материалов, нитрид бора здесь один из главных его конкурентов.
- Какие существующие методы получения графена наиболее перспективны?
На мой взгляд, сейчас существуют два таких основных метода. Первый - это рост на поверхности плёнок некоторых редкоземельных металлов, а также меди и никеля. Затем графен надо перенести на другие подложки, и это уже научились делать. Данная технология переходит в стадию коммерческих разработок.
Другой метод - выращивание на карбиде кремния. Но хорошо бы научиться растить графен на кремнии, на котором построена вся современная электроника. Тогда бы разработка графеновых устройств пошла бы семимильными шагами, поскольку графеновая электроника естественным путём расширила бы функциональные возможности традиционной микроэлектроники.
Новоселов Константин Сергеевич родился 23 августа 1974 г. в Нижнем Тагиле (Свердловская область). Отец, Сергей Викторович, работал инженером на Уралвагонзаводе, мать, Татьяна Глебовна, - учителем английского языка. В настоящее время родители проживают в Москве.
Учился в нижнетагильской школе № 39, директором которой был его дед Виктор Константинович, в этой же школе преподавала мать. В шестом классе занял первое место в Свердловской областной олимпиаде по физике, в 1990 и 1991 гг. участвовал во Всесоюзных олимпиадах по физике и математике (входил в десятку сильнейших). Параллельно в старших классах обучался в заочной физико-технической школе Московского физико-технического института (МФТИ).
В 1997 г. окончил с отличием факультет физической и квантовой электроники МФТИ по специализации "наноэлектроника".
Доктор философии (PhD). В 2004 г. в защитил в Университете Неймегена (University of Nijmegen, Нидерланды) диссертацию на тему "Создание и применение мезоскопических микрозондов на основе квантового эффекта Холла".
С 1997 г. по 1999 г. - аспирант Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН) в Черноголовке Московской области.
В 1999 г. переехал в Нидерланды и начал работать в лаборатории высокого магнитного поля Университета Неймегена, где его научным руководителем стал Андрей Гейм (выпускник МФТИ, в конце 1980-х - сотрудник ИПТМ РАН).
В 2001 г. вместе с Геймом переехал на работу в Великобританию. Был принят в Манчестерский университет (University of Manchester) на должность научного сотрудника.
Занимается исследованиями в области мезоскопической физики и нанотехнологий. В 2000 г. был одним из авторов исследования свойств сверхпроводников размерами менее одного микрометра. В 2003 г. вместе с Геймом создал липкую ленту с использованием механизма прилипания лап геккона.
Основным научным достижением Константина Новоселова являются исследования графена - новой аллотропной (отличной по свойствам и строению) модификации углерода, перспективного материала для наноэлектроники. В 2004 г. Новоселов и Гейм впервые в истории смогли в лабораторных условиях получить из графита графеновую пленку толщиной в один атом.
Является профессором школы физики и астрономии Манчестерского университета. По состоянию на 2014 г., преподает курс "Передовые рубежи физики твердого тела".
За "основополагающие эксперименты с двумерным материалом графеном" 5 октября 2010 г. Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике (вместе с Геймом). Стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за последние 37 лет (с 1973 г.) и единственным на 2010 г. лауреатом во всех областях, родившимся позднее 1970 г.
Командор ордена Нидерландского льва (2010; за выдающийся вклад в нидерландскую науку). За заслуги перед наукой удостоен звания рыцаря-бакалавра (присвоено 31 декабря 2011 г. указом королевы Елизаветы II). Посвящен в рыцари ордена Британской империи: торжественную церемонию в Букингемском дворце провела в мае 2012 г. дочь королевы Великобритании принцесса Анна.
Лауреат европейской премии Николаса Курти (Nicholas Kurti European Prize; 2007; за работы в сфере исследования низких температур и магнитных полей). В 2008 г. за открытие графена получил приз "Еврофизика" (Europhysics Prize).
С 2011 г. член (феллоу) Лондонского королевского научного общества, в 2013 г. награжден его медалью Леверхульма (Leverhulme Medal) за работы над графеном.
С 2013 г. - иностранный член Болгарской академии наук.
Проживает в Манчестере, является гражданином России и подданным Великобритании.
Супруга - Ирина, микробиолог. Дочери-близнецы - Виктория и Софья (2009 г.р.).
Любит играть на пианино.
Кто же он? Новоселов Константин Сергеевич!
Биография
Известный ученый родился в городе Нижнем Тагиле Свердловской области 23 августа 1974 года в семье инженера и преподавательницы по английскому языку в школе № 39, основателем и директором которой был некогда его дед, Виктор Константинович Новоселов.
Будучи в шестом классе, Константин обнаруживает незаурядные способности и занимает первое место в областной олимпиаде по физике, и чуть позже, на всесоюзной олимпиаде, повторяет успех, войдя в десятку сильнейших. В 1991 году оканчивает дополнительную Заочную физико-техническую школу и в том же году становится студентом Московского физико-технического института. Он обучается по специальности "нанотехнология" на факультете физической и квантовой электроники, и с отличием оканчивает институт, после чего его принимают на работу в ИПТМ РАН (Институт проблем технологии микроэлектроники РАН) в Черноголовке. Там он оканчивает аспирантуру под руководством Юрия Дубровского.
За границей
В 1999 году Константин Сергеевич Новоселов - физик, с уже сложившейся репутацией, переезжает в Нидерланды. Там, в Университете Неймегена, он работает вместе с Андреем Геймом. С 2001 года ученые вместе работают уже в Манчестерском университете. В 2004 году получает степень доктора философии (руководитель Ян-Кеес Маан).
На данный момент Константин Сергеевич Новоселов - профессор Королевского общества и профессор физико-математических наук в Манчестерском университете и имеет двойное гражданство (Россия и Великобритания). Сейчас проживает в Манчестере.
Исследования
Чем известен Константин Сергеевич Новоселов? По мнению аналитического агенства Thomson Reuters, русско-британский физик является одним из часто цитируемых ученых. Из-под его пера вышли 190 научных статей. Однако самым значимым его исследованием является, конечно, графен. Многие слышали это слово, которое кажется простым и знакомым. Технология действительно лаконична и элегантна, как и все гениальное. Дальнейшее изучение возможно, введет человечество в эру сверхбыстрых и сверхтонких мобильных и компьютерных устройств, электрокаров и прочных, но очень легких конструкций.
Награды
Когда Константин Сергеевич Новоселов стал работать в Манчестерском университете, его руководителем стал старший коллега из России, К тому времени тот уже давно занимался исследованиями в этой области и сумел воспроизвести механизм прилипания лап геккона, и на основе него создал липкую ленту, которую физики позже использовали в работе с графеном. До этого Гейму помогал некий китайский студент, но, по словам самого физика, работа стала продвигаться только после того, как за дело взялся Новоселов Константин Сергеевич. Нобелевская премия была присуждена им в октябре 2010 года. Новоселов теперь известен как самый молодой нобелевский лауреат по физике (за последние 37 лет), мало того, на данный момент он является единственным ученым среди нобелевских премиатов, родившимся позже 1970 года.
В том же 2010 году Новоселов получает звание командора ордена Нидерландского льва за существенный вклад в науку Нидерландов, а чуть позже, в 2011 году, указ королевы Елизаветы ll делает его рыцарем-бакалавром, уже за вклад в науку Великобритании. Торжественная церемония посвящения в рыцари проходила чуть позже, весной 2012 года, как и полагается, в Букингемском дворце. Вела ее дочь королевы, принцесса Анна.
Надо сказать, что Константин Сергеевич Новоселов, научная и общественная деятельность которого весьма обширны, получил еще одну престижную награду за исследования графена, став лауреатом премии "Еврофизика" в 2008 году. Она присуждается раз в два года, нобелевских лауреатов среди ее премиантов было всего тринадцать. Премия заключается в денежном вознаграждении и соответствующем сертификате. Также он получил премию Курти, однако уже не за графен, а за список достижений в работе со сферой низких температур и магнитных полей.
О семье и жизни
Константин Новоселов счастлив в браке с супругой Ириной. Хотя она тоже русская, познакомились ученые за границей, в Нидерландах. Ирина родом из Вологды, занимается исследованиями в области микробиологии, (диссертацию защитила в Санкт-Петербурге). У пары две дочери, двойняшки Софья и Вика родились в 2009 году.
Константин Сергеевич, по его собственным словам, не тот отец, который неделями просиживает в лаборатории, пропуская детство собственных детей. Для него изобрести самый маленький в мире транзистор и научить дочь считать до двадцати семи - нечто, стоящее в одном ряду. "Этого никто никогда до тебя не делал", - говорит он.
В свою очередь, его родители никогда не пытались ограничивать сына в интересах. Они всегда были уверены, что их сын очень одарен, и, как говорит сам физик, не удивились, когда он получил Нобелевскую премию.
В интервью для журнала Esquire он признался, что мечтает научиться играть на фортепиано. Он обучается, однако, по его собственному признанию, результаты пока посредственные.
Об СССР
Константин Сергеевич родился в СССР и получил отличное образование. Он сам признается, что такие глубокие знания мало где можно получить. Но в Россию возвращаться не собирается. Пожалуй, именно из-за этого некоторые журналисты невольно упрекают его в отсутствии патриотизма. На это ученый отвечает, что дело не в деньгах, просто в Британии работать спокойнее, ведь в твои дела никто не вмешивается.
Новоселов относится к жизни легко, не зацикливается на неудачах - это одно из его основных правил. Если возникают трудности в отношениях с людьми, он старается не доводить до разрыва, но, если это неизбежно, оставляет последнее слово за другим человеком. У известного физика возникает множество обычных жизненных проблем, например, он был бы готов потратить любые деньги, лишь бы получить немного свободного времени.
Но свою жизнь на работу и отдых он не делит, возможно, в этом и есть ключ продуктивности ученого. Дома он думает о физике, а на работе - просто отдыхает душой.
Что такое графен
Несмотря, конечно, на все достижения в области физики, главной работой Новоселова был и пока остается графен. Эта структура, которую впервые получить в лабораторных условиях удалось именно нашим соотечественникам, является двумерной "сеткой" из атомов углерода толщиной всего в один атом. Сам Новоселов утверждает, что технология не является сложной и создать графен может каждый, чуть ли не из подручных средств. Он говорит, что достаточно для начала купить хороший графит, хотя можно использовать даже карандаши, а также потратиться немного на кремниевые подложки и скотч. Все, набор для создания графена готов! Таким образом, материал не станет достоянием исключительно больших корпораций, Новоселов и Гейм буквально подарили его всему миру.
Удивительные свойства
Также физик удивляется электронным свойствам этого материала. По его словам, графен можно использовать в транзисторах, что и пытаются уже сейчас делать в некоторых компаниях, заменяя привычные детали в мобильных устройствах.
По утверждениям Новоселова, графен произведет революцию в технологиях. Неотъемлемая часть любого фантастического фильма - это невероятные гаджеты, прозрачные, тонкие, не бьющиеся и с огромным функционалом. Если графен постепенно заменит устаревший кремний, технологии из кинематографа появятся и в жизни.
Чем еще примечательны исследования Новоселова и Гейма? Тем, что они практически мгновенно перекочевали из лабораторий на конвейеры, и даже больше - оказались очень полезны уже в первые годы.
Технологии будущего
Где же сейчас применяется графен? Казалось бы, столь недавно открытый материал еще не мог распространиться широко, и отчасти это действительно так. Практически все разработки носят пока экспериментальный характер и не выпущены в массовое производство. Однако применять этот материал пытаются сейчас буквально во всех сферах, что, пожалуй, можно назвать настоящей "графеновой лихорадкой".
Сам графен, несмотря на малый вес и практически полную прозрачность (он поглощает 2 % проходящего света, ровно столько же, сколько обыкновенное оконное стекло), материал очень прочный. Недавние исследования американских ученых показали, что графен отлично смешивается с пластиком. Это в результате дает сверхпрочный материал, который можно использовать во всех областях, начиная от производства мебели и мобильных телефонов и заканчивая ракетостроением.
Из графена уже сейчас созданы опытные образцы аккумуляторов для электрокаров. Они отличаются большой емкостью и малым временем зарядки. Возможно, именно так будет решена проблема с электромобилями, и транспорт станет дешевым и экологичным.
Графен используется в разработках новых сенсорных панелей для телефонов. Если классические сенсоры могут работать только на ровной поверхности, то графен этого недостатка лишен, ведь его можно гнуть как угодно. К тому же высокая электропроводность позволит сделать отклик минимальным.
В авиации
Корпуса ракет и самолетов, сделанные с применением графена, будут в несколько раз легче, что сильно снизит затраты на топливо. Полеты станут такими дешевыми, что позволить себе путешествие на другой край земли сможет позволить себе каждый. Но, помимо пассажирских перевозок, это скажется, конечно, и на грузовых. Снабжение отдаленных уголков планеты станет гораздо лучше, а значит, жить и работать там станет больше людей.
От редакции: затрагивая тему модернизации экономики России и развития высоких технологий в нашей стране , мы ставили задачу не только обратить внимание читателей на недостатки, но и рассказать о положительных примерах. Тем более что таковые есть, и немало. На минувшей неделе мы рассказывали о разработке в России топливных элементов, а сегодня поговорим о графене, за изучение свойств которого «бывший наш народ» недавно получил Нобелевскую премию. Оказывается, и в России, а точнее - в Новосибирске, над этим материалом работают весьма серьезно.
Кремний как основа микроэлектроники прочно завоевал позиции в пространстве высоких технологий, и произошло это не случайно. Во-первых, кремнию относительно легко придать нужные свойства. Во-вторых, он известен науке давно, и изучен «вдоль и поперек». Третья причина заключается в том, что в кремниевые технологии вложены поистине гигантские средства, и делать сейчас ставки на новый материал, пожалуй, мало кто решится. Ведь для этого придется перестраивать огромную промышленную отрасль. Вернее, строить ее почти с нуля.
Тем не менее, есть и другие претенденты на лидерство в качестве полупроводникового материала. Например, графен, который после вручения Нобелевской премии за изучение его свойств, стал очень моден. Для перехода на него с кремния действительно есть основания, так как графен обладает рядом существенных преимуществ. Но получим ли мы в итоге «электронику на графене» - еще не ясно, потому что рядом с достоинствами притаились и недостатки.
Чтобы поговорить о перспективах графена в микроэлектронике и о его уникальных свойствах, мы встретились в Новосибирске с главным научным сотрудником Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, доктором химических наук, профессором Владимиром Федоровым.
Алла Аршинова: Владимир Ефимович, каковы современные позиции кремния в микроэлектронике?
Владимир Федоров: Кремний очень давно используется в отрасли в качестве основного полупроводникового материала. Дело в том, что он легко легируется, то есть, в него можно добавлять атомы различных элементов, которые направленным образом изменяют физические и химические свойства. Подобная модификация высокочистого кремния позволяет получать полупроводниковые материалы n- или р-типа. Таким образом, направленным легированием кремния регулируют важные для микроэлектроники функциональные свойства материалов.
Кремний - действительно уникальный материал, и именно это является причиной того, что в него вложено столько сил, средств и интеллектуальных ресурсов. Фундаментальные свойства кремния изучены настолько детально, что есть распространенное мнение о том, что ему просто не может быть замены. Однако недавние исследования графена дали зеленый свет другой точке зрения, которая заключается в том, что новые материалы могут быть доведены до такой степени, что смогут заменить кремний.
Кристаллическая структура кремния
Подобные дискуссии возникают в науке периодически, и разрешаются они, как правило, только после серьезных исследований. Например, недавно была схожая ситуация с высокотемпературными сверхпроводниками. В 1986 году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в барий -лантан -медном оксиде (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия уже в 1987 году - через год после открытия!), которая обнаруживалась при температуре, значительно превышающей значения, характерные для известных к тому времени сверхпроводящих материалов. При этом по строению купратные сверхпроводящие соединения значительно отличались от низкотемпературных сверхпроводников. Затем лавинообразные исследования родственных систем привели к получению материалов с температурой сверхпроводящего перехода 90 К и выше. Это означало, что в качестве хладоагента можно использовать не дорогой и капризный жидкий гелий, а жидкий азот - в газообразном виде его в природе очень много, и к тому же он существенно дешевле гелия.
Но, к сожалению, эта эйфория вскоре прошла после тщательных исследований новых высокотемпературных сверхпроводников. Эти поликристаллические материалы, как и другие сложные оксиды, подобны керамике: они хрупкие и непластичные. Оказалось, что внутри каждого кристалла сверхпроводимость имеет хорошие параметры, а вот в компактных образцах критические токи достаточно невысокие, что обусловлено слабыми контактами между зернами материала. Слабые Джозефсоновские переходы (Josephson junction) между сверхпроводящими зернами не позволяют изготовить материал (например, сделать провод) с высокими сверхпроводящими характеристиками.
Солнечная батарея на основе поликристаллического кремния
С графеном может получиться такая же ситуация. В настоящее время у него найдены очень интересные свойства, но еще предстоит провести широкие исследования для окончательного ответа на вопрос о возможности получения этого материала в промышленном масштабе и использования его в наноэлектронике.
Алла Аршинова: Объясните, пожалуйста, что такое графен, и чем он отличается от графита?
Владимир Федоров: Графен - это моноатомный слой, образованный из атомов углерода, который, как и графит, имеет решетку в форме сот. А графит это, соответственно, уложенные друг на друга в стопочку графеновые слои. Слои графена в графите связаны между собой очень слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, потому и удаётся, в конце концов, оторвать их друг от друга. Когда мы пишем карандашом, это пример того, что мы снимаем слои графита. Правда, след карандаша, остающийся на бумаге, это еще не графен, а графеновая мультислойная структура.
Теперь каждый ребенок может на полном серьезе утверждать, что он не просто переводит бумагу, а создает сложнейшую графеновую мультислойную структуру
А вот если удается расщепить такую структуру до одного слоя, тогда получается истинный графен. Подобные расщепления и провели Нобелевские лауреаты по физике этого года Гейм и Новоселов. Им удалось расщепить графит с помощью скотча, и после исследования свойств этого «графитового слоя» выяснилось, что у него очень хорошие параметры для использования в микроэлектронике. Одним из замечательных свойств графена является высокая подвижность электронов. Говорят, графен станет незаменимым материалом для компьютеров, телефонов и прочей техники. Почему? Потому что в этой области идет тенденция на ускорение процедур обработки информации. Эти процедуры связаны с тактовой частотой. Чем выше рабочая частота, тем больше можно обработать операций в единицу времени. Поэтому скорость носителей заряда очень важна. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Такие свойства графена действительно позволяют надеяться, что можно будет создать устройства, способные работать на терагерцовых частотах, которые недоступны кремнию. Это одно из наиболее интересных свойств материала.
Нобелевские лауреаты по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов
Из графена можно получить гибкие и прозрачные пленки, что также очень интересно для целого ряда применений. Еще одним плюсом является то, что это очень простой и очень легкий материал, легче кремния; к тому же в природе углерода предостаточно. Поэтому если действительно найдут способ использовать этот материал в высоких технологиях, то, конечно, он будет иметь хорошие перспективы и, возможно, заменит в коне концов кремний.
Но есть одна фундаментальная проблема, связанная с термодинамической устойчивостью низкоразмерных проводников. Как известно, твердые тела подразделяются на различные пространственные системы; например, к системе 3D (three-dimensional) относят объемные кристаллы. Двумерные (2D) системы представлены слоистыми кристаллами. А цепочечные структуры относятся к одномерной (1D) системе. Так вот низкоразмерные - 1D цепочечные и 2D слоистые структуры с металлическими свойствами с термодинамической точки зрения не устойчивы, при понижении температуры они стремятся превратиться в систему, которая теряет металлические свойства. Это так называемые переходы «металл-диэлектрик». Насколько устойчивы будут графеновые материалы в каких-то устройствах, еще предстоит выяснить. Конечно, графен интересен, как с точки зрения электрофизических свойств, так и механических. Считается, что монолитный слой графена очень прочен.
Алла Аршинова: Прочнее алмаза?
Владимир Федоров: Алмаз обладает трехмерными связями, механически он очень прочный. У графита в плоскости межатомные связи такие же, может, и прочнее. Дело в том, что с термодинамической точки зрения алмаз должен превращаться в графит, потому что графит стабильнее алмаза. Но в химии есть два важных фактора, которые управляют процессом превращения: это термодинамическая стабильность фаз и кинетика процесса, то есть скорость превращения одной фазы в другую. Так вот, алмазы в музеях мира лежат уже столетиями и в графит не хотят превращаться, хотя должны. Может быть, через миллионы лет они все-таки превратятся в графит, хотя было бы очень жалко. Процесс перехода алмаза в графит при комнатной температуре протекает с очень медленной скоростью, но если вы нагреете алмаз до высокой температуры, тогда кинетический барьер преодолеть будет легче, и это точно произойдет.
Графит в первозданном виде
Алла Аршинова: То, что графит можно расщеплять на очень тонкие чешуйки, известно уже давно. В чем же тогда было достижение нобелевских лауреатов по физике 2010 года?
Владимир Федоров: Вы, наверное, знаете такого персонажа, как Петрик. После вручения Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новоселову он заявил, что у него украли Нобелевскую. В ответ Гейм сказал, что, действительно, подобные материалы были известны очень давно, но им дали премию за изучение свойств графена, а не за открытие способа его получения как такового. На самом деле, их заслуга в том, что они смогли отщепить от высоко ориентированного графита очень хорошие по качеству графеновые слои и детально изучить их свойства. Качество графена очень важно, как и в кремниевой технологии. Когда научились получать кремний очень высокой степени чистоты, только тогда и стала возможна электроника на его основе. Такая же ситуация и с графеном. Гейм и Новоселов взяли очень чистый графит с совершенными слоями, сумели отщепить один слой и изучили его свойства. Они первые доказали, что этот материал обладает набором уникальных свойств.
Алла Аршинова: В связи с вручением Нобелевской премии ученым с русскими корнями, работающим заграницей, наши соотечественники, далекие от науки, задаются вопросом, можно ли было прийти к таким же результатам здесь, в России?
Владимир Федоров: Наверное, можно было. Просто они в свое время уехали. Их первая статья, опубликованная в Nature, написана в соавторстве с несколькими учеными из Черноголовки. По-видимому, наши российские исследователи тоже вели работу в этом направлении. Но завершить ее убедительным образом не получилось. Жалко. Возможно, одной из причин являются более благоприятные условия для работы в зарубежных научных лабораториях. Я недавно приехал из Кореи и могу сравнить условия работы, которые мне были там предоставлены, с работой дома. Так вот там я ничем не был озабочен, а дома - полно рутинных обязанностей, которые отнимают много времени и постоянно отвлекают от главного. Меня обеспечивали всем, что было необходимо, причем исполнялось это с поразительной быстротой. Например, если мне нужен какой-то реактив, я пишу записку - и на следующий день мне его привозят. Подозреваю, что у нобелевских лауреатов тоже очень хорошие условия для работы. Ну и им хватило упорства: они многократно пытались получить хороший материал и, наконец, достигли успеха. Они действительно потратили большое количество времени и сил на это, и премия в этом смысле вручена заслуженно.
Алла Аршинова: А какие именно преимущества дает графен по сравнению с кремнием?
Владимир Федоров: Во-первых, мы уже сказали, что он обладает высокой подвижностью носителей, как говорят физики, носители заряда не обладают массой. Масса всегда тормозит движение. А в графене электроны движутся таким образом, что можно считать их не обладающими массой. Такое свойство уникально: если и есть другие материалы и частицы со схожими свойствами, то встречаются они крайне редко. Этим графен оказался хорош, этим же он выгодно отличается от кремния.
Во-вторых, графен обладает высокой теплопроводностью, и это очень важно для электронных устройств. Он очень легкий, а графеновый лист - прозрачный и гибкий, его можно свернуть. Графен может быть и очень дешевым, если разработают оптимальные методы его получения. Ведь «скотч-метод», который продемонстрировали Гейм и Новоселов, не является промышленным. Этим методом получают образцы действительно высокого качества, но в очень малых количествах, только для исследований.
И сейчас химики разрабатывают другие способы получения графена. Ведь нужно получать большие листы, чтобы поставить производство графена на поток. Этими вопросами занимаемся и мы здесь, в Институте неорганической химии. Если научатся синтезировать графен с помощью таких методов, которые бы позволили получать материал высокого качества в промышленных масштабах, тогда есть надежда, что он произведет революцию в микроэлектронике.
Алла Аршинова: Как, наверное, все уже знают из СМИ, графеновую мультислойную структуру можно получить с помощью карандаша и липкой ленты. А в чем заключается технология получений графена, применяемая в научных лабораториях?
Владимир Федоров: Существует несколько методов. Один из них известен очень давно, он основан на использовании оксида графита. Его принцип довольно прост. Графит помещают в раствор высоко окисляющих веществ (например, серная, азотная кислота и др.), и при нагревании он начинает взаимодействовать с окислителями. При этом графит расщепляется на несколько листочков или даже на одноатомные слои. Но полученные монослои не являются графеном, а представляют собой окисленный графен, в котором есть присоединенный кислород, гидроксильные и карбоксильные группы. Теперь главная задача заключается в том, чтобы эти слои восстановить до графена. Поскольку при окислении получаются частички небольшого размера, то надо их каким-то образом склеить, чтобы получить монолит. Усилия химиков направлены на то, чтобы понять, как можно из оксида графита, технология получения которого известна, сделать графеновый лист.
Есть еще один метод, также достаточно традиционный и известный уже давно - это химическое осаждение из газовой фазы с участием газообразных соединений. Его суть заключается в следующем. Сначала реакционные вещества возгоняют в газовую фазу, потом их пропускают через нагретую до высоких температур подложку, на которой и осаждаются нужные слои. Когда подобран исходный реагент, например, метан, его можно разложить таким способом, чтобы водород отщепился, а углерод остался на подложке. Но эти процессы трудно контролируемы, и идеальный слой получить сложно.
Графен— одна из аллотропных модификаций углерода
Существует и другой метод, который сейчас начинает активно применяться, - метод использования интеркалированных соединений. В графит, как и в другие слоистые соединения, можно помещать между слоями молекулы различных веществ, которые называются «молекулы гостя». Графит - это матрица «хозяина», куда мы поставляем «гостей». Когда происходит интеркаляция гостей в решетку хозяина, естественно, слои разъединяются. Это как раз то, что и требуется: процесс интеркаляции расщепляет графит. Интеркалированные соединения являются очень хорошими предшественниками для получения графена - нужно только вынуть оттуда «гостей» и не дать слоям снова схлопнуться в графит. В этой технологии важным этапом является процесс получения коллоидных дисперсий, которые можно превращать в графеновые материалы. Мы в нашем институте поддерживаем именно такой подход. На наш взгляд, это самое продвинутое направление, от которого ожидаются очень хорошие результаты, потому что из различного рода интеркалированных соединений можно наиболее просто и эффективно получать изолированные слои.
По структуре графен похож на соты. И с недавних пор он стал очень «сладкой» темой
Выделяют и еще один способ, который называют тотальный химический синтез. Он заключается в том, что из простых органических молекул собирают нужные «соты». Органическая химия обладает очень развитым синтетическим аппаратом, который позволяет получать огромное разнообразие молекул. Поэтому методом химического синтеза пытаются получить графеновые структуры. Пока что удалось создать графеновый лист, состоящий примерно из двухсот атомов углерода.
Разрабатываются и другие подходы к синтезу графена. Несмотря на многочисленные проблемы, наука в этом направлении успешно продвигается вперед. Есть большая доля уверенности в том, что существующие препятствия будут преодолены, и графен приблизит новую веху в развитии высоких технологий.
Нобелевскую премию по физике получили наши соотечественники - Андрей (Андре) Гейм, 51 год, и Константин Новоселов, 36 лет. В истории новой России такая радость бывает нечасто - в третий раз. И если предыдущие лауреаты (Жорес Иванович Алферов, 2000 г., и Виталий Лазаревич Гинзбург, 2003 г.) награждались за достижения, сделанные еще в советский период, Новоселов и Гейм получили премию за открытие, датированное 2004 годом. (Что по меркам Нобелевского комитета буквально только что.) Радость омрачает факт: свое открытие ученые сделали не на родине и даже без ее участия. Нобелевскую премию получили сотрудники Манчестерского университета, гражданин Нидерландов (Гейм) и гражданин Британии (Новоселов).
Телезрителю трудно объяснить, что хорошие ученые до сих пор играют не за Россию, поднимающуюся с колен (а должны!). Надо как-то выкручиваться. И вот уже спустя несколько часов после объявления лауреатов - Новоселова и Гейма позвали обратно на родину. А именно в Сколково. Для физиков это стало неожиданностью. Более того, в тандеме ученых, кажется, единогласия по данному вопросу нет. В монологе для «Новой» Андрей Гейм, например, от предложения вернуться категорически отказался, назвав Сколково «полнейшим сюрреализмом». А Новоселов заявил, что «есть смысл, наверное, приехать».
Константин Новоселов: «Душой в России, но работа пока - в Англии»
– Всем хочется сказать спасибо за поддержку! Сегодня я радуюсь как ребенок, но чувствую, что завтра буду очень переживать от осознания факта такого великого признания. Нобелевская премия уже давит морально, для меня это слишком большая ответственность…
В России, как передают друзья, все очень радуются за нас. Говорят, что-то похожее было, когда премией наградили Жореса Ивановича Алферова. Это приятно, ведь отчасти я уже не принадлежу России, а люди все равно радуются.
Я сегодня думаю, рассуждаю, чисто гипотетически: а что если бы я остался в свое время в России? Смог бы я добиться тех же результатов, что и в Англии? С одной стороны, никаких трюков и сложных технологий мы не использовали. Технологические сложности были минимальны. Но другой вопрос - это стиль работы, принятый в научных кругах России. Он слишком устарел.
С того момента, как нас с Андреем объявили лауреатами, все вокруг тут же заговорили про Сколково. Я слышал это название и раньше, но понятия не имел, что это такое и как это работает. Да и сейчас еще не очень хорошо понимаю. А тут нас уже приглашают, пообещали содействие, финансирование… Я не знаю. Для меня это сложное решение, но, думаю, есть смысл попробовать. Здесь, в Англии, мне очень-очень нравится, здесь бесконечно комфортно, но именно это и пугает. Мне нужно что-то еще, идти дальше…
Я привык работать «по-английски». Все очень комфортно, все нужное есть, у нас маленькие группы, дружелюбная атмосфера, и ты видишь результаты своей работы в течение минимального времени. Мне бы хотелось сохранить такой стиль работы. Но я подозреваю, в случае переезда в Сколково это будет исключено.
В прошлом году многие русские ученые-эмигранты написали открытое письмо президенту Медведеву о гибели отечественной фундаментальной науки. Я про него слышал, но сам не подписывал. Это мне кажется настолько очевидным, что такие письма вообще не нужны. Ведь, разумеется, очень удобно критиковать издалека… А между тем в России достаточно прекрасных ученых, которые сами должны принимать решения о том, как реформировать науку. В России вообще в целом достаточно умных голов, которые все понимают сами. То, что сейчас делает Медведев, - это правильные шаги. Любая поддержка науки - это всегда хорошо. Я так считаю, и было бы глупо писать сейчас ему письмо со словами своей поддержки и одобрения. Вы что думаете, он ничего не понимает?! Без нас, что ли, не разберется?
Даже в Англии с наукой сегодня все не так радужно, как вам может показаться. А в следующие три-четыре года ученые пострадают еще больше из-за урезания финансирования. Слава богу, коллеги из России не пишут в этой связи письма в британский парламент и королеве с премьер-министром.
Тянет ли в Россию? Душой - очень! Здесь у меня огромное количество друзей, в Москве живут родители. Приезжаю раз в полтора года или раз в год, но в основном в Москву и Питер. В Нижнем Тагиле не был, к сожалению, уже года четыре, но очень хочется. Скучаю. Но на первом месте работа - и поэтому пока Англия.
Андрей Гейм: «Из ума пока не выжил, чтобы возвращаться»
Зовут в Сколково? Хотят, чтоб вернулись? Простите, конечно, «съесть-то он съест, но кто ж ему даст». Ребята, вы там чего?! Сама идея Сколкова - полнейший сюрреализм, но еще больший сюрреализм, с нашей точки зрения, это когда нас, не спрашивая даже, куда-то выписывают, чуть ли не выкупают. Ладно, это вопрос этики. А если по делу: вы что думаете, господа, отвалив мешок с деньгами, чего-то добьетесь?
Никто не спорит - России для выживания необходимо двигаться вперед. Задача по модернизации, которую ставит Дмитрий Медведев, верна. Но какими средствами он хочет этого добиться? Наука - это часть великой когда-то российской культуры. Культуру можно разрушить за два года, что и было сделано. А чтобы восстановить ее, нужны поколения новых людей, масштабная реконструкция фундамента. Один проект «Сколково» ничего не решит, даже если в него заливают с таким пионерским, молодогвардейским пылом миллиарды. Потому что сегодня заливают, а завтра из-за отсутствия результатов (а так и будет) скажут «привет!». Все свободны.
Нужно масштабно финансировать всю науку в течение десятилетий. Вот бы Медведев сказал: мы обязуемся ежегодно расходовать на исследования 2% нашего ВВП. Вот это было бы дело! Это был бы уровень европейских стран и какое-то развитие. Хотя России для поставленных задач нужно хотя бы 3%, как в Сингапуре и Южной Корее. Иначе о модернизации говорить бессмысленно.
Но при этом отсюда, из Британии, мы видим, что молодая Россия развивается, причем довольно быстро. Хотя вам внутри процесс может казаться слишком медленным. Но помните: десятилетнему ребенку всегда хочется, чтобы завтрашний день наступил пораньше, а когда тебе семьдесят, появляется огромное желание остановить время. Россия - это огромная территория, большой потенциал, все есть, дергаться только не надо! Не нужно этих бесконечных рывков на опережение, приводящих к жертвам. Мы, то есть вы теперь уже, постоянно хотите, как лучше, а получается, как у Черномырдина. Любим широкие жесты, громкие решения, вот придумали Сколково, город-сад. Ну зачем?! Ведь нужно всего лишь спокойствие, размеренность. Постепенно, кропотливо работать. Убирать барьеры, выжигать коррупцию, главную беду…
На родину, конечно, тянет, но пока я из ума еще не выжил, чтоб возвращаться. Я слишком много растратил там своей жизни, борясь с ветряными мельницам. Я нормальный ученый, а не борец. Я хочу и могу еще работать, и поэтому остаюсь в Британии.
Признаться, не нуждается во мне и Россия. Ну нобелевский лауреат - и что? Премию присуждают за сделанные в прошлом дела, а России нужна молодежь, новые люди, они создадут будущее. Поддерживайте тех, кому 25-30. Не нужны вам старики-авторитеты вроде меня! Гоните всех авторитетов. Я даже так скажу: останься Новоселов в России, не видать ему Нобелевской премии. Потому что ее получил бы единолично профессор Андрей Гейм, его научный руководитель. То есть я. Испокон веков все лавры в России шли академическим начальникам. Это несправедливая советская иерархия, которой нет ни в одной научной державе. От Китая до Британии в ученой среде - равноправие и братство. Все равны от Ph.D. студента (по-нашему, аспиранта. - П.К.) до самого заслуженного профессора.
Адекватное задачам финансирование, уважение к науке, ставка на молодежь и терпение - только такая среда благоприятствует новым открытиям.
Конечно, кто-то скажет: а вот есть же Григорий Перельман. Сделал грандиозное открытие, отказался от миллиона. Но Гриша сумасшедший гений. Исключение, какое бывает раз в тысячу лет. А России нужны нормальные ученые, сытые и довольные. А главное - свои. Растите их. Тратьте на них миллиарды, а не на тех, кто из-за границы уже через десять лет обещает вам золотые горы. Эти ученые-эмигранты называют себя патриотами России. Хотя сами уже выстроились в очередь, готовые хапнуть и убежать. Так что настоящие патриоты никуда не едут.
Справка
Нобелевская неделя-2010
Нобелевской премии в области физиологии и медицины удостоен 85-летний британский эмбриолог Роберт ЭДВАРДС, разработавший технологию экстракорпорального оплодотворения, более известную как «зачатие в пробирке». Буддисты, Ватикан и Русская православная церковь осудили решение Нобелевского комитета.
Трое ученых - 75-летний Эй-Ити НЕГИСИ из Университета Пердью в США, 79-летний американский ученый Ричард Ф. ХЕК из Университета Делавэра в США и 80-летний японский ученый Акира СУДЗУКИ из Университета Хоккайдо в Японии - получили премию по химии за открытие новых способов соединения атомов углерода.
Королевская академия наук Швеции считает, что это «точный и эффективный» инструмент, который помогает исследователям во всем мире, «в коммерческом производстве фармацевтических препаратов и молекул веществ, используемых в электронной промышленности». Благодаря работам нынешних нобелевских лауреатов исследователи теперь могут искусственно получать вещество, аналогичное тому, что содержится в морской губке. Его сегодня успешно применяют в фармацевтике для борьбы с раковыми клетками.
51-летний Андрей ГЕЙМ и 36-летний Константин НОВОСЕЛОВ, ученые из Манчестерского университета, Великобритания, были награждены премией по физике за инновационные эксперименты с графеном, ультратонким и суперсильным материалом.
Графен - это плоский лист углерода толщиной в один атом. Он почти прозрачен, но обладает феноменальной прочностью и хорошо проводит электричество. Эти уникальные свойства означают, что у этого материала может быть огромное количество практических применений. В том числе в области инновационной электроники, включая производство более быстрых компьютеров. Графен может очень скоро заменить кремний - основу микросхем.
Нобелевскую премию по литературе вчера вручили перуанскому драматургу и прозаику Марио Варгасу ЛЬОСЕ.
Сегодня в 13.00 (по Москве) будет назван обладатель премии мира, а в понедельник (15.00) - премии по экономике.
