Открытие графена

 

Ученые Великобритании из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов, открыли удивительную проводимость графена (рис. 9). В 2010 году первооткрывателям была вручена Нобелевская премия по физике.

Впервые графен был получен на практике в 2004 году. Графен – это углеродный материал, атомы которого располагаются вдоль плоскости, образуя слой с гексагональной кристаллической решеткой. Ученые с помощью обыкновенного скотча смогли отслоить монослой графита и получили графен и опубликовали работу под названием "Расщепление высокоориентированного пиролитического графита на слои с помощью липкой ленты".

Необходимо отметить, что ранее в 1932 году была опубликована работа, в которой говорится, что «при действии на графеновые слои сильных окислителей в жидкой среде происходит проникновение атомов кислорода между слоями графитовой решетки, раздвижение их и образование так называемой окиси графита». В работе Радушкевича с 1956 года говорится, что кристаллы графита на отдельные монослои могут быть разделены только при известных условиях, то есть методика расщепления графита уже была известна.

Графен обладает удивительными электрическими и механическими свойствами. Своеобразная структура позволяет электронам графена обладать огромной скоростью (около световой), и практически при движении они не испытывают сопротивления со стороны атомов, расположенных в узлах кристаллической решетки. Релятивистские частицы - электроны, не имеющие массы покоя известны в физике как безмассовые фермионы Дирака.

На данный момент свойства электронов в графене не достаточно изучены, чтобы в полной мере раскрыть весь их потенциал. На практике графен может быть использован для создания скоростных транзисторов компьютерных схем, работающих намного быстрее, чем существующие их аналоги. Графен обеспечивает гораздо меньшее сопротивление потоку электронов, чем кремний как показывает опыт и поэтому он является самым потенциальным материалом, работающим с беспрецедентной скоростью.

 

 

Рисунок 9. Нобелевские лауреаты Константин Новоселов и Андрей Гейм, открыватели графена [25].

 

Учеными из США были созданы первые искусственные образцы графена с управляемыми электронными свойствами. Эти образцы могут использоваться для изучения свойств дираковских электронов, что может привести к созданию принципиально новых квантовых материалов с новыми характеристиками.

Этот так называемый «молекулярный графен», во многом похож на «натуральный» графен но отличается нестабильностью электронных свойств, которые могут быть настроены в зависимости от практической необходимости. Этот материал был произведен при помощи сканирующего туннельного микроскопа при низких температурах. Острие сканирующего туннельного микроскопа был произведен из материала иридия, и использовалось для индивидуального перемещения молекул оксида углерода на идеально-гладкой медной подложке. Молекулы оксида углерода свободно отражают движущиеся электроны к поверхности меди, формируя из них сотовую структуру, в рамках которой они ведут себя как безмассовые частицы, аналогичные электронам в графене. С помощью созданной структуры, ученые смогли измерить спектр проводимости свободных электронов, что лишний раз подтвердило их дираковскую природу. Результаты работы подробно описаны в журнале Nature.

Перемещая молекулы оксида углерода на поверхности меди можно настраивать свойства электронов в созданной структуре, как будто бы воздействуя сильными электрическими и магнитными полями. То есть ученые получили возможность настраивать плотность электронов на поверхности меди, внедряя в систему дефекты и примеси.

Использование и изучение искусственных систем поможет в будущем найти технологические применения для графена для контроля над фермионами Дирака. По словам ученых из США «молекулярный графен», созданный в рамках экспериментов, является первой искусственной структурой с экзотическими свойствами. Применяя аналогичную технику, ученые надеются на дальнейшую разработку подобных наноструктур.

 

Заключение

 

Как видно из вышеперечисленных открытий основой для развития наноматериалов является переход от низшего к высшему, от простого к сложному. Этот переход происходит по циклу – от устаревшего производства – к новому уровню мышления и от него – к материалам нового поколения. Поэтому движущей силой развития наноматериалов является повышение уровня мышления под воздействием требований потребителей. С повышением уровня мышления увеличивается отдача от наноматериалов в виде возрастания качества конечной продукции: в медицине – повышать качество медикаментов, в микроэлектронике – получать новые высококачественные полупроводниковые электронные материалы, в космонавтике – создать солнечные и температуроустойчивые элементы, в биологии - изготовлять только экологически чистые и совместимые материалы, в энергетике - сокращать потери тепла с повышением износоустойчивости футеровок и т. д.

В наш век наше существование просто не мыслима без достижений человека в таких отраслях как физика, химия, медицина и т. д. Мы используем, и будем использовать современные технологий развития цивилизаций. Последние достижения будут также как и сейчас, осуществляться в новой области науки о нанотехнологиях.

В итоге целью развития нанотехнологии является миниатюризация до малых размеров и ресурсосбережение. Здесь хорошо наблюдается стремление человечества к наиболее комфортному обустройству окружающей среды для проживания с наименьшими затратами времени и действий для выполнения определенных видов деятельности.

 

 

Список литературы

1. Лозовский С. В., Константинова Г. С., Лозовский С. В.Нанотехнология в электронике. Введение в спе­циальность: Учебное пособие. 2-е изд., испр. — СПб.: Издательство «Лань», 2008. 336 с.

2. С. И. Петрович. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: КомКнига, 2006. — 592 с.

3. Гусев А. И. Напокристаллические материалы: методы получения и свойства.Екатеринбург: УрО РАН, 1998, - 198 с.

4. Гегель Г. Наука логики, М: Гос. соц-экономи. из-во, 1937, - 715 с.

5. Хорошавин Л. Б. Диалектика огнеупоров. – Екатеринбург: из-во Екатеринбургская Ассоциация Малого Бизнеса, 1999, - 359 с.

6. Зубов В. П. К вопросу о математическом атомизме Демокрита // Вестник древней истории. — 1951. — № 4. — С. 204—208.

7. Зубов В. П. Развитие атомистических представлений до начала XIX века. — М.: Наука, 1965.

8. М. Шуленбург. Нанотехнологии - новинки завтрашнего дня / Европейская комиссия. – Кельн: Генеральный Директорат по научным исследованиям «Нанонауки и нанотехнологии», 2006. – 54 с.

9. Greece. [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://www.greciia.ru/person/120-demokrit-demokrit.html, свободный. – Загл. с экрана.

10. Nano news net. [Электронный ресурс] Сайт о нанотехнологиях; Евгений Биргер, 2009 -Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/blog/birger/primernaya-kratkaya-istoriya-nanonauki-nanotekhnologii, свободный. — Загл. с экрана. — Яз. рус.

11. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела, перевод с англ. М.: «Наука», 1974, 789 с.

12. Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. — С. 7. — 400 с.

13. В. В. Светухин и др.; Введение в нанотехнологии. Модуль «Физика». Элективный курс: учебное пособие для 10-11 классов средней общеобразовательной школы / под ред. Б. М. Костишко, В. Н. Голованова. – Ульяновск: УлГУ, 2008. -160 с.

14. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Нанотехнология. М: Техносфера, 2005. – 336 с.

15. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. пер. с японск. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 134 с.

16. Новиков Л. С., Воронина Е. Н. Перспективы примениния наноматериалов в космической технике. Учебное пособие. – М.: Университетская книга, 2008. с. 8-10.

17. Сайт расходящихся тропок [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://balancer.ru/society/2008/10/t64218,2--vy-konechno-shutite-mister-fejnman.html, свободный. – Загл. с экрана.

18. В. И. Балабанов. Нанотехнологии наука будущего. Серия: Открытия, которые потрясли мир. Издательство: Эксмо, 2009 г. 256 с.

19. Келдыш Л. В. О влиянии ультразвука на электронный спектр кристалла //ФТТ.- 1962.- Т. 4. - С. 2265-2267.

20. Наука и техника: нанотехнологий [Электронный ресурс].– Режим доступа http://www.strf.ru/science.aspx?CatalogId=222&d_no=21152, свободный. – Загл. с экрана.

21. Esala L., Tsu R Superlattice and negative differential conductivity is semicon­ductors//IBM J. Res. Develop. 1970. V.14.-P.6I-65.

22. Esaki L A superlattice periodic array of heterojunctions // Proc. of the Int. Conf. on Phys. and Chem. of Semiconductor. Budapest, 1970. - V. 1.- P. 13-24.

23. Nano news net. [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/news/2007/zhores-alferov-khochet-sozdat-v-azerbaidzhane-sobstvennyi-fond, свободный. – Загл. с экрана.

24. М. М. Рыбалкина. Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с.

25. Социализм в контакте. [Электронный ресурс].– Режим http://socialism-vk.livejournal.com/1155511.html, свободный. – Загл. с экрана.