графеновий

Через три роки після перших експериментальних результатів графен обіцяє більш захоплюючі фізичні програми та програми для мрій.

Графен, накинутий на кремнієву пластину, як шовкова завіса на поверхню. Здається, найінтригуюча наука захована в тканині цього вуглецевого листа. Зображення: Андре Гейм та Костя Новоселов

Іноді, коли великі суми коштів вкладаються у великі експериментальні установи та центри передового досвіду, той факт, що з олівців та маскувальних стрічок може з’явитися тверда наука, здається дивним. Однак через три роки після того, як графіт 1 був вперше виділений механічним відшаруванням, немає сумнівів, що графен, одношаровий атом вуглецю, щільно упакований у кільцеву структуру бензолу, є чудовим полем для фізиків конденсованої речовини та вчених матеріалів. .

Фактичних експериментальних даних все ще небагато, але однозначно показано, що цей матеріал виявляє фізичні властивості на межі розділу між традиційною фізикою конденсованої речовини та теорією релятивістських електронів у вакуумі: квантова електродинаміка 2, 3. Інтерес до цього матеріалу зріс у геометричній прогресії, а кількість публікацій на рік удвічі збільшилась у 2006 р., Загалом за даними ISI майже 350 статей. Цього року березнева нарада Американського фізичного товариства включає вісім сесій на цю тему. Nature Materials, спільно з іншими журналами Nature, присвятив веб-підхід до цієї теми з метою висвітлення останніх досягнень у цій галузі 4 .

У цьому випуску Андре Гейм та Костя Новоселов описують коротку, але напружену історію графену 5, після їх першої демонстрації впливу електричного поля 1. Огляд авторів варіюється від перешкод до стабілізації строго двовимірного кристала, до незвичних транспортних властивостей, які спостерігались дотепер, до мрій про можливе застосування електронних пристроїв. Яскравим прикладом постійної появи незвичних електронних властивостей є взаємодія між електронами та ядрами 6, що є ще одним підтвердженням аналогії між фізикою графена та квантовою електродинамікою 7 .

Хоча ми можемо бути впевнені, що графен ще може багато запропонувати з точки зору фундаментальної фізики, ситуація не є настільки однозначною щодо застосувань. Звичайно, є аспекти цього матеріалу, які роблять його захоплюючим для електроніки 5, 8. Враховуючи високу якість вуглецевої решітки, електрони рухаються балістично, тобто без розсіювання, на кілька сотень нанометрів, навіть при кімнатній температурі. Ця характеристика робить графен унікальним матеріалом для розробки високочастотних транзисторів аж до терагерцового домену. Як альтернативу, двовимірний кристал можна розглядати як мініатюрну друковану плату, з якої можна отримати кожен елемент наномасштабної електронної схеми, наприклад, один електронний транзистор.

Однак такі пристрої ще потрібно виготовити. Хоча можливість регулювання щільності заряду в принципі дозволила б реалізувати стандартну напівпровідникову електроніку, графен завжди є металевим. Отже, якщо не доведено зручний спосіб зробити його напівпровідником, його використання для пристроїв залишається дискусійним. Ще однією головною перешкодою є необхідність у надійному способі отримання графенових листів у великих кількостях. Оригінальний метод відлущування досить добре працює для фундаментальних досліджень, але не підходить для широкомасштабних застосувань. Вже запропоновано альтернативні маршрути. Один з них заснований на термічній обробці пластин з карбіду кремнію, які виробляють вуглецеві плівки, по одному шару 9. Також було показано, що занурення оксиду графіту у воду призводить до диспергування графенових листів, які потім можуть бути стабілізовані амфіфільними полімерами та включені в нанокомпозити 10. Обидві стратегії показали багатообіцяючі результати, але якісні кристали досі не доведено.

Як видно з програми засідання APS, робота над графеном зосереджена насамперед на фундаментальних дослідженнях. Але зростає інтерес і до можливих додатків. У Nature Materials ми з нетерпінням чекаємо подальших досліджень щодо обох аспектів цього незвичайного та інтригуючого матеріалу.