Графен и мировая техническая революция

О перспективах использования графена нам рассказал один из главных специалистов по этому удивительному материалу, профессор Университета Радбауда (Нидерланды), доктор физико-математических наук, почетный доктор Уппсальского университета, лауреат премии Спинозы Михаил Кацнельсон.

Графен – это первый строго двумерный материал. Свойства любого материала определяются не только химическим составом, но и расположением атомов. С углеродом это особенно понятно. Всем известно, насколько разные алмаз и графит, хотя состоят они из одних и тех же атомов углерода. Но эти атомы разным образом упорядочены в пространстве, что приводит к колоссальному различию свойств. 

Во всех известных до недавнего времени материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому они, соответственно, имеют длину, ширину и высоту. А графен – это один слой углеродных атомов, взятый из графита. У него есть длина и ширина, а глубины, по сути, нет, поэтому мы и называем его двумерным. 

Сейчас важно сказать, что графен – всего лишь первый представитель класса двумерных материалов, и в настоящее время широко исследуются другие материалы этого же класса. О графене, как таковом, сейчас даже уже не говорят – говорят о двумерных материалах вообще.

Есть, например, слоистый нитрид бора. Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и графен, только половина атомов углерода в нем заменена атомами бора, а другая половина – азотом. Свойства такого материала получаются совершенно другими: если графен – это полуметалл с достаточно большой электронной проводимостью, то нитрид бора – это широкозонный изолятор. У него примерно такая же энергетическая щель, как у алмаза. Другой популярный материал сейчас – дисульфид молибдена. Его параметры уже типично полупроводниковые, очень близкие к тому, что мы имеем в обычном трехмерном кремнии или германии. 

Так что если говорить о каких-то перспективах замены кремния – это будет, скорее, даже не графен, а дисульфид молибдена или дисульфид вольфрама. Это сейчас очень популярные материалы, и их появляется все больше и больше.

Очень важно и то, что двумерные материалы можно комбинировать: скажем, взять слой графена, слой нитрида бора, а затем – опять слой графена. И электроны будут проникать (физики говорят «туннелировать») из графена в графен через нитрид бора. Это комбинации, которых нет в природе, но которые можно сделать искусственно, при этом возникает поразительно интересная новая физика, и, возможно, новые технические приложения. 
 

Это очень важно и с прикладной, и с фундаментальной точек зрения. Поскольку я – теоретик, скажу сначала о второй. Наше понимание электронных свойств крис­таллов основано на регулярности расположения атомов в их решетке. Это хорошо развитая теория, описывающая квантовую механику систем, которые обладают строгими свойствами периодичности. Но если вы, например, возьмете слой графена и слой нитрида бора, то у нитрида бора будет своя периодичность, а у графена – своя. Это то, что мы называем несоизмеримый потенциал. Сос­тояние электронов в таком несоизмеримом потенциале – это фундаментальная проблема квантовой механики. Но вот, оказывается, можно эти структуры, состоящие из графена и нитрида бора, контролируемым образом переводить от соизмеримых потенциалов к несоизмеримым, смотреть, как это влияет на электронные свойства. Это абсолютная базовая физика и самый последний «писк» в физике двумерных материалов.

Прикладными вещами, к сожалению, я не занимаюсь, но кое-что сказать об этом можно. Прежде всего, всех, конечно, интересует, можно ли сделать транзистор. Оказывается, что из графена обычный транзистор по типу кремниевого и германиевоего (который работает на так называемых np- и pn-переходах) сделать нельзя, поскольку природа носителей тока в графене совершенно особая. Этому посвящена моя самая известная работа по теории графена, то, что мы назвали клейновским туннелированием. Оно сводится к тому, что электроны в графене могут очень легко проникать через любые потенциальные барьеры, поэтому у вас получается транзистор, который невозможно запереть. А ведь самая важная характеристика транзистора – это отношение тока в состоянии, когда он отперт и когда заперт… 

Чтобы решить эту проблему, пару лет назад мы предложили так называемую вертикальную геометрию, когда мы имеем дело с электронами, которые распространяются не в одном слое графена, а с одного слоя на другой, через прослойку нитрида бора или дисульфида молибдена. Это так называемый туннельный транзистор, для которого нет ограничений, связанных с клейновским туннелированием. С его помощью можно достичь разумных, интересных для техники отношений тока в запертом и открытом состоянии. 

Насколько мне известно, представители электронной промышленности восприняли этот подход с большим энтузиазмом. Вполне возможно, что именно такая конструкция транзистора, основанная на двух листах графена, проложенных какими-то другими двумерными материалами, и будет использоваться в технике будущего. В то же время, другие двумерные материалы, например, дисульфид молибдена, привлекают большое внимание как раз потому, что ситуация с ними похожа на то, что мы имеем в кремнии. С ним не нужно сложных ухищрений, можно делать нормальные транзисторы – и они будут работать. 

К сожалению, до сих пор не решена одна принципиальная технологическая проблема – качество образцов. Одна из особенностей графена сос­тоит в том, что связь между углеродными атомами, образующими сетку, – это самая прочная химическая связь в природе. Из-за этого графеновая решетка исключительно правильная, регулярная, туда практически невозможно внес­ти какие-то дефекты. Поэтому электронная подвижность в графене колоссальная. А вот, скажем, у того же дисульфида молибдена связи не такие прочные, в него могут вноситься и дефекты, и разные включения. Отсюда возникает другая большая проблема с этими новыми материалами (кроме графена) – не очень высокая подвижность электронов в их структуре. 

Поэтому, если говорить об использовании двумерных материалов в электронике – а это самая важная сфера применения, – то можно заметить, что пока открываются различные конкурирующие возможности, и не очень понятно, какая окажется наиболее перспективной. Можно напрячь все силы и постараться получить дисульфид молибдена или вольфрама исключительно высокого качества, либо, все-таки, работать с графеном, который до сих пор уникален в плане механической прочности и в плане подвижности электронов. Но законтактировать с ним напрямую кремниевую электронику не получится, поскольку природа носителей тока совершенно другая. 

 ©Getty

Я начал с самого многообещающего приложения – с транзисторов и с перспективы производства компьютерных чипов из двумерных материалов. Как я уже сказал, транзисторы на основе этих гетероструктур есть: из графена его получили мы, из дисульфида молибдена – другая команда исследователей. Это было сделано пару лет назад. И там, и там проблемы остались чисто технические – научиться делать большие интегральные схемы, повысить качество. Это уже не физика, поэтому что-то предсказать здесь я не могу, но думаю, что прогноз на этот счет – это уже не десятилетия, а годы.

Есть и менее глобальные приложения графена, которые прорабатываются уже сейчас или будут созданы в ближайшем будущем. Например, графен – идеальный материал для сенсорных экранов. Ведь что нам для этого нужно? Самое главное – материал должен быть прозрачным и проводящим. То, что используется в современных тачскринах, мобильных телефонах и т. д., делается на основе окиси индия. Но индий – редкий металл, он дорог, его месторождения немногочисленны. Поэтому производители мобильных телефонов и прочей техники уже давно и серьезно интересуются графеном как возможным материалом для сенсорных экранов. Особенно интенсивно работают над этим в Корее и в Китае, пионером этих исследований стала фирма Samsung. 

Главным камнем преткновения долгое время оставалось то, что графен, полученный знаменитым методом липкой ленты, замечателен для научных исследований, но астрономически дорог для технических приложений. Но вот несколько лет назад была разработана технология осаждения химических паров (когда на поверхность подходящего металла, например, меди, оседают горячие пары углерода). Этот графен, конечно, не обладает такими хорошими свойствами, как извлеченный при помощи липкой ленты из графита, зато размеры его ничем не ограничены, и он очень дешев. Это, в принципе, решило проблему. Не знаю, появились ли уже графеновые экраны на рынке, или нет, но Костя Новоселов (один из первых исследователей графена, получивший за свои работы Нобелевскую премию – NS) недавно рассказывал, что одна из компаний уже подарила ему мобильный телефон с графеновым экраном. Так что, если такие тачскрины еще не появились в продаже, то появятся совсем скоро. 

Пойдем дальше. Всем известно, что работающая электроника разогревается, и от нее нужно постоянно отводить тепло. Здесь полезно другое удивительное свойство графена – его исключительная теплопроводность, лучше, чем у любого металла. Поэтому, даже если транзисторы оставить кремниевыми, графен можно использовать как подложку. Это будет очень эффективный отвод тепла, и микросхемы не будут так сильно греться. 

Большой энтузиазм в связи с использованием графена сейчас можно наблюдать в фотонике и фотовольтаике: графен считается очень перс­пективным материалом для всевозможных светодетекторов, может быть, даже для солнечных батарей. Не могу оценить, когда такое применение графена пойдет в народное хозяйство, но, думаю, это тоже скорее годы, чем десятилетия. 

Есть и совсем экзотические приложения. В частности, некоторые исследователи пытаются использовать графен для весьма неожиданной вещи – для экспресс-анализа ДНК. Если будет найден способ делать такой анализ очень быстро и дешево, то это, конечно, может серьезно изменить здравоохранение, да и всю нашу жизнь. Тут дело в том, что графен – это всего один слой атомов, в котором можно делать «дырочки», выжигая их, например, ионным пучком. И если затем вы сможете протащить сквозь такую дырочку молекулу ДНК и подведете контакты, вам останется просто измерять проводимость, туннельный ток поперек этой молекулы. А он для каждого нуклеотида будет свой. Насколько мне известно, пока это не удалось никому, но люди над этим работают. 

Какие еще приложения можно себе представить? Самые разные. Потому что у графена, помимо прочих свойств, еще и интересная химия. Его можно использовать для получения новых материалов, например, фторировать, получая флюорографен. Это двумерный аналог известного всем домохозяйкам тефлона, которым покрывают сковородки. Но, в отличие от тефлона, флюорографен намного тоньше и прочнее. А вообще, применение этого прочного, тонкого и очень химически инертного двумерного материала может быть ограничено разве что человеческой фантазией.