Нобелівське
визнання графену: чим відповість Україна?
Нобелівськими лауреатами з фізики
2010 року стали Андрій Гейм та Костянтин Новосьолов за роботи в галузі фізики
графену - моноатомного шару вуглецю з унікальними
фізичними властивостями, який може спричинити революцію в сучасній електроніці.
На засіданні Президії АН вищої школи України 15 жовтня цього року
віце-президент академії, доктор фізико-математичних наук Максим Стріха зробить
наукову доповідь на тему "Нобелівське визнання графену: чим відповість
Україна?"
Початок о 16.00 за адресою: вул.Ісаакяна, 18, актова зала (4 поверх). Запрошуються всі,
хто цікавиться поступом у нанофізиці й нанотехнологіях.
Нобелівське
визнання графену. Чим відповість Україна?
Максим Стріха, доктор фізико-математичних наук
Прізвища Нобелівських лауреатів-2010 з фізики
були прогнозовані. Премію отримали двоє колишніх випускників МФТІ, які вже
майже 10 років працюють в університеті Манчестера – 52-річний підданець
Нідерландів Андрій Гейм (він колись став був і лауреатом «антинобелівської»
премії за вивчення левітації жаб у магнітному полі) і його учень 36-річний
Костянтин Новосьолов (наймолодший лауреат з фізики починаючи з 1940 року
паралельно з британським зберіг і російське громадянство). Премію присуджено за
роботи в галузі графену – шару вуглецю товщиною всього в один атом, вперше отриманого
в 2004 році.
В електронному мікроскопі графен нагадує бджолині
стільники, де сусідні атоми відокремлює в одну десяту мільярдної частки метра. Відтоді
розпочався справжній бум. Говорять навіть про появу «фізики графену» - нової
інтердисциплінарної області досліджень на стикові фізики конденсованого
середовища, фізики високих енергій і матеріалознавства.
Адже новий матеріал, попри «тендітність»,
виявив вищу від сталі механічну жорсткість і дивовижну стійкість до нагрівання.
А найголовніше – електрони в ньому (за низкою важливих фізичних властивостей
схожі не на електрони в інших твердих тілах, а на релятивістські частинки без
маси – фотони й нейтрино) забезпечують графену дуже високу провідність (на
порядки вищу, ніж у кремнії – основному матеріалі сучасної електроніки). Отже,
прилади на основі графену можуть виявитися значно «швидшими». Це особливо
важливо, бо транзистори на основі кремнію сьогодні майже «вичерпали» свій
резерв швидкодії й триває інтенсивний пошук нових матеріалів.
В певному сенсі графен було отримано задовго
до 2004 року. Адже площини графену, пов’язані слабкими зв’язками, утворюють такий
давно відомий людині кристал, як графіт. А тому кожний художник, проводячи по
папері олівцем, створює і мікроплощинки, де залишався усього кілька-, а то й одноатомний шар вуглецю. Проте реально
дослідити двовимірний вуглець (а тим
більше – підвести до нього електричні контакти) дозволило лише створення в
1980-х атомного силового мікроскопу і розвиток нанотехнологій.
Примітивну технологію перших робіт з отримання
графену було названо «методом відлущування». До зразка графіту прикладали
звичайний скотч. Потім його обережно віддирали – з
налиплими фрагментами графіту, які в окремих місцях міг мати одноатомну
товщину. Потім скотч притискали до підкладки (зараз у
ролі підкладки найчастіше використовують шар діелектрика SiO2). Далі
скотч усували хімічними методами – а закріплений на
підкладці вуглець залишався. З допомогою оптичного мікроскопу (одноатомний шар
вуглецю можна бачити, адже він поглинає 2,3% світла, що на нього падає!)
визначали ті фрагменти підкладки, на яких залишався моноатомний шар (вони мали
розмір до 10 мікронів). Потім залишалася ювелірна робота підведення електричних
контактів.
Така технологія має очевидні недоліки:
неможливо отримати плівку визначеного розміру й форми у визначеному наперед
місці підкладки. Вартість перших зразків графену була астрономічна – порядку
100 000 000 $/см2. Проте саме ця примітивна й витратна
технологія дозволила отримати революційні результати у квантовій фізиці
конденсованого середовища.
Майже відразу розпочалися спроби удосконалення
технології вироблення графену. Найбільш придатним для промислового виробництва
виявився метод, в основі якого осаджування з газової фази. Завдяки цьому в 2009
році графен уже виробляли в світі тоннами, а його вартість знизилася до 100 $/см2.
Нарешті, справді проривний ефект мала робота, хіміків
з Японії та Південної Кореї, які вирощували графен на великих площинах мідної
фольги осаджуванням з парової фази - і влітку 2010 року отримали листи графену
на підкладці з діагоналлю в 75 см. Їх було використано в сенсорному дисплеї,
який не поступався стандартним дисплеям, створеним на основі провідних шарів з
індієво-олов’яних оксидів.
На сьогодні на основі графену вже створено ефективні
газові сенсори, які «відчувають» присутність одної-єдиної молекули певного
газу, біосенсори для клітин і молекул ДНК, світлодіоди, іоністори (конденсатори
великої ємності), здатні перезаряджуватися понад 100 разів на секунду. Є обнадійливі результати щодо застосування графену для
лікування пухлин.
Проте створення на основі графену польового транзистора
(а саме це може означати революцію в електроніці!) наражається на труднощі
принципового характеру. Через особливості фізики графену при будь-яких прикладених
до затвору напругах складно домогтися суттєвої зміни опору, необхідної для створення
двох станів: провідного і непровідного, на яких ґрунтується двійкова логіка. Отже,
треба змінити ці властивості так, щоб графен став схожий на звичайний
напівпровідник. І вже в лютому 2010 року фахівці IBM повідомили про створення
польового транзистора на основі графену зі швидкодією в 100 ГГц, що перевищує
швидкодію кремнієвого транзистора.
На жаль, «графеновий» бум відбувається поза
Україною. Хоч є певні досягнення і в нас. Ще наприкінці 1980-х елегантні роботи
з фізики тонких шарів графіту виконав Володимир Литовченко зі співробітниками –
вони належать до «передісторії» графену. У найпрестижніших журналах і сьогодні
з’являються «графенові» статті Федора Васька, В’ячеслава Кочелапа, Вадима
Локтєва, Станіслава Репецького, інших наших теоретиків. А от з експериментом –
усе майже на нульовому рівні. Адже навіть сьогоднішні нобелівські лауреати
змогли реалізувати себе лише за кордоном – Гейм захистив у Росії лише
кандидатську, Новосьолов і диплом PhD отримав уже на
Заході. То що вже казати про бідні, устатковані застарілими приладами
українські лабораторії. І навіть у рамках затвердженої торік Державної програми
розвитку нанотехнологій і наноматеріалів за конкурсом НАН рекомендовано наразі
для підтримки одну-єдину «графенову» роботу – теж
теоретичну…
Очевидно, така ситуація потребує термінових
корекцій – бодай на рівні НАН (адже Держнауки досі
перебуває в стадії становлення, а пріоритети нинішнього керівництва Міносвіти
лежать у зовсім іншій площині). А тим часом сьогодні «графенові» роботи стають
прямим показником конкурентоспроможності держави у міжнародному науковому
розподілі праці.
Графен – вигляд в електронному мікроскопі (з «Вікіпедії»).
