Графен - удивительный материал, который представляет из себя "ткань" из углерода толщиной всего в один атом. Такая конфигурация имеет много необычных свойств, которые отличаются не только от свойств объемных модификаций углерода (графит, алмаз) но и вообще от всех известных материалов. Материалы, толщина которых ограничена одним или несколькими атомами получили называние двумерные или 2D. Графен - первый и самый известный представитель этого нового класса материалов, но не единственный. Из этой статьи вы узнаете какие ещё бывают двумерные материалы и какую пользу они могут принести человечеству.
История и получение графена
Всё началось в 2004 году с момента выхода статьи ученых российского происхождения А.К. Гейма и К.С. Новосёлова. В этой статье они первые в мире предложили способ получения графена - двумерного углерода. Кстати, за эту и последующие работы по изучению свойств графена они в дальнейшем были удостоены Нобелевской премии по физике. До этого времени такой материал исследовали только теоритически, получить его на практике не представлялось возможным. Гейм и Новосёлов предложили очень простой и в то же время элегантный способ полученя двумерного углерода, который назвали механическое расщепление. В общих чертах это выглядит так: на кусок грфита наклеивают клейкую ленту, отрывают её, а прилипший слой осаждают на специальную подложку. Если повторять этот процесс много раз, то среди полученных слоев графита могут оказаться те самые желанные однослойные. Такой слой примерно в 300 тысяч раз тоньше обычного листа бумаги. Сейчас существуют и другие методы получения графена, например за счёт определенных химических реакций, осаждения из газовой фазы и другие. Но именно метод механического расщепления в своё время привел к революции. Хоть он и не позволяет производить большие куски графена для промышленных целей, его простота и доступность позволили получать и исследовать двумерный углерод сотням лабораторий по всему миру. После этого графен стал по настоящему "хайповой" темой в науке и физике в частности.
Количество научных публикаций на тему одного только графена давно уже перевалиливает за 10-15 тысяч в год, не говоря уже о двумерных материалах в целом. Такой повышенный интерес показывает насколько значимыми являются эти материалы.
Свойства и применение графена
Причиной такого повышенного интереса к графену яаляются уникальные его свойства и перспективы, которые они открывают. Углерод в двумерном состоянии обладает рекордной подвижностью носителей зараяда при комнатной температуре, что даёт ему очень хорошую электро- и теплопроводность. Это открывает перед графеном большие перспективы использования в электронике. Уникальны и оптические свойства графена - он на 97.7% прозрачный. С точки зрения механических свойств опять рекорды - огромная прочность на разрыв и механическая жесткость. Химические свойства тоже довольно интересны: графен не реагирует с кислотами и щелочами при комнатной температуре, но хорошо реагирует с некоторыми отдельными элементами, что позволяет делать чувствительные сенсоры - детекторы определенных веществ. В общем с какой стороны не посмотреть - материал уникальный. Единственный нюанс - у графена отсутствует так называемая "запрещённая зона" - область энергий, которыми не могут обладать электроны в материале. Другими словами, в отличии от стандартных полупроводников он проводит ток всегда и нельзя путём изменения входных параметров создать два состояния, на которых строится вся двоичная логика в электронике - проводящее и не проводящее.
Но это не мешает графену уже сейчас находит ряд применений, а в будущем ожидается, что их количество будет только расти. В первую очередь это электроника, тут наибольшую активность проявляют такие крупные фирмы как Samsung, Apple и другие, которые являеются правообладателями большого количества патентов по графену и внедряют его в разработки. На основе графена планируют делать эффективные солнечные батареи, баллистические транзисторы, аккумуляторы и ещё много чего полезного. Есть и более экзотичные варианты применения, такие как умная одежда и гибкие дисплеи. Другими словами с применением графена проблем нет, но, к сожалению, пока есть проблема с его производством. Сегодня ещё нет оптимальной технологии массового производства графена в масштабах достаточных для всех нужд. По этой причине тот графен, который удаётся произвести, остаётся безумно дорогим, что во многом ограничивает практическое применение.
Не только графен.
Успех графена спродвиг исследователей на разработку других двумерных материалов.
- Борофен. Как понятно из названия это двумерный бор, который многие считают главным конкурентом графена. Он тоже обладает хорошей электропроводностью, а также высокой удельной ёмкостью, что делает его отличным кандидатом для применения в батареях нового поколения. В зависимости от структурных особенностей борофен может быть как обычным проводником так и сверхпроводником. Борофен прочнее своего углеродного собрата и более гибок. Кроме того, он может применяться для хранения водорода - ещё одной важной проблемы современности. Борофен способен удерживать на себе массу водорода равную примерно 1/8 собственной массы, что являеся хорошим показателем. Этот материал был получен гораздо позже графена - только в 2015 году, но главная проблема та же, что и у первого - дорогое производство. Ещё одним недостатком борофена является его склонность к окислению и взамодействию с различными химическими элементами, что пока ограничивает возможности его хранения и применения.
- Силицен. Двумерный кремний. Как известно, кремний всё ещё безоговорочный лидер по применению в электронике. Естественно, силицен, который сам является кремнием хорошо совместим с существующей полупроводниковой и другой техникой. Это и считается его главным достоинством. Ещё одной фишкой силицена является возможность значительного изменения его электросопротивления путём механического растяжения. По сравнению с графеном он более гибок, но на два порядка проигрывает тому в подвижности носителей заряда. Помимо электроники, так же как и другие представители класса двумерных материалов может применяться в аккумуляторах и в высокочувствительных молекулярных сенсорах. Проблемы те же что и у борофена.
- Фосфорен. Однослойный фосфор подобен графену в том смысле что он тоже может быть получен путём обычного механического расслоения (скотч и кусок черного фосфора). Он обладает меньшей электропроводностью чем графен и силицен, но в отличии от них имеет запрещённую зону. То есть он может то проводить электрический ток, то нет, что даёт ему возможность применения в основе транзисторов. Теоритически фосфорен должен быть более стойким к окислению чем его собратья, но как получать большие куски такого материала пока тоже не придумали.
- Германен. Однослойный германий - ещё один двумерный материал с запрещённой зоной, которая может быть создана путём приложения электрического поля перпендикулярного поверхности материала. За счёт этого на его основе можно создавать полевые транзисторы. Предполагается что германен будет использоваться не только в полупроводниковой промышленности, но и в модном сегодня направлении - квантовых компьютерах. Ну и по традиции за счёт хороших показателей подвижности зарядов германен может применяться в аккумуляторах.
Кроме этих материалов существует еще различные двумерные модификации как отдельных элементов (плюмбен-свинец, висмутен-висмут и др.) так и целые соединения, которых уже получено довольно большое количество. Безусловно, двумерные материалы пока имеют свои проблемы, самая главная из которых дороговизна получения. Но по научным меркам это очень молодое направление исследований, поэтому хочется верить, что уникальные свойства 2D материалов ещё найдут своё широкое применение в нашей жизни.