Исследования, которые привели к открытию графена начались в 2004 году. Его обнаружили выходцы из России К.С. Новосёлов и А.К. Гейм, работая в Манчестере. В МИЭТе тоже проводятся работы в этой области. Мы поговорили с учёными нашего университета И.И. Бобринецким (ЭКТ’02), А.В. Емельяновым (ЭКТ’14),  И.А. Комаровым (ЭКТ’10) и Н.С. Стручковым (ЭКТ-47) о том, что такое графен и что с ним делают в нашем университете.

Фото из архива А. Емельянова

 Немного теории

У химического элемента может быть несколько модификаций. Это свойство называется аллотропией. Оно связано с различным составом молекул простого вещества или размещением атомов в кристаллической решётке. У углерода открыто более девяти форм, самые известные – алмаз и графит, также существуют углеродные нанотрубки и карбин – одномерная цепочка атомов углерода.

Графит, в отличие от алмаза, частицы которого связаны прочной кристаллической решёткой, состоит из атомарных слоёв. Они остаются на бумаге, когда мы проводим линию простым карандашом. Один слой – чешуйка графита – и есть графен. По сути, это лист из атомов углерода. Если на непрозрачную подложку нанести прозрачный гель со слоем графена, то при отражении луча света можно разглядеть этот слой в обычный оптический микроскоп.

Способы получения

Первооткрыватели брали высокочистый кусок графита и скотчем снимали слои. Сначала отщепляли 50 тысяч слоёв, потом другим куском липкой ленты отделяли 20 тысяч, и так раз за разом, пока не оставались одномерные чешуйки графена. Минусы такого способа – сложность и малый размер получаемых чешуек (несколько десятков микрон против нескольких сантиметров при выращивании).

Сейчас учёные очищают графен от присоединённых групп или выращивают из газа в камере. Первый способ дешёвый – производить оксид графита научились в начале ХХ века, а отделять от него оксид графена и восстанавливать выходит недорого. При этом кислород может забрать с собой атом углерода, или слои графена могут лечь друг на друга, что скажется на качестве материала. Но есть и плюс −  такие плёнки обладают полупроводниковыми свойствами. Из них можно создавать прозрачные или высокопроводящие экземпляров. Они перспективны в современной электронике. Например, их можно использовать в роли прозрачного полупроводника между стеклом и матрицей смартфона. Преимущество такого покрытия – гибкость. Если согнуть его больше, чем на 90 градусов, то сопротивление материала изменится не более чем на 3%.

Миэтовские учёные в своих работах использовали графен, который был выращен из газа в камере. Метод позволяет нарастить слой любой площади, но чем она больше, тем хуже качество получаемого материала – появляются многослойные участки, поэтому сложнее создать подложку надлежащего качества.

Н. Стручков, И. Бобринецкий
Фото: Никита Бринько

Исследования в МИЭТе

Наши учёные открыли, что можно изменять свойства графена с помощью фемтосекундного лазера. Длительность его импульса составляет 10 фемтосекунд (10-15 секунд) и сравнима с периодом колебаний молекул. Малое время воздействия необходимо, чтобы материал не нагревался. Такая обработка инициирует химическую реакцию в графене. Похожими лазерами производятся операции по улучшению зрения. Принцип работы установки похож на принтер: импульс бьёт в одну точку, потом лазер сдвигается и бьёт в соседнюю. Так происходит рисование различных схем, а в зависимости от энергии лазерных импульсов получаются разные химические реакции. Это позволяет изменять прозрачность, проводимость и создавать p-n переход.

 Разберём эти изменения подробнее. При обработке материал присоединяет к себе различные функциональные группы. Эти эффекты и исследовали наши учёные. Они прикрепляли к графену гидроксильные (-OH), карбоксильные (-СООН) и карбонильные (=С=О) группы, чтобы сделать на его основе полупроводниковые элементы. Сложность здесь заключается в том, что при присоединении функциональных групп не получается таких перепадов напряжения, как в кремниевых транзисторах. Сейчас учёные пытаются решить эту проблему с помощью изменения среды обработки графена.

Применение на практике

Графен интересен науке благодаря широкому применению: из него можно производить различные датчики. Они будут реагировать на перепады сопротивления при контакте с нужным веществом. 

Сейчас учёные работают над биосенсорами и транзисторами на основе графена. Они могут заменить современные транзисторы, потому что превосходят их по чувствительности даже при комнатной температуре и обеспечивают такие же измерения. В чистом виде графен, конечно, не может выполнять все эти функции. Его нужно модифицировать.

За 13 лет никто так и не приблизился к технологичному воспроизведению привычных для микроэлектроники структур, транзисторов и схем, на основе графена. Учёные пытались обрабатывать его как кремний, но из-за разного происхождения материалов это не работало. Например, нанесение органического фоточувствительного слоя (операция, необходимая в фотолитографии – методе получения рисунка на поверхности материала – прим. ред) на графен лишает его всех свойства. С кремния он смывается кислотами, а графен имеет углеродную основу. В результате он взаимодействует с кислотой, и на поверхности материала образуется много мусора.

***

В России исследования графена находятся почти на мировом уровне. Его выращивают, создают различные датчики и сенсоры. К сожалению, большинство работ скорее фундаментальные, чем практические. Учёные пока ищут, где и как его можно применять.

Илья Селивёрстов