Виявляється, українські вчені теж ведуть дослідження графену і роблять відкриття світового рівня
Нобелівську премію за одержання графену — матеріалу з дивовижними властивостями, на основі якого вчені прогнозують появу принципово нових пристроїв, присудили торік двом колишнім росіянам, Андрію Гейму й Костянтину Новосьолову. Однак мало хто знає, що надзвичайно важливі дослідження в цьому напрямку проводяться в нас в Україні.
Так, група дослідників з Інституту напівпровідників ім. В.Лашкарьова НАНУ вивчає графен з огляду на його напівпровідникові властивості. Про роботи українських учених розповів «УТГ» її керівник, професор, лауреат Державної премії України В’ячеслав Кочелап.
— В’ячеславе Олександровичу, в Україні кілька інститутів і наукових груп займаються дослідженнями графену. Як роботи наших учених співвідносяться зі світовим науковим пошуком?
— Найбільший внесок у вивчення графену зробила група з Інституту теоретичної фізики ім. М. Боголюбова НАНУ. Її очолює Валерій Павлович Гусинін, доктор наук, професор, лауреат Державної премії. Учені багато років займалися фундаментальними, хоча й порівняно абстрактними проблемами — вивчали квантову електродинаміку знижених розмірностей, у тому числі в просторі двох вимірів. У цій галузі вони одержали багато добрих теоретичних результатів, зокрема описали поводження «двовимірних» електронів у сильному магнітному полі.
Коли в 2003—2004 роках А.Гейм і К.Новосьолов одержали графен, вони побачили, що в ньому є «вільні електрони», які можуть переміщатися одноатомним шаром речовини, тобто тільки у двох вимірах. Одна з перших їх ідей — застосувати до графену магнітне поле й подивитися, як поводитимуться електрони. Результати експерименту були зовсім незрозумілі. І тут з’ясувалося, що теоретично цю проблему вже розглядала група В.Гусиніна. Роботи наших учених дозволили зрозуміти, що насправді відбувається усередині графену. З’ясувалося, що квантування електронів в одноатомному шарі незвичайне, не схоже на те, що відбувається в об’ємному тілі або в інших напівпровідникових наноструктурах. Там реалізуються зовсім інші залежності від магнітного поля. Відразу ж за публікацією Гейма й Новосьолова про одержання графену з’явилася стаття групи В.Гусиніна. Сьогодні на неї вже сотні посилань. Авторитет наших учених у цій галузі широко визнаний.
— Так, я бачив у декількох джерелах, у тому числі й у Вікіпедії, що в статтях про графен весь час згадується теорія Гусиніна-Шарапова.
Напівпровідникові інтереси
— Група Гусиніна вивчає цей матеріал в аспекті квантової теорії. Наскільки я розумію, у дослідників з Інституту напівпровідників інтереси й підхід дещо інші?
— На певному етапі графен зацікавив наш інститут. Дійсно, це напівпровідник. У нього є декілька типових властивостей, зокрема, його провідністю можна управляти в широких межах. Звичайно, що до цих проблем у нас є особливий інтерес та інші підходи, ніж у наших колег з Інституту теорфізики. У вивчення власне напівпровідникових властивостей (таких як рухливість носія заряду, механізми їхнього розсіювання, час релаксації, рекомбінації та інші) істотний внесок зробили вже представники нашого інституту.
— Які методи дослідження графену і які галузі його можливого застосування ви розглядаєте?
— Перший крок — застосовують до нього електричну напругу й дивляться, який виходить струм. При цьому постає безліч питань, які у квантовій електродинаміці взагалі не ставилися. Електрони, «дірки» починають грітися, виникають додаткові механізми розсіювання, нелінійності струму тощо. Сам по собі, без підкладки, умовно кажучи, «висячий графен», теж може бути досліджений. Але реальний прилад не може ґрунтуватися на незакріпленому матеріалі. Його треба «покласти» на якусь підкладку, отже, треба враховувати її властивості й вплив на графен. Це друга тема, і в нас з неї вже є цікаві результати.
Третя тема, теж пов’язана з нашим інститутом, — використання графену в конкретних приладах. Адже до плоскої ділянки графену потрібні контакти, щоб пустити струм. А це вже вихід із площини в об’єм. На їхньому стику відбуваються складні процеси, які теж треба вивчити.
У результаті проведеного нами аналізу можна сказати, що надії на графен як на універсальний матеріал із надможливостями не дуже справджуються. Але існують ніші, де його властивості дійсно унікальні. Зокрема, його можна застосувати у польових транзисторах. В електроніці вони мають три призначення: для перемикальних схем «так — ні», у пристроях пам’яті й для посилення електричного сигналу. Виявляється, у перших двох випадках графен не дуже підходить. Але в третьому (і взагалі для аналогових завдань) графен показує себе начебто непогано. Так, компанія IBM повідомила, що їй удалося домогтися посилення електромагнітного сигналу на частоті понад 100 гігагерців.
— Поясніть, будь ласка, чому цей результат важливий?
— Річ у тім, що будь-який прилад має певну інерційність, і вище певної частоти він за посилення не працює. Зокрема, тому прагнуть виробляти електронні пристрої якнайменших розмірів, щоб час прольоту електронів у них був мінімальним. Сьогодні довгий шлях розвитку кремнієвої електроніки привів до приладів, що працюють на частотах близько 100 гігагерців. Отож, графен відразу досяг значень, майже максимальних для кремнію. Висока частота роботи означає, що на основі графену можна створити пристрої з набагато більшою швидкодією, ніж нинішні.
І знову піроліз
— Польові транзистори — це тільки одна сфера застосування. Інша — посилення й генерування електромагнітних хвиль у так званому терагерцовому вікні — частотній ділянці, де електронні прилади вже не працюють, а оптичні (наприклад лазери) — ще не працюють. Передбачається, що на графені можна буде створювати терагерцові лазери й детектори. А надалі навколо цього виникає безліч ідей, які вимагають обмірковування й вивчення.
Ще одна ідея ґрунтується на тому факті, що графен найчастіше використовують на якійсь підкладці. Нею можна пустити ультразвук. Виникне взаємодія графену з ним — і можна чекати на створення акустоелектронних приладів. Ми намагаємося всі ці теми опрацьовувати.
— Відомо, що Гейм і Новосьолов одержали графен, відшелушуючи графіт шар за шаром за допомогою скотча. Однак це не промисловий спосіб одержання цього матеріалу. Які шляхи бачите ви?
— Уже з’явилися хімічні методи синтезу графену, причому в найрізноманітніших варіантах. Напівпровідникове матеріалознавство пропонує інший шлях. Існує такий матеріал SiC — сполука кремнію й вуглецю, карбід кремнію. Якщо його нагрівати, то кремній, як більш леткий елемент, випаровується, а на поверхні залишається плівка вуглецю — один, два, кілька шарів атомів. Швидше за все, вони будуть невпорядковані. Але за певних умов з неї можна одержувати один або кілька шарів графену. Такі експерименти в нас в інституті проводяться вже приблизно рік, і є результати. Шар графену на поверхні карбіду кремнію під час спектрального аналізу дає чітку, унікальну лінію розсіяного світла, властиву тільки цьому матеріалу. Отож, під час піролізу карбіду кремнію наші вчені одержали на його поверхні острівці графену діаметром у десятки мікронів. Це важливий результат з огляду на те, що товщина шару графену в тисячі разів менше — частинки нанометра. Далі до таких острівців приєднають контакти й проводитимуть весь комплекс електричних і оптичних вимірів. Такий підхід, можна сказати, — на вістрі досліджень цього незвичайного матеріалу.
