Оказывается, украинские ученые тоже ведут исследования графена и делают открытия мирового уровня

Нобелевскую премию за получение графена — материала с удивительными свойствами, на основе которого ученые прогнозируют появление принципиально новых устройств, присудили в прошлом году двум бывшим россиянам Андрею Гейму и Константину Новоселову. Однако мало кто знает, что чрезвычайно важные исследования в этом направлении проводятся у нас в Украине.

Так, группа исследователей из Института полупроводников им. В.Лашкарева НАНУ изучает графен с точки зрения его полупроводниковых свойств. О работах украинских ученых рассказал «УТГ» ее руководитель, профессор, лауреат Государственной премии Украины Вячеслав Кочелап.

— Вячеслав Александрович, в Украине несколько институтов и научных групп занимаются исследованиями графена. Как работы наших ученых соотносятся с мировым научным поиском?

— Самый большой вклад в изучение графена сделала группа из Института теоретической физики им. Н. Боголюбова НАНУ. Ее возглавляет Валерий Павлович Гусынин, доктор наук, профессор, лауреат Государственной премии. Ученые много лет занимались фундаментальными, хотя и относительно абстрактными проблемами — изучали квантовую электродинамику пониженных размерностей, в том числе в пространстве двух измерений. В этой области они получили целый ряд хороших теоретических результатов, в частности описали поведение «двумерных» электронов в сильном магнитном поле.

Когда в 2003—2004 годах Гейм и Новоселов получили графен, они обнаружили, что в нем есть «свободные электроны», которые могут перемещаться по одноатомному слою вещества, то есть только в двух измерениях. Одна из первых идей, пришедших им в голову, — приложить к графену магнитное поле и посмотреть, как электроны будут себя вести. Результаты эксперимента были совершенно непонятны. И тут выяснилось, что теоретически эту проблему уже рассматривала группа Гусынина. Благодаря работам наших ученых возникло понимание, что на самом деле происходит внутри графена. Квантование электронов в одноатомном слое оказалось необычным, не похожим на то, что происходит в объемном теле или в других полупроводниковых наноструктурах. Там реализуются совершенно другие зависимости от магнитного поля. Сразу же за публикацией Гейма и Новоселова о получении графена появилась статья группы Гусынина. Сегодня на нее уже сотни ссылок. Авторитет наших ученых в этой области широко признается.

— Да, я видел в нескольких источниках, в том числе и в Википедии, что в статьях по графену постоянно упоминается теория Гусынина—Шарапова.

Полупроводниковые интересы

— Группа Гусынина изучает этот материал с точки зрения квантовой теории. Насколько я понимаю, у исследователей из Института полупроводников интересы и подход несколько иные?

— На определенном этапе графен заинтересовал наш институт. Действительно, это полупроводник. У него есть ряд типичных свойств, в частности, его проводимостью возможно управлять в широких пределах. Естественно, что к этим проблемам у нас имеется особый интерес и иные подходы, чем у наших коллег из Института теорфизики. В изучение собственно полупроводниковых свойств (таких как подвижность носителя заряда, механизмы их рассеяния, времена релаксации, рекомбинации и прочие) существенный вклад внесли уже представители нашего института.

— Какие методы исследования графена и области его возможного применения вы рассматриваете?

— Первый шаг — прикладывают к нему электрическое напряжение и смотрят, какой получается ток. При этом возникает масса вопросов, которые в квантовой электродинамике вообще не ставились. Электроны, «дырки» начинают греться, возникают дополнительные механизмы рассеяния, нелинейности тока и прочее. Сам по себе, без подложки, условно говоря, «висящий графен» тоже может быть исследован. Но реальный прибор не может основываться на незакрепленном материале. Его надо «положить» на какую-то подложку, а значит, надо учитывать ее свойства и влияние на графен. Это вторая тема, и у нас по ней уже есть интересные результаты.

Третья тема, тоже связанная с нашим институтом, — использование графена в конкретных приборах. Ведь к плоскому участку графена нужны контакты, чтобы пустить ток. А это уже выход из плоскости в объем. На их стыке происходят сложные процессы, которые тоже нужно изучить.

В результате проведенного нами анализа можно сказать, что надежды на графен как на универсальный материал со сверхвозможностями не очень оправдываются. Но существуют ниши, где его свойства действительно уникальны. В частности, его можно применить в полевых транзисторах. В электронике он используется в трех целях: для переключающих схем «да — нет», в устройствах памяти и для усиления электрического сигнала. Оказывается, в первых двух случаях графен не очень подходит. Но в третьем (и вообще для аналоговых задач) показывает себя вроде неплохо. Так, компания IBM сообщила, что ей удалось добиться усиления электромагнитного сигнала на частоте свыше 100 гигагерц.

— Поясните, пожалуйста, почему этот результат важен?

— Дело в том, что любой прибор обладает какой-то инерционностью, и выше определенной частоты он по усилению не работает. В частности, поэтому стремятся делать электронные устройства как можно меньших размеров, чтобы время пролета электронов в них было минимальным. Сегодня длинный путь развития кремниевой электроники привел к приборам, работающим на частотах порядка 100 гигагерц. Так вот, графен сразу достиг значений, почти максимальных для кремния. Высокая частота работы означает, что на основе графена можно создать устройства с намного большим быстродействием, чем нынешние.

И снова пиролиз

— Полевые транзисторы — это только одно из приложений. Другое возможное применение — усиление и генерирование электромагнитных волн в так называемом терагерцовом окне — частотной области, где электронные приборы уже не работают, а оптические (например лазеры) — еще не работают. Предположительно на графене можно создавать терагерцовые лазеры и детекторы. А дальше вокруг этого возникает масса идей, требующих осмысления и изучения.

Еще одна идея опирается на тот факт, что графен чаще всего используют на некой подложке. По ней можно пустить ультразвук. Возникнет взаимодействие графена с ним — и можно ожидать создания акустоэлектронных приборов. Мы пытаемся все эти темы прорабатывать.

— Известно, что Гейм и Новоселов получили графен, отшелушивая графит слой за слоем при помощи скотча. Однако это не промышленный способ получения данного материала. Какие пути видите вы?

— Уже появились химические методы синтеза графена, причем в самых разнообразных вариантах. Полупроводниковое материаловедение предлагает другой путь. Существует такой материал SiC — соединение кремния и углерода, карбид кремния. Если его нагревать, то кремний, как более летучий элемент, испаряется, а на поверхности остается пленка углерода — один, два, несколько слоев атомов. Скорее всего, они будут неупорядочены. Но при определенных условиях из нее можно получать один или несколько слоев графена. Такие эксперименты у нас в институте проводятся уже примерно год, и есть результаты. Слой графена на поверхности карбида кремния при спектральном анализе дает совершенно четкую, уникальную линию рассеянного света, присущую только этому материалу. Так вот, при пиролизе карбида кремния наши ученые получили на его поверхности островки графена диаметром в десятки микрон. Это важный результат, учитывая, что толщина слоя графена в тысячи раз меньше — доли нанометра. Далее к таким островкам «приладят» контакты и будут проводить весь комплекс электрических и оптических измерений. Такой подход, можно сказать, — на острие исследований этого необычного материала.