Сегодня ученые научились использовать графен в составе композитных покрытий и биосенсоров, а также в наноэлектронике. Перспективы, которые открывает этот материал, — еще шире. О «магической скрутке» графена, а также о том, как сделать его похожим на металл и как использовать такие свойства, рассказал Александр Рахманов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теоретической электродинамики конденсированного состояния Института теоретической и прикладной электродинамики РАН. Материал подготовлен в рамках специального проекта Российской академии наук и издания InScience.News.
— Александр Львович, вы занимаетесь исследованием двухслойного графена. Расскажите, пожалуйста, в чем его отличие от однослойного и где он применяется?
— Графеном обычно называют системы, которые состоят из одного, двух, трех или четырех слоев атомов углерода. Материал, состоящий из пяти и более слоев, уже приобретает электронные свойства, близкие к графиту. Первые исследования начались в однослойном графене, и на сегодняшний день для него уже есть довольно значимые сферы применения — иногда самые неожиданные. Например, его добавляют в дорожные покрытия, чтобы увеличить срок их службы. Естественно, что следующий шаг в науке — начать исследование свойств двухслойного графена. Этим занялись несколько позже, и оказалось, что существуют три различные системы двуслойного графена. Они отличаются упаковкой атомов: в первой атомы углерода расположены друг над другом, как бы стопочкой, создавая не очень устойчивую структуру. Система второго типа имеет строение обычного графита, но только из двух слоев. Последняя система очень необычная: в ней один слой атомов повернут относительно другого на определенный угол. Свойства двухслойного графена, например сверхпроводимость и своеобразные электронные переходы, очень интересны и сильно отличаются от однослойного графена. Совсем недавно стали исследовать свойства трехслойных систем и тоже нашли много неожиданного. Но практического применения у таких материалов пока нет.
— К какому типу относится двухслойный графен, которым занимается ваша лаборатория?
— Наш относится к тому типу, в котором атомы расположены друг над другом, и слои которого скручены. Это сделать технологически довольно сложно, но возможно. Оказалось, что при скручивании на «магический» угол — около 1° — двухслойный графен становится очень чувствительным к добавлению электронов. Добавлять их можно, подавая поперечное напряжение, даже очень слабое. Оно вызывает переход из металлического состояния в диэлектрическое и появление сверхпроводимости. Механизм, лежащий в основе сверхпроводимости в данном случае, пока не известен. Вероятно, время покажет.
— Вы упомянули, что при скручивании в двухслойном графене происходят переходы металл — диэлектрик. Расскажите, пожалуйста, об этом явлении. Оно возникает потому, что материал модифицируют металлами?
— Нет, графен не модифицируется металлами, он может иметь так называемое состояние полуметалла. Полуметаллы — это вещества, имеющие определенную структуру электронных, то есть проводящих ток, зон. Она обеспечивает появление свойств, промежуточных между металлами (проводниками) и неметаллами (диэлектриками). Диэлектрик — это состояние, при котором в веществе нет электронов проводимости и, соответственно, электрического тока. Металл, напротив, в зонах проводимости содержит электроны, а потому может проводить электрический ток. Та модификация двухслойного графена, которую мы рассматриваем, исходно является полуметаллом — в ней есть электроны проводимости, но только поляризованные определенным образом.
— То есть такое название отражает лишь сходство свойств с металлами, тогда как в структуре материала их нет?
— Да, именно так. Известно большое количество полуметаллов, но графен интересен тем, что он двумерный и не содержит тяжелых атомов, в отличие от многих других соединений этого класса. То есть преимущество графена заключается в том, что он экологически чистый и безопасный — это просто углерод.
— Как можно объяснить, что переход металл — диэлектрик возникает при скрутке порядка 1°? Что происходит при больших углах?
— Это можно понять, представив себе систему электронных зон, которые существуют в двухслойном графене. При скручивании двумерной структуры эти зоны искажаются и доступное их количество изменяется. При малых углах скрутки будет всего восемь электронных зон, между которыми «разыгрываются» все электроны, поступающие от поперечного напряжения. Когда в этих зонах электронов нет, то материал представляет собой диэлектрик. Когда же мы начинаем их добавлять, подавая напряжение, постепенно заполняется одна из электронных зон. Это уже состояние металла. Когда зона заполняется до конца, снова появляются свойства диэлектрика. Потом следующая зона, и так далее. Из-за этого возникает чередование свойств металл — диэлектрик. Если углы скрутки превышают 1°, все электронные зоны разнесены на большие расстояния, и поэтому чередования не будет.
— Расскажите поподробнее об экспериментах, которые проводятся для изучения свойств скрученного графена.
— В этой области экспериментов много, но, к сожалению, они проводятся в основном зарубежными лабораториями. Экспериментальная работа в России только начинается, поэтому созданием материалов и непосредственным изучением образцов занимаются наши зарубежные коллеги. Мы отвечаем за теоретическую часть. Естественно, мы не висим в воздухе. У нас очень разветвленные контакты с другими лабораториями. Это совместная работа, которая объединяет теоретиков и экспериментаторов.
— Как в перспективе можно будет использовать свойства двухслойного графена, о которых вы рассказали?
— В первую очередь можно рассматривать сферы применения, аналогичные однослойному графену. Например, в качестве добавки в различные материалы для увеличения их механической прочности или в виде мембран для фильтрации химических веществ. В этих областях преимуществ у двухслойных систем практически нет, они с однослойными на равных. Но более интересно и перспективно их применение в электронных системах, поскольку потенциально они позволят создавать более компактную, гибкую, но в то же время механически прочную электронику. Это будет возможно благодаря тем новым свойствам, которых не имеет однослойный графен. Это, например, сверхпроводимость и магнитный порядок, которые можно использовать для улучшения элементов памяти и переключателей в микроэлектронике. И это сразу создает более широкие перспективы приложений. В целом создание новых материалов обеспечивает более широкий спектр возможных применений. Природа дала нам определенный набор веществ с ограниченными свойствами. Когда мы создаем новые искусственные системы, мы можем контролировать их свойства и увеличивать возможность своего выбора. Когда человек занимается наукой, он не всегда знает, где его открытия будут применяться, но, когда он получает большое разнообразие новых свойств, он уже сможет выбрать из них те, которые будут практически полезны.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
