Графен: статус и перспективы

В свежем выпуске Science появился небольшой обзор Андре Гейма про текущую ситуацию с изучением графена -- совершенно удивительного материала, ставшего за несколько лет одной из самых горячих тем во всей физике.

5-страничный обзор не претендует, конечно, на сколько-нибудь детальное освещение всех направлений исследований, но он обрисовывает глобальный "стратегический план": что сейчас делается, что можно ожидать в ближайшее время, а что пока остается в далекой перспективе. Вот некоторые выжимки из обзора.

Получение

Графен -- это плоская форма углерода, как бы изолированная графитовая плоскость. Это истинный двумерный кристалл, что само по себе делает его производство очень непростым. Если пытаться его выращивать, как большинство кристаллов, из расплава при высоких температурах, то у вас получится что угодно трехмерное, но только не графен -- при высоких температурах двумерные кристаллиты просто неустойчивы и изгибаются во что-нибудь трехмерное.

К счастью, сейчас уже могут получать графен несколькими разными способами (механическое раскалывание графита, ультразвуковое раскалывание с последующим осаждением микроскопических кристаллитов из суспензии, разнообразные варианты эпитаксиального роста на подложке). По-видимому, в ближайшие годы эта тенденция продолжится, что приведет к резкому удешевлению графена, образцы станут по карману многим лабораториям, в том числе и химическим, что наверняка приведет к еще более сильному росту числа исследований.

Некоторые подробности см. в прошлогодней новости Графен: новые методы получения и последние достижения.

Электронные свойства

Электронные свойства графена изучаются сейчас активнее всего. Главная особенность тут -- линейная зависимость между импульсом и энергией электронов внутри графена, т.е. электроны ведут себя словно безмассовые частицы, описываемые уравнением Дирака. Из этого сразу следует, что целая прорва очень интересных эффектов квантовой электродинамики (т.е. из совсем другого раздела физики) имеет свои аналоги и в графене, которые можно изучать экспериментально. Причем, в отличие от обычных экспериментов в КЭД, тут можно изучать ультрарелятивистские коллективные электронные явления, характерные для двумерных систем. Уникальным тут является и то, что многие квантовые эффекты в графене прекрасно "выживают" и при комнатных температурах. Ну и в добавок -- на эти экзотические свойства можно влиять простым растяжением или деформацией!

Тут правда теория пока обгоняет эксперимент. Из предсказанных свойств экспериментально хорошо изучен только парадокс Клейна (статьи 2009 года: Phys.Rev.Lett. 102, 026807 и Nature Physics 5, 222), и вот совсем недавно было сообщение о наблюдении уровней Ландау в графене. Остальное ждет пока своего экспериментального подтверждения.

В графене искючительно высокая подвижность носителей заряда, возникающая из-за того, что движение электронов даже при комнатных температурах остается баллистическим (не диффузным) на дистанциях в микроны. Поэтому с ним связывают также и надежды на создание нового типа сверхбыстрой электроники. Однако автор обзора подчеркивает, что это всё остается еще в очень далекой перспективе -- наклейки типа "graphenium inside" нам ждать еще долго. Проблема тут не в самом графене (судя по первым экспериментам, терагерцовые графеновые транзисторы не за горами), а в неразвитой методике создания графеновых микросхем с атомарной точностью.

Графеновая химия

Мне понравилась формулировка из статьи:

Графен является чистым воплощением понятия "поверхности". У него есть две поверхности, две грани, но нет толщи.

Как и любая поверхность, графен вполне может удерживать отдельные атомы или даже целые комплексы. Однако из-за того, что у графена не одна, а две поверхности, и поскольку ему не мешает толща, связь с атомами может быть совсем иной, чем на поверхности графита. Можно даже представлять себе графен как одну гигантскую молекулу, и изучать ее химическую активность.

Такая "графеновая химия" только-только зарождается. Сейчас пока получен только графан (см. новость При взаимодействии с водородом графен превращается в графан и короткую заметку от одного из авторов этой работы), но в принципе ничто не мешает садить на поверхность и другие ионы. Главная проблема тут -- дороговизна самого графена, но если технология производства удешевится, то химики плотно возьмутся на него. Какую функциональность приобретут производные графена, можно только догадываться.

Структурные свойства

У большинства материалов вначале изучатся структурные свойства (т.е. механические, тепловые свойства решетки), а уж потом электронные. С графеном получилось всё наоборот. Как раз механические и тепловые свойства изучены пока плохо.

Данные об упругих свойствах и о теплопроводности (рекордно высокой при комнатной температуре) появились только в прошлом году. Графен может упруго растягиваться аж на 20% -- больше, чем какой-либо иной кристалл. Графен сжимается при нагревании. Графен умудряется совмещать высокую хрупкость и изгибаемость (он легко образует складки).

Графен не пропускает газы, даже гелий! Для тех, кто имел дело с вакуумной техникой -- это вообще чуть ли не нонсенс. Ведь газы натекают в вакуум даже сквозь сантиметровые металлические стенки, и это приходится учитывать при расчете вакуумных систем. [Добавление: впрочем, в комментариях объясняют, что в реальных вакуумных камерах газы сквозь металлические стенки из атмосферы не натекают, диффузия пренебрежимо медленная.] Гелий (атомы гелия обладают самым маленьким радиусом) вообще вытекает из герметиченых воздушных шариков, просто просачиваясь сквозь резину. А одноатомный слой графена всё это держит!

Есть и вещи, про которые не известно пока вообще ничего. Например, неизвестно, как графен плавится. Неизвестна ни температура плавления, ни даже тип фазового перехода -- первого или второго рода (в двумерных системах существуют фазы средние между жидкостью и газом).

*****

Общий вывод: графен так же неисчерпаем, как и атом :) И стоит ожидать, что в ближайшие годы будут новые прорывы в этой области.