IT-байки: Графан - сын графена, дедушка электроники будущего / Аналитика

Отложив в сторону подробный материал о ближайших и дальних перспективах развития традиционной кремниевой полупроводниковой промышленности, переключусь на более "горячие" события и сегодня расскажу вам, дорогие читатели, об изобретении, весть о котором разнеслась буквально на днях. Точнее, вчера. Речь о том, что учёным из Университета Манчестера (University of Manchester) удалось разработать совершенно новый материал на базе графена. О новом веществе, получившем название Графан (Graphane) сейчас говорят не иначе как о революционном изобретении, открывающем новую страницу в истории электроники.

Кристалл графана

Изобретение графана является продолжением истории с открытием графена в 2004 году. Напомним, что графен (graphene) представляет собой кристаллическую гексагональную двумерную структуру из атомов углерода, или, образно говоря, срез кристалла графита толщиной в один атом (хотя разница между свойствами графита и графена просто огромна, об этом ниже). Кроме значительной механической жёсткости и замечательной теплопроводности, графен обладает необычайно высокой электрической проводимостью. Это свойство графена сразу же сделало его чрезвычайно популярным среди физиков, занимающихся материаловедением, а сам графен с тех пор фигурирует в числе одного из наиболее многообещающих материалов для электроники и фотоники будущего. О феноменальных свойствах графена и графеновых трубок мы уже неоднократно сообщали в материалах рубрики IT-байки (см. список в конце статьи), однако это только первая публикация о изобретении графана - по той причине, что официально об этом открытии объявлено лишь 30 января статьёй Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane в именитом журнале Science. Кстати, полагаю, российским читателям будет приятно узнать, что из одиннадцати авторов этой публикации, работающих в пяти научных учреждениях трёх стран как минимум один трудится в Институте микроэлектронных технологий (Institute for Microelectronics Technology, Черноголовка, Россия).

Кстати, к вопросу о терминологии. О формировании в русском языке терминов, только что появившихся в других языках. Взять сегодняшний пример – как правильно именовать новоявленный материал, чтобы не спутать его с уже более-менее устоявшимся, но достаточно схоже звучащим термином графен (graphene)? Как именно произносят слово Graphane англоговорящие его изобретатели - "графэйн", "графэн", "графэ-ен"?

Однако пусть пока побудет просто "графан" – именно чтобы хоть как-то отличать его на слух от обычного графена. Со временем – после появления русскоязычных публикаций, думаю, всё утрясётся, но пока вот так.

Помимо исследования физических свойств графена и графеновых трубок, учёные во многих научных заведениях мира продолжают эксперименты с химическими производными этого уникального материала. Здесь надо сразу оговорить один интересный аспект химических свойств графена. В отличие от графита, который славится как достаточно химически инертный материал, графен - "ближайший родственник" графита с решёткой толщиной в один атом, всё же вступает в химические реакции с некоторыми веществами. Результаты при этом получаются самые невероятные.

Кристалл графана - нового двухмерного материала, производного от графена

В результате подобных экспериментов сотрудники школы физики и астрономии (School of Physics and Astronomy) при Манчестерском университете обнаружили, что графен охотно вступает в реакцию с различными веществами, формируя в результате производные с разнообразными свойствами. В выше упомянутой публикации в журнале Science учёные описывают результаты взаимодействия графена с водородом, в результате чего были получены новые двухмерные кристаллические структуры – тот самый графан.

Кристалл графана
Красным расцвечены атомы водорода, синим - углерода

Теперь – собственно, суть. Учёные выяснили, что добавление атома водорода к каждому атому углерода графеновой структуры приводит к созданию нового материала с совершенно необычными свойствами, при этом полученная структура не изменяет и не повреждает характерную "мелкоячеистую" исходную структуру толщиной в один атом. На практике высококачественные кристаллы графана получают из первоначальных кристаллов графена, подвергая их воздействию атомарного водорода. Исследования с помощью электронного микроскопа позволили убидеться, что полученный производный от графена материал – графан, обладает кристаллической структурой и сохраняет исходную гексагональную кристаллическую решётку, однако с другим, заметно меньшим шагом решётки нежели у графена.

Кристалл графана
Красным расцвечены атомы водорода, синим - углерода

Учёные начали исследовать свойства полученного двухмерного материала, и тут выяснилась интереснейшая вещь: в отличие от графена, обладающего превосходной проводимостью, графан оказался… диэлектриком. Таким образом, один наноматериал с помощью химической реакции превращается в другой с совершенно иными свойствами. Такой результат открывает надежны на возможность получения других химических производных на основе графена, но это лишь полдела. На практике это открытие позволяет надеяться, что в перспективе исходный графен посредством "тонкого тюнинга" с помощью химических реакций может быть трансформирован в материал с любыми электрическими свойствами.

ЖК устройство с электродами из графена с приложенным потенциалом напряжения. Суммарная ширина снимка - 30 микрон

Иными словами, на будущее обрисовывается заманчивая перспектива производства любых электронных компонентов и устройств из единого и реально универсального материала!

"Графен является превосходным проводником и исходным материалом для множества электронных приложений", говорит доктор Костя Новосёлов (Kostya Novoselov), один из соавторов публикации из Манчестерского университета. Однако не менее любопытно исследовать возможности изменения его электронных свойств посредством химического воздействия. Кстати, интересно, мог бы доктор Новосёлов дать комментарии этого открытия на русском языке? Заодно бы выяснили этимологию и произношение слова Graphane… Попробую связаться по почте. Важно отметить, что уникальные электронные свойства графена упорно исследуются учёными на предмет использования его в качестве исходного материала для производства сверхминиатюрных и быстрых транзисторов, однако отсутствие энергетического зазора в электронных спектрах вынуждает исследователей прибегать для этих целей к использованию сложных производных структур на базе графена вроде квантовых точек. Теперь процесс формирования графенового полупроводника может значительным образом упроститься.

Схематическое изображение графенового "молекулярного транзистора" (квантовая точка)

В чём же революционность изобретения, о котором сегодня речь? В чём же его важность для будущего? Представьте себе, какое количество разнообразных элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева в настоящее время использует современная полупроводниковая индустрия для получения изоляторов, полупроводников и проводников с заданными для каждого случая свойствами. Теперь представьте, что любые электронные компоненты можно получить модифицируя один единственный исходный материал – графен. Только представьте себе производство электроники будущего. Графеновая подложка; межкомпонентные соединения из отлично проводящего графена; всё остальное, включая все компоненты полупроводников – из химических модификаций того же графена. Заманчиво? Ещё как! Очевидно что изобретение графана – всего лишь первый шаг на пути исследования электронных свойств производных графена. До практического использования этих материалов, похоже, ещё далеко. Теперь учёным предстоит подробно изучить электрические свойства производных графена, научиться их тонкой "настройке", и, разумеется, в этом поиске новых графеновых наноматериалов с новыми свойствами не обойдётся без экспериментов с применением других химических веществ.

К сожалению, это вся информация, которую удалось найти по теме публикации о изобретении графана и его свойствах. Надеюсь, мой пересказ событий в целом позволит вам получить общее представление об этом изобретении, а мы будем надеяться на появление новых подробностей об исследованиях, имеющих отношение к графену и его производным.

В завершение этого рассказа никак нельзя обойтись без упоминания о ещё одном чудесном свойстве графана. Представьте себе, реакция взаимодействия графена с водородом, в результате которой получается графан, является обратимой. Более того, при обратном процессе восстанавливается изначальная проводимость графена, восстанавливается шаг его решётки и даже квантовый эффект Холла. Зато при этом высвобождается огромное количество водорода, а это уже несколько другая – не электронная, но не менее заманчивая перспектива. Например, использования графана для производства водородных топливных элементов с чрезвычайно высоким КПД. Что тут сказать. Иногда диву даёшься, в какое интересное время мы живём – мир изменяется до неузнаваемости чуть ли не ежедневно, и хороших, оптимистичных новостей всё же подавляющее большинство. Такие дела.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: