Nobelprisen i fysikk - 2010 • Yuri Erin • Vitenskapsnyheter om "Elements" • Fysikk, vitenskap i Russland, nanoteknologi, Nobelprisen

Nobelprisen i fysikk – 2010

Fig. 1. Vinnerne av Nobelprisen i fysikk for 2010 Andrei Geim (til venstre) og Konstantin Novoselov. Bilde fra nobelprize.org

Nobelprisen i fysikk i 2010 ble tildelt Andre Geim og Kostya Novoselov fra University of Manchester for sine innovative eksperimenter med grafen, en todimensjonal form for karbon. Gruppen av forskere ledet av dem var den første som klarte å få grafen og identifisere den. I tillegg bidro Heim og Novoselovs arbeid et viktig bidrag til studiet av de uvanlige egenskapene og egenskapene til det nye materialet.

Karbon er et helt unikt kjemisk element. Det er i stand til å danne de mest varierte kjemiske strukturer i form av endimensjonale kjeder, sykliske formasjoner og romlige forbindelser. Dette mangfoldet sikrer blant annet funksjonen av de genetiske koder av alt liv på jorden.

I lang tid har tre store allotrope modifikasjoner av karbon vært kjent – grafitt, diamant og sot (amorft karbon). Men fra midten av forrige århundre begynte karbonfamilien å vokse raskt. Først ble det funnet en en-dimensjonal karbonutgave av karbin og en sekskantet versjon av en lonsdalelitt-diamant.I 1985 ble fullerene C molekyler oppdaget.60 og deres derivater Cn (lav fullerener – C24, C28, C30, C32, – gjennomsnittlig fullerener – C50, C60, C70, – hyperfullerenes – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 og gigantiske fullerener – C240, C540, C960), senere (1996) brakte Nobelprisen i kjemi til sine oppdagere. Mindre enn 10 år, har verden lært om eksistensen av de sylindriske karbon modifikasjoner – dimensjonale ett- og fler karbon nanorør. Til slutt, i 2004 en gruppe forskere fra England og Russland, har blitt innhentet todimensjonal form av karbon – graphene. Og etter bare seks år etter oppdagelsen av nye allotropic former av karbon gruppeledere Andre Geim og Konstantin Novoselov ble tildelt Nobelprisen i fysikk "for banebrytende eksperimenter med todimensjonal materialet graphene".

Hva er grafen og hvordan ble det oppdaget?

La oss få til disposisjon den vanligste typen karbon i naturen – grafitt. Grafitt er en svært anisotropisk substans; Den består av svakt samvirkende flate lag med karbonatomer (figur 2). At forholdet mellom atomplanene er svak, kan sees på papiret, når grafittlagene er lett forskyves og frittliggende, slik at et spor av papir i blyanttegning.

Fig. 2. Grafen (topp bilde) er et 2D (todimensjonalt) byggemateriale for andre karbon allotrope modifikasjoner. Den kan brettes i 0D-fulleren (til venstre), vridd i en 1D karbon nanorør (i sentrum) eller lagt i 3D-hauger, danner grafitt (til høyre). Figur fra artikkelen av A. K. Geim og K. S. Novoselov Stigningen av grafen i Naturmaterialer

Anta at vi på en eller annen måte klarte å "splitte av" et enkelt atomfly fra en grafittkrystall. Det resulterende enkeltlag med karbonatomer er grafen (på grunn av den flate form er grafen også kalt den todimensjonale allotropiske karbonformen). Så vi kan anta at grafitt er en slik stabel grafenfly.

Grafeneatomer er samlet inn i en sekskantet krystallgitter (som en honningkake); Avstanden mellom naboatomer er 0,142 nm. Denne "emballasjen" er så tett at den ikke engang passerer små atomer av helium.

Selv om begrepet "grafen" som et navn for et enkelt lag av grafitt dukket opp relativt nylig, i 1987 (se: S. Mouras et al. Syntese av grafittintercalasjonsforbindelser med første fase med fluorider // Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), begynte en teoretisk studie av egenskapene til dette stoffet så langt tilbake som 1947. Den kanadiske fysikeren Philip Wallace beregnte loven om bevegelse av elektroner i et enkelt lag av grafitt og fant at i visse deler av det er avhengigheten av elektronenergien på deres momentum (dispersjonslov) lineær (for mer om dette, sei avsnittet "Grafene egenskaper"). Men frem til 2004 kunne ikke grafen oppnås. Det største hindret som sto i veien for eksperimenterne var umuligheten av å stabilisere formen av grafen. På grunn av et ønske om å minimere overflateenergien, koagulerer den, forvandler seg til en rekke allotrope karbonmodifikasjoner – fullerener, nanorør og amorft karbon. (Noe som et papirfolieblad fungerer når du prøver å rette det ut.)

Forskerne tilsier ikke optimisme til uttalelsen av autoritative teoretiske fysikere Rudolf Peierls og Lev Landau, laget for over 70 år siden, at den todimensjonale form for krystaller ikke kan eksistere fritt, fordi forflytningen av atomer under påvirkning av termiske svingninger vil være så stor at den vil destabilisere krystallgitter og dets oppløsning i separate deler.

Jo mer overraskende for det vitenskapelige samfunnet var artikkelen Electric Field Effect i Atomically Thin Carbon Films, publisert i oktober 2004 i tidsskriftet vitenskapder en gruppe forskere fra University of Manchester og Institute of Microelectronics Technology Problems i Chernogolovka under ledelse av Andrei Geim og Konstantin Novosyolov rapporterte om den vellykkede stabiliseringen av grafen.I dette arbeidet beskrev de metoden for å skaffe grafen og dens identifikasjon som et virkelig enkeltlag av grafitt. Utrolig utførte forskere syntesen av grafen ved hjelp av en vanlig tape-tape. Gang etter gang stakk de et spennebånd på overflaten av pyrolytisk grafittplate, og deretter unstucket den og gjentok prosedyren til grafitten ble helt tynn.

Etter manipulering med skotbånd ble grafitt overført til et oksidert silisiumsubstrat. Siden hver gang tapeet ble borte med et annet antall grafittlag, hadde grafittplaten "ved utgangen" en ekstremt ujevn tykkelse og inneholdt et annet antall lag. Imidlertid var det i denne "lindring" en seksjon med en tykkelse på nøyaktig ett lag karbonatomer – ønskelig grafen (for andre metoder for grafensyntese, se Graphene: Nye Fremstillingsmetoder og Nylige Fremskritt, Elementer, 30. september 2008).

Som ofte skjer med store funn, er forskerne litt heldige. Faktum er at det er teknisk vanskelig å oppdage grafen i en tynn grafittplate med en ikke-uniform tykkelse ved bruk av atomkraft og skanningelektronmikroskop. Derfor, for å søke etter et monolayer av grafitt, brukte Geim og Novoselov et vanlig optisk mikroskop.Tykkelsen av siliciumoksydsubstratet (300 nm) på hvilken en tynn plate av grafitt ble overført, ble så velvalgt at på grunn av lysinterferens hadde områdene av forskjellig tykkelse egen farge (figur 3). De minst kontrasterte, nesten fargeløse områdene tilsvarer de tynneste områdene. Det var blant dem som grafen ble oppdaget. Det var bare senere at Geim og Novoselov og hans kolleger, ved hjelp av et atomkraftmikroskop, var overbevist om at regionen de fant var faktisk enkeltlag og kunne kalles grafen.

Fig. 3. Til venstre: Foto av en grafittplate med ikke-jevn tykkelse. Tykkelsen på de enkelte seksjonene vises direkte på bildet (disse verdiene ble oppnådd ved hjelp av et atomkraftmikroskop). Lengden på skalaen bar 50 mikron. Til høyre: grafenbilde oppnådd med et atomkraftmikroskop. Den svarte regionen korresponderer med oksidert silisiumsubstrat, den mørkorange regionen med en tykkelse på 0,5 nm er grafen, den lyse oransje regionen inneholder flere lag av grafen og er 2 nm tykk. Bilder fra flere materialer til artikkelen av K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Elektrisk felteffekt i atomisk tynn karbonfilm i vitenskap

Selv om størrelsene på de første grafenkrystaller som ble oppnådd var små (ca. 1 mikron), koblet forskerne elektrodene til de oppnådde prøver ved hjelp av en spesiell enhetå studere de elektroniske egenskapene til det nye materialet.

Graphene Properties

Oppdagelsen av Andrei Heim og Konstantin Novoselov provoserte en ekte grafenfeber. På bare noen få år har teoretikere og eksperimenter fra forskjellige laboratorier gjennomført en omfattende studie av egenskapene til grafen (Heim og Novosyolov-gruppen ved University of Manchester er fortsatt en av lederne på dette feltet).

Nesten umiddelbart ble det klart at de elektroniske egenskapene til en ny form for karbon er fundamentalt forskjellige fra egenskapene til tredimensjonale stoffer. Spesielt bekreftet forsøkene spådommer fra teoretikere om den lineære dispersjon av elektroner. Men fysikere visste at fotoner, masseløse partikler som sprer seg i rom ved lysets hastighet, har en tilsvarende avhengighet av energi på en puls. Det viste seg at elektroner i grafen, som fotoner, ikke har masse, men beveger seg 300 ganger langsommere enn fotoner og har en null-ladning. (For å unngå misforståelser, legger vi vekt på at nullmassene av elektroner bare observeres innenfor grafen. Hvis en slik elektron kunne bli "trukket ut" av grafen, ville den få sine vanlige egenskaper.)

Lineær spredning av elektroner, og også at de er fermioner (har halv-integral spinn), krefter som brukes for å beskrive ikke graphene Schrodinger ligning som i Faststoffysikk, og Diraclikningen. Derfor blir elektronene kalles graphene Dirac fermioner, og visse deler av krystallstrukturen av graphene hvor det lineære dispersjonsrelasjon, – Dirac punkter.

Fordi disse trekk ved virkemåten av elektroner i en to-dimensjonal karbon iboende relativistiske partikler (med en bevegelseshastighet nær lysets hastighet), er det mulig ved eksperiment for å simulere en graphene noen av virkningene av høyenergi-fysikk (f.eks Klein paradoks) som under normale forhold er undersøkt i partikkelakseleratorer . Derfor kalles grafen "desktop CERN" (CERN er det europeiske senter for kjerneforskning, Large Hadron Collider arbeider under sitt foreskje).

I makroskala lineær dispergering fører til det faktum at graphene er et halvmetall, en halvleder som er en nullspaltebredde og dens ledningsevne under normale forhold er ikke dårligere enn ledningsevnen av kobber.Dessuten er dets elektroner ekstremt følsomme overfor effekten av et eksternt elektrisk felt, slik at mobilitet av ladningsbærere i grafen ved romtemperatur kan teoretisk oppnå rekordnivåer – 100 ganger mer enn silisium og 20 ganger mer enn galliumarsenid. Disse to halvledere, sammen med germanium, brukes oftest til å lage ulike høyteknologiske enheter (integrerte kretser, dioder, detektorer, etc.), og siden hastigheten og effektiviteten av arbeidet bestemmes bare av elektronmobilitet, jo større er denne mengden, enheter fungerer raskere og mer produktivt.

Graphene satte et rekord for termisk ledningsevne. Den målte termisk ledningsevne for todimensjonalt karbon er 10 ganger varmekonduktiviteten til kobber, som betraktes som en utmerket varmeleder. Interessant, før oppdagelsen av graphene, tilhørte tittelen til den beste lederen av varme en annen allotrop form av karbon – karbonnanorøret. Graphene forbedret denne tallet med nesten 1,5 ganger.

For tydelighet ser vi en hypotetisk hengekøye fra grafen med et område på 1 m2. Å vite overflatetettheten av grafen (0,77 mg / m2), er det lett å beregne at en slik hengekøye har en masse på 0,77 milligram. Til tross for den tilsynelatende skjørheten vil denne hengekøyen stille stå en voksen katt (veier ca 4 kg). Og selv om det på grunn av to-dimensionaliteten til grafen er feil å sammenligne styrkekarakteristika med andre 3D-materialer. For en stålhengekøye med samme tykkelse vil den kritiske massen som fører til brudd være 100 ganger mindre. Det vil si, grafen er to størrelsesordener sterkere enn stål.

Fig. 4. Et hypotetisk eksempel som demonstrerer den mekaniske styrken til grafen. Graphene hengekøye område på 1 m2 (massen er mindre enn en milligram) er i stand til å motstå en voksen katt som veier 4 kg. Til sammenligning: En stålhengekøye i samme område (hvis vi kunne gjøre det samme tykkelse) ville holde 100 ganger mindre – bare 40 g. Bilde fra nobelprize.org

Med hensyn til de optiske egenskapene absorberer grafen kun ca 2,3% av det synlige lyset, uansett hvor lenge strålingen har på den. (Det er nysgjerrig på at i teoretiske beregninger uttrykkes denne 2,3% gjennom produktet av tallet π og den fine strukturen konstant a, som bestemmer styrken til den elektromagnetiske interaksjonen.) Dette betyr at grafen er nesten fargeløs (det vil si til en ekstern observatør det vil virkeat det ikke er grafenhengekøye, og katten på fig. 4 hang i luften).

Utsikter for grafen

I dag den mest omtalte og populære prosjektet er bruk av graphene som en ny "grunnmur" i mikroelektronikk, designet for å erstatte den eksisterende teknologi basert på silisium, germanium og galliumarsenid (Fig. 5). Høy laddemobilitet sammen med atomtykkelse gjør grafen til et ideelt materiale for å lage små og raske felt-effekt transistorer – "mursteinene" i mikroelektronikkindustrien. I denne forbindelse er det verdt å merke seg offentliggjøring av 100 GHz Transistorer fra Wafer Scale epitaxial graphene, som dukket opp i en februarutgaven av tidsskriftet vitenskap for dette året. Forfatterne av denne papir, IBM laboratoriepersonell i stand til å skape graphene transistor som opererer ved en frekvens på 100 GHz (som er 2,5 ganger hastigheten på transistor av samme størrelse som produseres på en silisium-basis).

Fig. 5. Grafene regnes som grunnlaget for fremtidig mikroelektronikk. Bilde fra thebigblogtheory.wordpress.com

Kombinasjonen av gjennomsiktighet, god elektrisk ledningsevne og elastisitet i grafen førte til ideen om å bruke den når du oppretter berøringsskjermbilder og fotoceller for solceller.I løpet av forsøkene ble det påvist at grafenbaserte enheter av denne typen er bedre enn nesten alle indekser av indium-tinoksidbaserte enheter (ITO) som for tiden brukes.

For å vise hvor lovende det er grafen, la oss gi en langt fra komplett liste over områder der bruken er allerede påbegynt:

  • Det er et materiale for produksjon av elektroder i ionistorer – kondensatorer med stor kapasitet, i størrelsesorden 1 F (farad) og mer;
  • basert på grafen, opprettes mikrometer gass sensorer som kan "føle" selv et enkelt gassmolekyl;
  • ved hjelp av grafen utførte forskere DNA-sekvensering;
  • i kombinasjon med en laser, kan grafen være en kur mot kreft (se. En metode for behandling av kreft med grafen og en laser, Elements, 7. september 2010).

I rettferdighet merker vi at suksessene knyttet til bruken av grafen er, for tiden, isolert. De viktigste vanskelighetene ligger i syntesen av høyverdige, billige grafenplater av et stort område, som har en stabil form. Likevel, nylige publikasjoner på grafen, inspirerer litt optimisme. I juni i år i tidsskriftet Natur Nanoteknologi En felles artikkel fra koreanske, singaporeanske og japanske teknologere dukket opp der de skriver om å skaffe 30-tommers (72 cm, sammenlignet med mikrometerstørrelsen til de første grafenkrystaller) grafenplater ved metoder som kan sette todimensjonal karbonproduksjon på strøm. Og så vil samtaler som Nobelprisen i fysikk for 2010 for 2010 ble utstedt til grafen som en slags forskuddsbetaling for fremtiden, redusere.

Opprinnelige artikkelvinnere: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A.Firsov. Elektrisk felteffekt i atomisk tynn karbonfilm // vitenskap. V. 306, s. 666-669. 22. oktober 2004.

kilder:
1) Listen over publikasjoner av gruppen Andrei Heim og Konstantin Novoselov på nettstedet til University of Manchester (åpen tilgang).
2) Nobelprisen i fysikk 2010 – Offisiell informasjon fra Nobelkomiteen.

Se også:
1) Graphene – det perfekte atomgitteret (PDF, 1,44 Mb) – pressemeldingen fra Nobelkomiteen.
2) grafen. Vitenskapelig sammenligning av Det kongelige vitenskapsakademi (PDF, 1,07 MB) – en vitenskapelig bakgrunn.
3) Graphene: Nye metoder for å skaffe og nylige prestasjoner, "Elements", 09/30/2008.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: