Открытие графена
Ученые Великобритании из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов, открыли удивительную проводимость графена (рис. 9). В 2010 году первооткрывателям была вручена Нобелевская премия по физике.
Впервые графен был получен на практике в 2004 году. Графен – это углеродный материал, атомы которого располагаются вдоль плоскости, образуя слой с гексагональной кристаллической решеткой. Ученые с помощью обыкновенного скотча смогли отслоить монослой графита и получили графен и опубликовали работу под названием "Расщепление высокоориентированного пиролитического графита на слои с помощью липкой ленты".
Необходимо отметить, что ранее в 1932 году была опубликована работа, в которой говорится, что «при действии на графеновые слои сильных окислителей в жидкой среде происходит проникновение атомов кислорода между слоями графитовой решетки, раздвижение их и образование так называемой окиси графита». В работе Радушкевича с 1956 года говорится, что кристаллы графита на отдельные монослои могут быть разделены только при известных условиях, то есть методика расщепления графита уже была известна.
Графен обладает удивительными электрическими и механическими свойствами. Своеобразная структура позволяет электронам графена обладать огромной скоростью (около световой), и практически при движении они не испытывают сопротивления со стороны атомов, расположенных в узлах кристаллической решетки. Релятивистские частицы - электроны, не имеющие массы покоя известны в физике как безмассовые фермионы Дирака.
На данный момент свойства электронов в графене не достаточно изучены, чтобы в полной мере раскрыть весь их потенциал. На практике графен может быть использован для создания скоростных транзисторов компьютерных схем, работающих намного быстрее, чем существующие их аналоги. Графен обеспечивает гораздо меньшее сопротивление потоку электронов, чем кремний как показывает опыт и поэтому он является самым потенциальным материалом, работающим с беспрецедентной скоростью.
Рисунок 9. Нобелевские лауреаты Константин Новоселов и Андрей Гейм, открыватели графена [25].
Учеными из США были созданы первые искусственные образцы графена с управляемыми электронными свойствами. Эти образцы могут использоваться для изучения свойств дираковских электронов, что может привести к созданию принципиально новых квантовых материалов с новыми характеристиками.
Этот так называемый «молекулярный графен», во многом похож на «натуральный» графен но отличается нестабильностью электронных свойств, которые могут быть настроены в зависимости от практической необходимости. Этот материал был произведен при помощи сканирующего туннельного микроскопа при низких температурах. Острие сканирующего туннельного микроскопа был произведен из материала иридия, и использовалось для индивидуального перемещения молекул оксида углерода на идеально-гладкой медной подложке. Молекулы оксида углерода свободно отражают движущиеся электроны к поверхности меди, формируя из них сотовую структуру, в рамках которой они ведут себя как безмассовые частицы, аналогичные электронам в графене. С помощью созданной структуры, ученые смогли измерить спектр проводимости свободных электронов, что лишний раз подтвердило их дираковскую природу. Результаты работы подробно описаны в журнале Nature.
Перемещая молекулы оксида углерода на поверхности меди можно настраивать свойства электронов в созданной структуре, как будто бы воздействуя сильными электрическими и магнитными полями. То есть ученые получили возможность настраивать плотность электронов на поверхности меди, внедряя в систему дефекты и примеси.
Использование и изучение искусственных систем поможет в будущем найти технологические применения для графена для контроля над фермионами Дирака. По словам ученых из США «молекулярный графен», созданный в рамках экспериментов, является первой искусственной структурой с экзотическими свойствами. Применяя аналогичную технику, ученые надеются на дальнейшую разработку подобных наноструктур.