Материал "Наука в Сибири": Награда нашим соотечественникам, в настоящее время проживающим за рубежом, присуждена за новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном, построенным из одного слоя атомов углерода, а также за важный вклад в изучение необычных свойств и характеристик данного материала. Впрочем, хорошо известно, что графеном активно занимаются исследователи многих стран, в том числе и российские. Так в чем же новаторство Гейма и Новосёлова, чем так хорош графен, и каким образом вектор направленности этих работ пересекается с изысканиями россиян?
Лучше чем кто-либо другой ответить на эти вопросы и прокомментировать событие может новосибирский учёный В. Я. ПРИНЦ, профессор, д.ф.-м.н., заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных структур Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Он не просто находится «в теме», а добился весомых результатов в области нанотехнологий. Лаборатория имеет пять изобретений, связанных с графеном, на два из которых — графеновый полевой эмиттер и нанодвигатель — уже выданы российские патенты. Выращен графен большой площади (8 см2), разработаны сверхчувствительные газовые сенсоры, начаты работы по формированию на основе графена принципиально нового материала с перестраиваемыми свойствами. Около двух лет назад в интервью с корреспондентом английского канала BBC В. Я. Принц предсказал присуждение К. Новосёлову и А. Гейму Нобелевской премии. Итак, слово Виктору Яковлевичу:
— Эксперименты Гейма и Новосёлова — значительное достижение в области исследования квантовых систем. Я считаю, что они изменили наше представление о двумерных системах, показали, что предельно тонкие углеродные пленки имеют огромный потенциал как для науки, так и для практики — и это самое главное. Беспрецедентным является то, что их работы инициировали огромный интерес к графеновым пленкам и лавину публикаций зарубежных ученых (более 1500 статей в год!). Удивительным является также то, что Нобелевская премия получена всего через пять лет после публикации первой статьи авторов.
Для того, чтобы пояснить значимость этой работы, я вынужден сделать краткое введение в проблему. Двумерные электронные системы, т.е. системы, в которых электроны могут свободно перемещаться в двух направлениях, а третьем — перпендикулярном направлении — движение ограничено потенциальными барьерами и «заквантовано», известны давно. За исследование таких систем в полупроводниках уже были присуждены две Нобелевские премии по физике — за открытие квантового эффекта Холла (К. фон Клитцинг, 1985 г.) и за открытие дробного квантового эффекта Холла (Р. Лафлин, Х. Штермер, Д. Цуи, 1998 г.). Недостаток исследованных полупроводниковых гетеросистем заключается в том, что квантовые явления в них проявляются при низких температурах (температурах жидкого гелия). Это следствие небольшой глубины гетероструктурных квантовых ям, при уменьшении толщины которых дискретные уровни энергии электронов просто выталкиваются из них, и сам эффект размерного квантования пропадает. Практического применения низкотемпературные квантовые свойства не нашли.
Понимая это, ещё пятнадцать лет назад мы начали создавать, исследовать и пропагандировать в своих работах предельно тонкие квантовые системы, которые формируются отсоединением от подложки предельно тонких плёнок (потенциальные барьеры квантовых ям при этом увеличиваются в десятки раз). Нами были впервые отсоединены от подложек монокристаллические плёнки, состоявшие из сотен, а затем и десятков атомных слоев, а в 1999 году мы отсоединили плёнки, содержащие два атомных слоя. Мы разработали не только способы массового отсоединения, но и способы формирования из них различных трехмерных структур. Именно из таких структур у нас и за рубежом уже созданы десятки наноприборов и устройств — от трубчатого нанолазера до элементов нанороботов. Я ставил задачу дойти до предельно тонких проводящих плёнок кремния и углерода толщиной в один атом, но по многим причинам решение этой задачи затягивалось — отсутствовало оборудование контроля толщины таких плёнок, не было технологии изготовления контактов к ним. Нашу настойчивость в достижении результата подтачивало и то, что Нобелевский лауреат Л. Ландау предсказывал неустойчивость плёнок толщиной в один атом.
К. Новосёлову и А. Гейму с соавторами в 2004 году удалось показать, что углеродные пленки толщиной в один атом устойчивы, а также измерить их свойства. Ручным механическим способом от углеродной подложки был отсоединен совсем маленький (шириной около 1 микрона) кусочек графена. Удивительно, но им удалось сделать контакты к одиночному микронному образцу, выполнить электрические измерения и обнаружить необычные свойства. Ещё через год после публикации первой статьи, когда тысячи зарубежных ученых занялись теоретическими и экспериментальными исследованиями графена, стало ясно, что соревноваться в изучении его свойств нам не под силу. Наука сейчас стала международной — это общеизвестно. Однако технология должна быть отечественной — об этом говорил еще Д. И. Менделеев, поэтому мы все силы бросили в развитие технологии формирования графена и создание принципиально новых приборов на его основе.
Отмечу неординарность исследований, удостоенных Нобелевской премии по физике этого года. Любая неординарная работа характеризуется двумя чертами. Во-первых, в ней говорится больше, чем известно в данное время, а во-вторых, она может плодотворно развиваться в направлениях, которые нельзя было предвидеть. А. Геймом и К. Новосёловым с соавторами была выполнена именно такая работа. Им удалось продемонстрировать, что монослойный углерод обладает исключительными квантовыми свойствами, которые проявляются при комнатной температуре, что вызвало огромный практический интерес к графену. В графене квантовый эффект Холла, баллистический и одноэлектронный транспорт наблюдались при комнатной температуре.
Необычным оказалось то, что электроны в графене вели себя как частицы с нулевой массой, скорость их была только в триста раз меньше скорости света, а подвижность электронов при комнатной температуре почти в 1000 раз (!!!) больше, чем в кремнии — современном материале микро- и наноэлектроники. Гигантская подвижность носителей заряда в графене делает его кандидатом на роль материала для сверхбыстродействующей электроники и компьютеров. Графен характеризуется высокой проводимостью и одновременно оптической прозрачностью. Это один из самых прочных материалов, при этом он очень гибкий, его можно упруго растягивать на 20—30 процентов. В этом его огромный потенциал для оптоэлектроники и создания новых композитных материалов. С использованием таких пленок уже изготовлены сенсоры, элементы памяти, графеновые экраны, прозрачные проводящие контакты для светодиодов, на очереди «гибкая электроника», контейнеры для хранения водорода, графеновые секвенаторы ДНК и т.д. Ещё рано говорить о широком применении, но, к примеру, когда М. Фарадея спросили, что можно делать, используя электрический ток, он предположил — возможно, игрушки...
По моему мнению, графеновые «игрушки» ждёт большое будущее. В 2011 году фирма «Самсунг» уже собирается освоить промышленный выпуск графена на кремниевых пластинах диаметром 15 см. А у США имеется военная программа, по которой к 2013 году планируется получить транзистор на графене, работающий на частоте 500 гигагерц. Как только появляется прибор, который функционирует быстрее других, возникает много новых возможностей, и не только в обработке информации.
Думаю, что следующая Нобелевская премия по физике будет присуждена за физику предельных одномерных структур, образованных цепочками атомов с заданными свойствами. Достанется ли эта премия российским учёным? Это в значительной степени зависит от того, появится ли в нашей стране в ближайшие годы оборудование, соответствующее данной теме.
