Графен: неймовірне стало можливим
Цьогорічну Нобелівську премію в галузі фізики присуджено вихідцям із колишнього СРСР Андре Геймові (Andre Geim) і Костянтину Новосьолову (Konstantin Novoselov) за проривні експерименти з новоствореним двовимірним матеріалом — графеном. Це 108-е присудження фізикам найпрестижнішої у світі наукової на...
Saved in:
| Published in: | Вісник НАН України |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/27793 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Графен: неймовірне стало можливим / В. Гусинін, В. Локтєв, С. Шарапов // Вісн. НАН України. — 2010. — № 12. — С. 51-59. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860081693391585280 |
|---|---|
| author | Гусинін, В. Локтєв, В. Шарапов, С. |
| author_facet | Гусинін, В. Локтєв, В. Шарапов, С. |
| citation_txt | Графен: неймовірне стало можливим / В. Гусинін, В. Локтєв, С. Шарапов // Вісн. НАН України. — 2010. — № 12. — С. 51-59. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вісник НАН України |
| description | Цьогорічну Нобелівську премію в галузі фізики присуджено вихідцям із колишнього СРСР Андре Геймові (Andre Geim) і Костянтину Новосьолову (Konstantin Novoselov) за проривні експерименти з новоствореним двовимірним матеріалом — графеном. Це 108-е присудження фізикам найпрестижнішої у світі наукової нагороди.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:17:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12 51
В. Гусинін, В. Локтєв, С. Шарапов
ГРАФЕН: НЕЙМОВІРНЕ СТАЛО МОЖЛИВИМ
© ГУСИНІН Валерій Павлович. Доктор фіз.-мат. наук. Завідувач відділу Інституту теоретичної
фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України.
ЛОКТЄВ Вадим Михайлович. Академік НАН України. Академік-секретар Відділення фізики і
астрономії НАН України.
ШАРАПОВ Сергій Геннадійович. Доктор фіз.-мат. наук. Провідний науковий співробітник Інсти-
туту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України (Київ). 2010.
Цьогорічну Нобелівську премію в галузі фізики присуджено вихідцям із
колишнього СРСР Андре Геймові (Andre Geim) і Костянтину Новосьолову
(Konstantin Novoselov) за проривні експерименти з новоствореним дво-
вимірним матеріалом — графеном. Це 108-е присудження фізикам най-
престиж нішої у світі наукової нагороди.
В ипускники Московського фізико-тех ніч-
ного інституту (МФТІ) Андре Гейм і
Костянтин Новосьолов, які тепер працю-
ють в університеті Манчестера (Велика
Британія), зробили вирішальний внесок в
отримання, ідентифікацію, з’ясування ос-
нов них фізичних характеристик нового ма-
теріалу, що отримав назву графен [1]. Цей,
створений тільки шість років тому, матері-
ал буває лише одношаровим (а точніше —
товщиною в один атом) вуглецевим кри-
сталом, структура якого має гексагональну,
або стільникову, ґратку. Отримання двови-
мірної кристалічної системи викликало не-
абиякий ажіотаж у науковому світі, бо вва-
жали, що існування подібних систем не-
можливе у принципі. Проте головним вия-
вилось навіть не стільки саме відкриття
нового матеріалу,1 скільки швидкість уста-
новлення того, що він не просто являє
окремий фізичний об’єкт, а має цілу низку
виняткових властивостей, які роблять його
надзвичайно цікавим і для фундаменталь-
1 Необхідно зауважити, що графеноподібні структу-
ри, як і сам термін «графен», відомі ще з 60-х років,
коли його згадували тільки в хімічних роботах без
будь-яких свідчень про екстраординарність.
них досліджень, і для подальшого широко-
го застосування.
Серед найбільш уражаючих властивос-
тей графену можна, насамперед, відзна-
чити, що він найміцніший серед відомих
кристалічних речовин, його теплопровід-
ність на порядок вища, ніж теплопровід-
ність міді, а електрони у графені чутливі-
ші до прикладеного електричного поля за
всі відомі напівпровідники. Причому — і
це теж важливо — його електронні власти-
вості мають глибокі аналогії з фізикою еле-
ментарних частинок і квантовою теорією
поля, бо електрони у графені завдяки вза-
Андре Гейм Костянтин Новосьолов
52 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12
ємодії з кристалічною ґраткою поводяться
як безмасові частинки, стаючи дещо подіб-
ними до таких частинок, як нейтрино, чи
навіть квантів світла — фотонів.
WHO IS WHO?
Андре Гейм (Андрій Костянтинович
Гейм) народився у Сочі в 1958 р. у ро-
дині інженерів німецького походження.
Нині він громадянин Нідерландів. У
1976–1982 рр. А. Гейм навчався в МФТІ,
після закінчення якого працював в Інсти-
туті фізики твердого тіла РАН у Черного-
ловці, де 1987 р. отримав ступінь кандида-
та фізико-ма те ма тичних наук. Звідти пе-
реїхав до Європи і почав працювати до-
слідником у Нотінгемському університеті
(Англія), університеті Бат (Англія), Ко-
пенгагенському університеті, а згодом —
професором Рад бур зького університету
міста Наймегена в Нідерландах. З 2001 р.
він обіймає дуже престижну посаду про-
фесора Ленгворсі в Манчес тер ському уні-
верситеті. Цю професорську позицію з
експериментальної фізики заснував ще в
1874 р. Е.Р. Ленгворсі (E.R. Langworthy),
який задля збереження цієї посади в уні-
верситеті та її фінансування заповів на-
щадкам велику на той час суму в 10 тис.
фунтів. Символічно, що попередниками
А. Гейма на цій посаді були такі видатні
фізики, як нобелівські лауреати Ернст Ре-
зерфорд (Ernest Rutherford — премія з хі-
мії 1908 р.), Лоуренс Брегг (Lawrence
Bragg — премія з фізики 1915 р.), Патрік
Блекетт (Patrick Blackett — премія з фізи-
ки 1948 р.).
З 2002 р. А. Гейм — директор Центру ме-
зо науки і нанотехнологій при Манчестер-
ському університеті. Серед багатьох серйоз-
них, престижних міжнародних нагород і
відзнак А. Гейма варто згадати одну — так
звану Шнобелівську премію (Ig Nobel
Pri ze — від латинського слова ignoble «не-
благородний»). Її він розділив 2000 р. з од-
ним з найвідоміших матфізиків сьогодення
Майклом Беррі (Miсhael Berry) із Брис-
тольського університету (Англія) за наоч-
ну демонстрацію великої сили, що може ді-
яти на немагнітні речовини, на прикладі
живої істоти — дослідження діамагнітної
левітації жабеняти.
Другий лауреат, Костянтин Сергійович
Новосьолов, народився в 1974 р. у Ниж-
ньому Тагілі, зараз має російське і британ-
ське громадянства. У 1991 р. після закін-
чення нижньотагільського ліцею також
уступив до МФТІ, який закінчив 1997 р.
Два роки потому працював в Інституті
проблем технології мікроелектроніки РАН
(Черноголовка). У 1999 р. К. Новосьолов
переїздить до Нідерландів, де стає аспіран-
том А. Гейма в університеті Наймегена, а в
2001 р. вони вдвох починають працювати в
Манчестерському університеті. PhD сту-
пінь К. Новосьолов отримав у 2004 р. в ла-
бораторії сильних магнітних полів універ-
ситету Наймегена, дослідивши рух домен-
ної стінки, яка переповзає через точковий
дефект у наномагнетику. Як бачимо, його
дисертація не мала нічого спільного з май-
бутнім пошуком максимально тонких фі-
зичних середовищ. У 2008 р. К. Новосьо-
лов разом з А. Геймом отримав премію «Єв-
рофізика» за відкриття графену і вимірю-
вання його фізичних властивостей.
ОТРИМАННЯ ГРАФЕНУ
В ажко уявити, але серйозне досягнення
у фізиці було зроблено простим і навіть
дотепним методом — прямим застосуван-
ням звичайнісінького скотчу. В 2004 р.
К. Новосьолов і А. Гейм з колегами саме за
допомогою цієї липкої стрічки зробили від-
криття, що суттєво вплинуло на ситуацію у
фізиці конденсо ваного стану [2]. Почавши
працювати з графітовими зразками за-
втовшки близько 1 мм і добре знаючи про
слабку міжшарову взаємодію в графіті,
вони поставили за мету отримати якомога
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12 53
тонші графітові шари. Для цього зразки
приклеювали до звичайного скотчу і від
них механічно відривали ще тонші пласти,
які в певній кількості утворювались на ньо-
му. Потім скотч обережно видаляли з нали-
плими тонкими фрагментами графіту, які,
зрозуміло, були різношарові. Після кількох
повторень цієї операції окремі шари графі-
ту виявлялись настільки тонкими, що вмі-
щували всього кілька атомних шарів, а ін-
коли — один, і це була справжня несподі-
ванка.
Одержані плівкові шматочки зі скінчен-
ним і достатньо малим числом шарів і були
бажаними зразками графену, які тепер так і
називають одно-, дво-, тришарові і т.д. гра-
фенові плівки. Для подальшого досліджен-
ня — зокрема встановлення істинної тов-
щини, їх розміщали на підкладці з крем-
нію, верхній шар якої був ізолятором з
оксиду кремнію SiO2. Товсті плівки з гра-
фіту (товщиною більше 3 нм і розміром
понад 100 мк) видно навіть неозброєним
оком (фактично це слід на папері від олів-
ця), а справжній графен, розмір плівки яко-
го не перевищує 10 мк, можна побачити
лише за допомогою оптичного мікроскопа.
Більше того, через явище інтерференції світ-
ла спостереження графену залежить не
лише від його товщини, а й від товщини
верхнього ізоляційного шару підкладки. Як
з’ясували пізніше, саме те, що товщина шару
з оксиду кремнію дорівнювала приблизно
300 нм, виявилось неабиякою знахідкою,
бо якраз така товщина найсприятливіша з
точки зору оптичних спостережень.
Для електричних вимірювань цього, зви-
чайно, замало, і до отриманих графенових
плівочок довжиною кілька мк треба було
підвести металеві контакти, тобто викорис-
тати електронно-променеву літографію чи
добре розроблену і широко застосовувану
для виробництва напівпровідникових мі-
кросхем методику. Проте мали місце і певні
експериментальні труднощі, бо в даному
випадкові йшлося про невідомі для літо-
графії плівкові зразки, товщина яких роби-
ла їх квантовими об’єктами.
Можна припустити, що, приступаючи до
виконання описаних процедур, А. Гейм і
К. Новосьолов свідомо чи несвідомо йшли
проти основоположних висновків таких
усесвітньо відомих авторитетів, як теорети-
ки Лев Ландау і Рудольф Пайерлс (Rudolf
Peierls), котрі математично довели, що дво-
вимірні кристали не можуть бути термоди-
намічно стабільними, що, у свою чергу, пов-
ністю заперечує їхнє існування. Таке твер-
дження кілька десятиліть уважали непо-
рушним. І справді, нескладний розрахунок,
наведений у багатьох підручниках, пере-
конливо демонструє, що теплові флуктуа-
ції кристалічної ґратки швидко призводять
до таких зміщень атомів з положень рівно-
ваги, які за величиною збіжні з міжатом-
ною відстанню у вихідній ґратці. Між тим
графен, отриманий, нехай і дещо кустарно,
з експериментальною вишуканістю гідною
наслідування, існував як суто двовимірне
фізичне середовище, а отже, перед фахів-
цями постало питання — чому?
Як з’ясовано згодом, вільний графен, бу-
дучи в цілому дійсно плоским, має трохи
нерівну, «зім’яту», поверхню. Тобто атоми
не лежать в одній площині, а виходять з неї
на невеликі відстані, залишаючись при цьо-
му дуже сильно зв’язаними між собою саме
у просторі площини. Поверхня графену
вкрита, образно кажучи, випадково розта-
шованими пагорбами і долинами, які отри-
мали назву риплів (ripples). Якщо строго,
то останні, будучи наслідками спонтанних
зміщень атомів вуглецю в третій вимір,
створюють ефективну «товщину» одно-
атомних шарів, яка, у свою чергу, поро-
джує їхню поперечну відносно площини
механічну жорсткість, чим дозволяє уник-
нути обмеження Ландау–Пайерлса. Водно-
час, і це яскраво довели численні експери-
менти, одношаровий графен, незважаючи
54 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12
на згадану тривимірність, у багатьох (точ-
ніше — майже всіх проявах) поводиться
як двовимірний кристал.
З теоретичної точки зору одношарова
стільникова структура графену, яка справді
відповідає бджолиним стільникам, робить
його «прабатьком» майже всіх сполук, що
базуються на вуглеці та мають хімічні зв’яз-
ки, близькі до sp2 (див. рис. 1): графіт —
це фактично стос великої кількості шарів
графену; вуглецеві нанотрубки утворені зі
згорнутих у рулони різного діаметра одно-
го чи кількох шарів графену; фулерени, чи
«бакіболи», — ні що інше, як нанорозмірні
сфероподібні молекули, поверхня яких та-
кож фактично складається із графенових
площин. Ці алотропні форми вуглецю ви-
найдені та вивчені набагато раніше за гра-
фен. Вони вже мають багато застосувань,
але всі їхні електричні, магнітні, механічні
властивості походять, як тепер довели, з
відповідних властивостей графену2. Уні-
кальні механічні властивості графену (а
саме його неперевершену міцність) яскра-
во й переконливо ілюструє гіпотетичний
приклад з рис. 2.
Крім електронних властивостей графе-
ну, які визначають водночас і його оптич-
ні властивості, відзначимо, що зображений
на рис. 2 гамак був би невидимий, оскільки
графен поглинає лише 2,3% упалого світла
незалежно від довжини світлової хвилі.
ЕЛЕКТРОННА ФІЗИКА ГРАФЕНУ
Б ільшість унікальних властивостей гра-
фену виникає, як зазначали, з поведін-
ки в ньому електронів. У цьому випадку їх-
2 Питання, кого вважати «батьками», а кого «дітьми»,
не таке вже і тривіальне, як здається, оскільки в
2009 р. інші дослідники показали, що графенові на-
нострічки можна отримувати шляхом розрізання
нанотрубок уздовж осі.
Рис. 1. Графен, графіт, вуглецева нанотрубка, фулерен [3]
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12 55
ній рух у стільниковій ґратці, що має два
нееквівалентні атоми в елементарній ко-
мірці, призводить до появи у кристалі двох
зон 3: π і π* — валентна зона і зона провід-
ності (див. рис. 3).
Ці зони заповнюють вільні π-електрони,
які, за принципом Паулі, повинні відріз-
нятись величиною хвильового вектора k
і двома значеннями проекції спіну. Кіль-
кість станів у кожній зоні дорівнює кіль-
кості електронів, тож валентна зона за-
повнена цілком, тоді як зона провіднос-
ті залишається пустою. Рівень Фермі εF ,
як видно з рис. 3, розташовано в точках
K, що отримали назву діраківських, шес-
ти подвійних конусів. Закон дисперсії ε(k)
в околі цих точок, або залежність енергії
квазічастинкових збуджень від хвильово-
го вектора k, у графені виявляється ліній-
ним: ε(k) = ħνF � k �, де нахил діраківських
конусів задає швидкість Фермі νF (ħ = h/ 2
π, h — стала Планка).
Завдяки лінійній дисперсії густина ста-
нів у діраківських точках також дорівнює
нулеві, а отже, провідність σ ідеального
графену дуже низька, порядку кванта про-
відності e2/h (e — заряд електрона). Ди-
вує не стільки мала величина провідності,
скільки її та, звичайно, опору R = σ –1 скін-
ченні значення.
Уперше лінійний характер дисперсії
електронів у графені встановив у 1947 р.
канадський теоретик Філіп Рассел Воллес
(Philip Russell Wallace). Проте в ті часи
3 Якщо бути історично коректним, то можна ствер-
джувати, що структура графену становить окремий
вельми простий випадок молекулярних кристалів з
кількома молекулами в комірці, ще в 40-ві рр. ХХ ст.
всебічно вивченими українськими фізиками —
експериментатором А.Ф. Прихотько і теоретиком
О.С. Давидовим, а виниклі у графені енергетичні
зони, з погляду загальної теорії молекулярних
кристалів, розсунуті на величину давидовського
розщеплення. У сходженні найближчих сусідів
такі зони на межі зони Бріллюена, де k = K, за-
вжди змикаються.
ніхто не сумнівався, що впорядковане
конденсоване середовище завтовшки в
один атомний шар не може існувати, тому
Воллес розглядав стільникову площину
як вихідну модель для вивчення електрон-
них властивостей графіту, які були суттєвим
складником актуальних досліджень ядерних
реакторів, де як уповільнювач використову-
вали саме цей матеріал. Набагато пізніше,
лише в 1984 р., тобто рівно за 20 років до
фактичного отримання графену, інший ка-
надський теоретик Гордон Семенофф
(Gordon Seme noff) довів, що його елек-
тронний спектр, або спектр двовимірної
стільникової ґратки, має конусоподібний
вигляд і добре описується за допомогою
рівняння Дірака. Як неважко здогадатися,
швидкість світла c, яка входить у це рів-
няння, слід замінити на швидкість νF . Та-
кий результат випливав безпосередньо з
розрахунків, які не викликали заперечень,
але спирались на модель невзаємодійних
електронів. Вона не була наперед очевид-
ною, а крім того, не виключено, що, скажі-
мо, міжелектронна взаємодія могла зміни-
ти спектр, породивши в ньому щілину, що,
іншою мовою, відповідає появі маси ква-
зічастинок. Тож перед творцями графену
постала експериментальна проблема —
перевірити, якими є електрони у графені,
Рис. 2. Гамак з одношарового графену площею 1 м2,
масою менший за 1 мг може витримати кота вагою
4 кг. Якби вдалося зробити подібний одношаровий
гамак з найміцнішої сталі, він витримав би вагу лише
в 40 г [1]
56 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12
що зво дилось до знаходження відповідей
на питання:
— чи дійсно вони безмасові, а їхній рух
описує рівняння Дірака;
— чи справді, незважаючи на передбачен-
ня, рух квазічастинок у графені, як у біль-
шості твердих тіл, описує нерелятивістська
квантова механіка.
Саме це змогли незалежно встанови-
ти А. Гейм з К. Новосьоловим та їхні спів-
автори [5], а також група Філіпа Кіма (Philіp
Kim) з університету Колумбії (США), що
теж експериментувала з одношаровим гра-
феном [6]. Пропускаючи електричний
струм через графенові стрічки, експери-
ментатори беззаперечно встановили, що
здатність вільних електронів до руху (так
звана рухливість носіїв) набагато (майже
на два порядки) перевищує таку здатність
у найбільш використовуваних в електроні-
ці кремнієвих напівпровідників.
Ще одна перевага графену і приладів,
які вже створюють і створюватимуть на
його основі, до чого причетні А. Гейм і
К. Новосьолов, у тому, що положенням
рівня Фермі в ньому дуже зручно керува-
ти зовнішньою електричною напругою,
при кладеною до підкладки з напів про від-
ника, на якій лежить графеновий зразок
(польовий транзисторний ефект). Цим
легко інжек тувати у графен носії необхід-
ного знаку.
Проте навіть цих, безперечно, цікавих і
важливих результатів, які відкривали пев-
ні перспективи для зародження вуглецевої
наноелектроніки, було замало для з’я су-
вання одного з ключових питань — яким
же врешті-решт рівнянням описати рух
електронів у графені. Відповідь на нього
знайшли, коли до графенових зразків ра-
зом з електричним приклали ще одне зо-
внішнє поле — магнітне, яке закручувало
рух електронів.
ЕФЕКТ ХОЛЛА У ГРАФЕНІ
Й деться фактично про вивчення у гра-
фені ефекту Холла, який, як відомо,
створює додаткові можливості для вимірю-
вання фізичних характеристик квазічасти-
нок. Зокрема, інформацію про властивості
електронів можна діставати, вивчаючи за-
лежність електричного опору R від магніт-
ного поля H (чи магнітної індукції B) або,
у випадку графену, від густини додаткових
електронів/дірок.
У результаті проведених детальних екс-
периментів головною ознакою різниці між
графеном і звичайними напівпровідника-
ми стала незвичайна картина ефекту Хол-
ла у графені. Нагадаємо, що класичний
ефект Холла, відкритий у 1879 р., полягає
в тому, що струм, який тече у провіднику в
присутності перпендикулярного до на-
прямку струму магнітного поля, приво-
дить до появи напруги поздовж напрямку,
перпендикулярного до напрямків струму і
поля (рис. 4). Відношення цієї напруги до
струму в цьому ж напрямку зветься опо-
ром Холла RH . Більше ніж через століття
німецький експериментатор Клаус фон
Клітцинг (Klaus von Klitzing — Нобелів-
ська премія з фізики 1985 р.) встановив,
що в напівпровідникові за температур,
близьких до абсолютного нуля, холлів-
Рис. 3. Зонна структура графену і формування кону-
са Дірака. Показано напрями хвильового вектора k у
площині, положення рівня Фермі εF в точках K пере-
тину, або змикання зон [4]
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12 57
ський опір стає квантованим, приймаючи
значення RH = h/νe2 = (де ν – додатне ціле
число, або так званий фактор заповне-
ння).
У той час, коли групи Гейма–Новосьолова
і Ф. Кіма досліджували КЕХ у графені,
двоє авторів (В.Г. і С.Ш.) цієї статті, спи-
раючись на дослідження Інституту теоре-
тичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН
України з так званого ефекту магнітного
каталізу в квантовій теорії поля, вивчали
холлівську провідність саме графену. З їх-
ніх розрахунків виходило, що для діраків-
ських електронів у графені на відміну від
звичайних факторів заповнення має бути
не довільним цілим, а тільки подвоєним не-
парним, тобто ν = 2(2n + 1) або 2, 6, 10,…, де
n =0, 1, 2,… [7]. Це пов’язано з тим, що по-
слідовність дискретних у зовнішньому маг-
нітному полі рівнів енергії (рівнів Ландау,
які з’являються в полі, на яких знаходяться
електрони) у графені суттєво відрізняється
від послідовності подібних рівнів у металах
і напівпровідниках. Якщо в останніх вона
еквідистантна, то в діраківському випадку —
це не так. Інша унікальна властивість графе-
ну — присутність у спектрі рівня з нульовою
енергією, який належить одночасно обом —
і валентній, і провідній — зонам, саме існу-
вання якого зумовлює нестандартний КЕХ
у графені.
Передбачувану поведінку холлівського
опору і змогли побачити обидві експери-
ментальні групи [5, 6]. Це забрало будь-
які сумніви щодо того, якими квазічастин-
ками є електрони в одношаровому графені,
оскільки навіть у двошаровому графені кван-
тування цієї провідності має зовсім інший
характер. Тепер кожен із графенів (маємо
на увазі графени, що відрізняються числом
шарів) розглядають як окремий оригіналь-
ний об’єкт, властивості якого активно до-
сліджують на предмет порівняння один з
одним і можливого оптимального застосу-
вання в техніці.
Підсумовуючи, підкреслимо, що заслу-
га А. Гейма і К. Новосьолова не зводиться
лише до першого у світі отримання графе-
ну, адже їм належать відкриття, піонерські
дослідження численних дуже незвичайних
властивостей матеріалу — величезної рух-
ливості квазічастинок, мінімальної провід-
ності, квантового ефекту Холла, надзвичай-
ної прозорості. Принципово важливе і те,
що графен дав змогу досліджувати ефекти,
притаманні релятивістській фізиці, не за
допомогою дуже коштовних прискорюва-
чів, а у звичайних, відносно недорогих, ла-
бораторіях для досліджень із фізики твер-
дого тіла. Яскравим прикладом цього став
передбачений ще 1929 р. парадокс Клейна
(Oscar Klein), або аномально висока ймо-
вірність тунелювання релятивістських час-
тинок крізь потенціальні бар’єри, реалізації
якого у графені присвячено теоретичну ро-
боту [8] і який дійсно спостерігала 2009 р.
група Ф. Кіма.
Щодо цікавих властивостей одношарово-
го графену, то, як було з’ясовано дещо пізні-
ше [5, 6], ще одна міжнародна група теоре-
тиків у складі американця Антоніо Кастро
Нето (Antonio Castro Neto), іспанця Фран-
ціско Гуінея (Francisco Guinea), португаль-
ця Нуно Мігуеля Переша (Nuno Miguel Pe-
res) незалежно прийшла до того ж висновку
про аномальний КЕХ у графені [9], розгля-
даючи поведінку так званої фази Беррі. Ви-
являється, через діраківський характер ква-
зічастинок квантово-механічна хвильова функ-
ція квазічастинок у графені не переходить
сама в себе при обертанні на кут 360°, зміню-
ючи свій знак, що тотожне зміні її фази на
число π . Тому можна зробити висновок, що
КЕХ у графені має бути відмінним від відо-
мого [3]. Потім обидві згадані експеримен-
тальні групи у спільній роботі (2007) проде-
монстрували, що КЕХ у графені можна спо-
стерігати навіть за кімнатних температур.
Оскільки визначення фази Беррі кван-
тових магнітних осциляцій дає можли-
58 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12
вість ідентифікувати основні характерис-
тики електронної підсистеми матеріалів,
слушно згадати роботу 1999 р. про гра-
фіт українських теоретиків Г.П. Микити-
ка і Ю.В. Шарлая з Фізико-технічного ін-
ституту низьких температур ім. Б.І. Вєркі-
на НАН України (Харків), цитовану в обох
пріоритетних для досліджень графену стат-
тях [5, 6].
ОЧІКУВАННЯ І ПРОГНОЗИ
За шість років, що минули з моменту
отримання графену, виконано вели-
чезний обсяг фундаментальних експери-
ментальних і теоретичних досліджень.
Наприклад, останні результати спостере-
ження дробового КЕХ показують [10], що
графен став одним з найважливіших об’єк-
тів саме фундаментальних досліджень.
Тим не менше, попри такий теперішній
статус графену, очевидно, що дуже велику
увагу приділено його практичним засто-
суванням. Можна сподіватись на створен-
ня працездатних і вироблених у промис-
лових умовах графенових транзисторів.
Так, нещодавно прозорий лист графену
розміром понад 70 см (!) став основою
міцного сенсорного екрана [11]. Графен
може бути також ефективним газовим
сенсором, який відчуває присутність на-
віть однієї молекули газу на своїй поверх-
ні [12]. Нові композитні матеріали на
основі графену можуть знайти застосу-
вання в космічних супутниках і літаках.
Як швидко здійсниться мрія «graphenium
inside» або з’явиться графеновий проце-
сор і скільки буде практичних застосувань
не лише графену, але і його похідних, по-
кажуть майбутні дослідження, які все ін-
тенсивніше ведуться в лабораторіях роз-
винених країн.
Нобелівська премія вивела графен на
перші шпальти не тільки наукових ви-
дань — він і його винахідники стали героя-
ми численних ЗМІ, Інтернету, що виклика-
ло неабиякий інтерес до нового матеріалу
широкої непрофесійної аудиторії. Проте
варто згадати й професіоналів, теоретичні
дослідження яких так чи інакше стосували-
ся графеноподібних систем і велися ще до
фактичного відкриття самого графену. Без
перебільшення, тут також можна говорити
про помітний внесок у фізику релятивіст-
ських електронних систем таких україн-
ських теоретиків, як Е.В. Горбар, В.А. Мі-
ранський, І.В. Криве, Ю.О. Ситенко, І.А. Шов-
ковий та інші, тепер залучених до активних
досліджень графену. Але справжній графе-
новий бум почався наприкінці 2005 р. після
Рис. 4. Схема вимірювання ефекту Холла, а також
вигляд експериментальних кривих холлівського опо-
ру з характерними поличками, що відповідають його
квантуванню у графені [6]
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 12 59
публікації статей [5, 6]. На щастя, не оми-
нув він і України, де незвичайні властивос-
ті графену не могли не викликати заці-
кавлення багатьох теоретиків. Ф.Ф. Васько,
В.О. Кочелап, Л.І. Малишева, О.І. Оніпко,
Ю.В. Скрипнік, М.В. Стріха, В.О. Ямполь-
ський — далеко не повний перелік україн-
ських фізиків, які останніми роками вида-
ли публікації на графенову тематику 4.
* * *
Як бачимо, в Україні більшість дослі-
джень графену має теоретичний харак тер.
Фізики-теоретики, включаючи авто рів, не
маючи змоги співпрацювати з віт чизняними
експериментальними групами, змушені шу-
кати прямих контактів із зарубіжними екс-
периментаторами, зокрема, беручи участь у
спільних грантах. Це дає змогу швидко, ді-
знаватися про результати нових досліджень
і певною мірою компенсує вимушену від-
мову вітчизняних науковців (через фінан-
сову скруту) від участі у зарубіжних між-
народних конференціях. Водночас, вклю-
чення українських фізиків-екс пери мен та-
то рів до світових досліджень графенів і
споріднених сполук, було б не тільки бажа-
ним, а й необхідним. Багато експертів про-
гнозують, що початок ХХІ ст., ознаменова-
ний науковим пожвавленням, яке породи-
ло відкриття графену, за багатьма ознаками
4 Кількість робіт, присвячених графену, сягає кількох
тисяч. І згадати всіх авторів, які мають хоч яке-
небудь відношення до України, просто неможливо.
Проте, слід відзначити, що у групі А. Гейма пра-
цюють українські експериментатори В.Г. Кравець і
О.М. Григоренко. Крім того, В.І. Фалько, один із
провідних фахівців у теоретичних дослідженнях
графену, керівник кафедри з теорії конденсованого
стану в університеті Ланкастера (Англія), вчився у
Харківському університеті.
свідчить про започаткування нового етапу
в розвиткові фізики, а саме: народження
вуглецевої електроніки, яка, напевно, має
прийти на зміну кремнієвій зокрема і на-
півпровідниковій узагалі.
1. Graphene // Scientific Background on the Nobel
Prize in Physics 2010. The Royal Swedish Academy
of Sciences. — 12 р.
2. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov et al. Elec-
tric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films //
Science. — 2004. — Vol. 306, №5696. — P. 666–
669.
3. A.H. Castro Neto, F. Guinea, N.M. Peres Drawing
Conclusions from Graphene // Physics World. —
2006. — Vol. 19. — P. 34–38.
4. T. Chakraborty Graphene: a nanoscale quantum
playing field // Physics in Canada. — 2006. —
Vol. 63. — P. 351–354.
5. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov et al. Two-
Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in
Graphene // Nature. — 2005. — Vol. 438. — P. 197–
200.
6. Y. Zhang, Y.-W. Tan, H.L. Stormer, P. Kim Experi-
mental Observation of Quantum Hall Effect and
Berry’s Phase in Graphene // Nature. — 2005. —
Vol. 438. — P. 201–204.
7. V.P. Gusynin, S.G. Sharapov Unconventional Integer
Quantum Hall Effect in Graphene // Phys. Rev.
Lett. — 2005. — Vol. 95.
8. M.I. Katsnelson, K.S. Novoselov, A.K. Geim Chiral
tunnelling and the Klein paradox in graphene //
Nature Phys. — 2006. — Vol. 2. — P. 620–625.
9. N.M.R. Peres, F. Guinea, A.H. Castro Neto Electronic
Properties of Disordered Two-Dimensional Carbon //
Phys. Rev. — 2006. — Vol. 73.
10. C.R. Dean, A.F. Young, P. Cadden-Zimansky, L. Wang,
H. Ren, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, J. Hone,
K.L. Shepard Multicomponent fractional quantum
Hall effect in graphene // arXiv:1010.1179(2010).
11. S. Bae, H. Kim, Y. Lee et al. Roll-to-roll production of
30-inch graphene films for transparent electrodes //
Nature Nanotechnology. — 2010. — Vol. 5. —
P. 574–578.
12. F. Schedin, A.K. Geim, S.V. Morozov, E.W. Hill,
P. Blake, M.I. Katsnelson, K.S. Novoselov Detection
of individual gas molecules adsorbed on graphene //
Nature Materials. — 2007. — Vol. 6. — P. 652.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-27793 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0372-6436 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:17:05Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гусинін, В. Локтєв, В. Шарапов, С. 2011-10-20T08:22:49Z 2011-10-20T08:22:49Z 2010 Графен: неймовірне стало можливим / В. Гусинін, В. Локтєв, С. Шарапов // Вісн. НАН України. — 2010. — № 12. — С. 51-59. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/27793 Цьогорічну Нобелівську премію в галузі фізики присуджено вихідцям із колишнього СРСР Андре Геймові (Andre Geim) і Костянтину Новосьолову (Konstantin Novoselov) за проривні експерименти з новоствореним двовимірним матеріалом — графеном. Це 108-е присудження фізикам найпрестижнішої у світі наукової нагороди. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Нобеліана-2010 Графен: неймовірне стало можливим Article published earlier |
| spellingShingle | Графен: неймовірне стало можливим Гусинін, В. Локтєв, В. Шарапов, С. Нобеліана-2010 |
| title | Графен: неймовірне стало можливим |
| title_full | Графен: неймовірне стало можливим |
| title_fullStr | Графен: неймовірне стало можливим |
| title_full_unstemmed | Графен: неймовірне стало можливим |
| title_short | Графен: неймовірне стало можливим |
| title_sort | графен: неймовірне стало можливим |
| topic | Нобеліана-2010 |
| topic_facet | Нобеліана-2010 |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/27793 |
| work_keys_str_mv | AT gusinínv grafenneimovírnestalomožlivim AT loktêvv grafenneimovírnestalomožlivim AT šarapovs grafenneimovírnestalomožlivim |