Какая судьба у двухмерных материалов в России?
После открытия графена (двухмерной формы углерода) обнаружены более десяти веществ со схожей структурой (гексагональный нитрид бора, GaN и AlN, дихалькогениды переходных металлов и др.). Их физико-химические свойства имеют огромный практический потенциал и частично уже используются в композиционных материалах, защитных покрытиях, биомедицинских датчиках, фармацевтике и еще примерно 40 отраслях.
В нашем обзоре обобщены результаты интеллектуальной деятельности (РИД) в РФ в области двухмерных материалов за последние 5 лет, пользуясь открытыми базами данных.
Изучение 2D-веществ позволило открыть много важных и неожиданных явлений, а всеобщий интерес к таким системам подтверждается присуждением двух Нобелевских премий за последнее десятилетие: в 2010 г. Гейму и Новоселову за открытие графена и в 2016 г. Костерлицу и Таулесу за теорию топологических фазовых переходов (теория Березинского-Костерлица-Таулеса), важной составной частью которой является теория плавления двумерных кристаллических систем.
В частности, графен представляет собой двумерный металл, в котором электронный спектр имеет линейную дисперсию и описывается безмассовым дираковским гамильтонианом. Высокоскоростной транспорт электронов и их высокая подвижность (2,5·105 см2·В-1·с-1) делают графен привлекательным материалом для наноэлектроники, в особенности для высокочастотных применений. Его оптические (оптическое поглощение одним слоем ≈2,3%), термические (коэффициент теплопроводности 3000–5000 Вт∙м-1∙К-1) и механические свойства (модуль Юнга 1012 Па, собственная прочность на разрыв ~1,3·1011 Па) привлекательны для микро- и наномеханических систем, тонкопленочных транзисторов, прозрачных и проводящих композитов и электродов, гибкой и печатаемой оптоэлектроники и фотоники. Большая удельная площадь поверхности (до 2400 м2/г), химическая чистота (до 99,999%) и возможность изменения свойств присоединением различных функциональных молекул делают графен и его популярные производные — оксид графена и фторид графена — перспективными материалами для биотехнологии и медицины.
Исследования и разработки в 2018–2022 гг. велись и по грантам Федеральных фондов; в рамках региональных программ, в частности инновационным фондом Самарской области; по линии НИОКР отдельных вузов. Минпромторг РФ периодически заказывал НИР, например по теме «Мониторинг развития и внедрения технологий получения графена, его производных, других 2D-кристаллов и производства изделий на основе 2D кристаллов в Российской Федерации и мире» у МГУ имени М.В. Ломоносова. Крупные предприятия с государственным участием реализовывали собственные программы НИОКР, например АО «Концерн «Созвездие» (Воронеж), АО «НПП «Пульсар» (Москва).
В России исследователи и разработчики графеновых материалов и изделий на их основе сконцентрированы примерно в 100 организациях.
О графене и его «братьях»
Принципиально, что графен имеет одноатомную толщину (рисунок 1).
Число атомов углерода в отдельной частице графена, площадь пластины, её форма, наличие дефектов и легирующих элементов, а также химическое состояние периферийных атомов углерода никак не регламентируется.
Рисунок 1: Схематичное изображение графена
Источник: на основе данных научно-технической литературы
На практике к графенам относят не только монослои и монослойные ленты, но и сдвоенные слои (bilayer), строенные слои (trilayer) и графеновые нано-частицы (пакеты из 5–10 слоёв), которые часто называют многослойным графеном, МСГ (multilayer graphene) или графеновые нанопластины, ГНП (graphene nano plateles).
Недавно введён термин «аморфный графен». Он отличается от монокристаллического графена со строго равнобедренными шестигранными ячейками из атомов углерода тем, что его ячейки имеют 5, 6, 7 и даже 8 атомов углерода, а форма многогранников искривлена (рисунок 2).
Рисунок 2: Монокристаллический графен (слева)
и аморфный графен (справа)
Источник: Samsung Electronics
Аморфный графен имеет низкую электрическую проводимость, что расширяет возможные сферы его использования за пределы электроники.
В графене реализуются «релятивистские» уровни Ландау и «полуцелое» квантование холловской удельной проводимости. Известен эффект туннелирования в графене (прозрачность высоких барьеров).
Удельная проводимость графена никогда не падает ниже кванта проводимости независимо от дефектов и количества слоев.
Изучение графена методом электронной дифракции показало, что нормали к поверхности отклоняются от вертикали в среднем на 10º вследствие его волнистой поверхности.
Свойства разновидностей графена по мере искажения структуры в той или иной степени приближаются к свойствам графита. Граница между высокорасщепленными графитами и многослойными графенами точно не определена. Однако считается, что она находится вблизи числа 10 (пакет из 10 графеновых слоёв).
Типичные дефекты в однослойном графене представлены на рисунке 3.
Рисунок 3: Дефекты в однослойном графене типа «вакансия»,
«топологический дефект Стоуна-Уэльса» и «нанопора»
Источник: на основе данных научно-технической литературы
Двухслойный графен (билэйер) является уникальным представителем 2D-систем в физике конденсированного состояния вещества, обладающий выдающимися механическими и транспортными свойствами. Известны бислои графена с муаровой структурой, бислои с адсорбированными атомами водорода, фтора и кислорода, бислои с сеточной структурой.
Подкрученный графен — это двуслойка, состоящая из двух листов графена, положенных один на другой так, что кристаллические оси слоев не совпадают, а образуют некоторый конечный угол подкрутки
