http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=38471224-1e0f-4e72-92ab-e68f3f0a2f73&print=1© 2024 Российская академия наук
Российские ученые-эмигранты оказались в центре мирового НТП - их исследования углеродных наноматериалов могут повлечь за собой настоящую революцию
Правда, плодами ее распорядятся другие страны
В марте 2007 года в британском журнале Nature появилось несколько статей ученых из Манчестерского университета Великобритании и их коллег из Германии и Голландии, посвященных очередному прорыву в исследованиях тончайших углеродных материалов - графенов. Неформальные лидеры этого интернационального научного коллектива, специалисты Группы мезоскопной физики (автономного подразделения Манчестерского университета) Андре Гейм и Костя Новоселов - наши экс-соотечественники, в бытность гражданами СССР и России звавшиеся Андреем и Константином.
Полученные Геймом, Новоселовым и их коллегами стабильные углеродные наноматериалы толщиной всего в один атом углерода (порядка 0,1 нм) могут стать основой будущей микроэлектроники, сменив современные кремниевые технологии.
Экспериментальное открытие графена в 2004 году все той же группой Гейма - Новоселова стало важнейшим звеном в цепочке исследований углеродных структур, начало которым было положено в 1985-м, когда ученым удалось обнаружить принципиально новые углеродные соединения - фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Открывшие фуллерены британец Гарольд Крото и американцы Роберт Керл и Ричард Смолли в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии.
К слову сказать, Гейм после эмиграции долгое время работал в голландском Университете Неймегена и, до того как всерьез увлекся графеновыми исследованиями и переехал в Великобританию, успел в 2000 году стать "шнобелевским" лауреатом в области физики за "использование магнитов для подвешивания (левитации) лягушки" (такова официальная формулировка создателей альтернативной научной премии, присудивших ему эту шуточную награду). Оценить шансы Гейма стать истинным нобелевцем пока довольно трудно, но почти наверняка можно утверждать, что они отнюдь не равны нулю.
Графен вместо кремния
В 1991 году сотрудник японской корпорации NEC Сумио Идзима выяснил, что атомы углерода могут образовывать не только сферические, но и полые цилиндрические структуры - длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Свежеиспеченные (в буквальном смысле этого слова: эксперименты проводились при температуре порядка 4 тыс. градусов) макромолекулы получили название углеродных нанотрубок. В дальнейшем учеными были получены нанотрубки разной геометрии - как однослойные, так и многослойные, напоминающие свиток.
Два года назад на свет появился еще один принципиально новый класс наноматериалов - сверхтонкие углеродные пленки. Их первооткрыватели Андре Гейм и Константин Новоселов назвали эти особые пленки графеновыми, а составляющий их материал - графеном. Практически одновременно с группой Гейма - Новоселова к схожим результатам пришли их американские коллеги из Принстонского университета (лаборатория профессора Али Яздани).
Графен, слой атомов углерода, соединенных в гексагональную (шестигранную) кристаллическую решетку, по большому счету можно считать двумерной копией трехмерного графита. Его можно представить как одну плоскость (единичный слой) графита, отделенную от объемного кристалла. Или же, как еще часто говорят, графеновые пленки - это как бы раскатанные в одной плоскости миллионы углеродных нанотрубок, сцепленных друг с другом на очень большом "листе" атомарной толщины.
Интересно отметить, что теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов этого материала: первые публикации о возможных физических свойствах двумерных кристаллов появились в научной периодике еще в 30-40-е годы XX века. Однако вскоре теоретики пришли к выводу, что свободную идеальную двумерную пленку получить невозможно из-за ее нестабильности при сворачивании или скручивании, а тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.
Лишь после экспериментального открытия углеродных нанотрубок ученые вновь увлеклись поисками двумерных углеродных наноструктур, благо теоретическая база для таких материалов в приложении к углеродным нанотрубкам была к тому времени уже достаточно хорошо проработана. По словам одного из ведущих мировых специалистов в этой области американца Уолта де Хиира, "нанотрубка - это тот же графен, только скрученный в цилиндр. Поэтому при изучении узких полосок графена мы можем наблюдать те же физические и химические свойства, что и у углеродных нанотрубок". Американский ученый полагает, что однослойные углеродные нанотрубки - только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная почти наверняка будет базироваться на графене.
Гейму и его коллегам в пионерских исследованиях 2004 года удалось сначала механическим путем "содрать" слои графена с поверхности крупного графитового кристалла, а затем при помощи комбинированных методов оптической, электронно-лучевой и атомно-силовой микроскопии полностью отделить эти нанопленки. На следующем этапе ученые, используя технологии литографии и травления на металле, специальным образом обработали углеродные пленки для проверки на них транзисторного эффекта.
Как показали эксперименты, электроны в графеновой наноткани, по крайней мере на субмикронных расстояниях, при комнатной температуре свободно перемещались по так называемым баллистическим траекториям, то есть не рассеивались в полете. Созданные Геймом и его коллегами прототипы "баллистических транзисторов", электроны в которых могут перемещаться с огромными скоростями и с минимальными потерями энергии, - это один из первых реальных шагов к достижению идеала в современной микроэлектронике. И хотя ученым еще не удалось доказать, что созданные ими нанопленки обладают всеми предсказанными волшебными свойствами (одна из ключевых проблем на данном этапе исследований - высокие значения токов утечки), наблюдавшийся в ходе экспериментов баллистический эффект - очевидное свидетельство в пользу того, что получить подобный супертранзистор на практике возможно. В принципе создание интегральной микросхемы из графена приведет к резкому снижению тепловых потерь и энергопотребления.
В интервью ВВС один из ведущих мировых специалистов по полупроводниковым технологиям профессор Ноттингемского университета Лоуренс Ивз высказал мнение, что открытие группы Гейма - это "одно из самых ярких событий, произошедших в области физики твердого тела за последнее десятилетие".
Нулевая эффективная масса
В течение двух с небольшим лет после экспериментального получения первых образцов графеновых пленок количество научных исследований в новой области росло фактически по экспоненте. По данным, приведенным в редакционной статье журнала Nature Materials (N 3, март 2007 года), в прошлом году их число по сравнению с 2005-м удвоилось, а согласно ISI Web of Knowledge, всего в 2006 году на графеновую тему было опубликовано около 350 научных статей. О степени популярности данной проблематики сегодня говорит и то, что на ежегодной конференции Американского физического сообщества, проходившей с 5 по 9 марта этого года в Денвере, графену было посвящено восемь специализированных научных семинаров.
Безусловно, пока что львиная доля этих научных работ носит сугубо фундаментальный характер. Не вдаваясь в тонкости, отметим лишь, что выявленные учеными необычные физические свойства графена находятся где-то на стыке между традиционной физикой конденсированного состояния и квантовой электродинамикой (теорией релятивистских электронов в вакууме). Так, в статье, опубликованной в ноябре 2005 года в Nature, Костя Новоселов и Андре Гейм утверждают, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой.
За столь небольшое время графен уже успел привлечь к себе повышенное внимание многих прикладников и промелькнул в целом ряде вполне конкретных экспериментов. В 2006 году группе ученых из Корнельского университета США удалось превратить графеновую пленку в миниатюрный электромеханический резонатор. Другой любопытный вариант практического применения графена совсем недавно предложили Вадим Чеянов и Владимир Фалько (Университет Ланкастера, Великобритания) совместно с Борисом Альтшулером из Колумбийского университета США (как нетрудно догадаться, это научное трио также российского происхождения). Чеянов, Фалько и Альтшулер полагают, что графен может быть использован для изготовления тончайших электронных линз, обладающих значительно более высоким фокусным разрешением, чем у существующих сегодня рабочих инструментов. Пока, правда, эта идея не перешла в практическую плоскость, но, по словам Бориса Альтшулера, "уже как минимум в пяти различных лабораториях мира она в настоящее время проходит стадию экспертной оценки".
Наконец, как мы отмечали выше, еще в 2004 году ученым удалось экспериментально получить первый графеновый транзистор. А в марте 2006-го группа Уолта де Хиира впервые получила так называемый полевой транзистор на графене. По признанию самого де Хиира, проделанная его группой работа "заложила основы будущей графеновой электроники".
Квалифицированные рукоделы
Последние новости, касающиеся графеновых исследований, представлены в упомянутом мартовском номере Nature в двух статьях русских манчестерцев Новоселова и Гейма в соавторстве с Янником Мейером и его коллегами из штутгартского Института Макса Планка.
Первую из своих статей ученые посвятили в основном теоретическим аспектам, в частности перспективам получения графеновых пленок (мембран) в свободном состоянии. До сих пор все полученные исследователями образцы графена были жестко привязаны к поверхностям прочих материалов, однако в результате недавних экспериментов группе Новоселова - Гейма наконец удалось доказать, что существование свободно висящего в вакууме графена (не левитирующая ли в электромагнитном поле лягушка навела ученых на эту идею?), полностью отделенного от удерживавшего его металлического каркаса, - это реальность.
Полученные ими графеновые мембраны оказались самыми тонкими из известных на сегодня науке материалов с толщиной всего в один атом углерода. Впрочем, как отмечает Андре Гейм, "как теория, так и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что двумерные кристаллы в принципе не могут существовать в природе". Поэтому изготовленные ими свободные мембраны все-таки не были идеально плоскими: их поверхность оказалась испещрена небольшими "морщинками", до 1 нм в высоту и до 25 нм в диаметре, которые и придали полученному материалу необходимую физическую стабильность.
Другая публикация тех же авторов целиком посвящена описанию их прогресса на транзисторном фронте. Судя по всему, ученым наконец удалось решить пресловутую проблему высоких токов утечки: новые прототипы транзистора, сделанные из узких графеновых нанополосок, ширина которых составляет менее 10 нм (толщина - всего 0,1 нм), способны эффективно контролировать поток единичных электронов даже при комнатной температуре.
По словам Андре Гейма, "в дальнейшем мы не исключаем возможности уменьшения размеров полученных нами наноустройств - возможно, даже вплоть до одиночного кольца атомов углерода". Исследователи полагают, что будущие электронные устройства можно будет нарезать из одного графенового листа, причем центральным элементом этих устройств станут так называемые квантовые точки, управляющие потоком электронов.
В то же время Гейм и его коллеги вполне реалистично оценивают временные перспективы появления промышленных микрочипов на основе графеновых транзисторов: по их мнению, маловероятно, что это произойдет ранее 2025 года. Главная проблема, над разрешением которой ученым предстоит основательно поработать в ближайшие годы, заключается в том, чтобы найти эффективные методы поточного производства графеновых нанолистов.
В беседе с корреспондентом "Эксперта" директор Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в Черноголовке (ИПТМ РАН) доктор физико-математических наук Вячеслав Тулин отметил, что "пока все работы с графеном - это чисто ручная, ремесленная рутина: ученые занимаются ковырянием графита, отшелушиванием от него слоев и прочей кустарщиной, полагаясь по большей части на удачу. Безусловно, с чисто научной точки зрения то, чем они сейчас занимаются, очень интересно, но по сути Гейм и его коллеги - это квалифицированные рукоделы, тратящие по несколько недель на то, чтобы получить единичные нормальные образцы графеновых прототипов".
Однако, несмотря на достаточно жесткую оценку текущего состояния дел в этой новой научной области, в целом профессор Тулин достаточно оптимистично оценивает перспективы графена и его различных производных продуктов: "Сегодня кремнием занимаются миллионы специалистов, а графеном - лишь несколько сотен энтузиастов, но уже в самом скором времени эта ситуация может резко поменяться, и после вполне ожидаемого прихода больших денег быстрый прогресс в прикладной сфере будет, скорее всего, лишь вопросом времени".
Берите пример с Поднебесной
Многолетняя успешная работа группы наших бывших соотечественников над созданием "материала будущего" - очередной яркий пример того, как не надо осуществлять научно-техническую политику в отдельно взятой стране.При посещении официальной интернет-страницы Группы мезоскопной физики Манчестерского университета, которой на протяжении последних нескольких лет руководит Андре Гейм, сразу бросается в глаза обилие родных имен и фамилий в списке сотрудников этого автономного подразделения британского научного центра: бывшими нашими являются пять из шести сотрудников, входящих в так называемый академический персонал группы. Причем большая часть русских манчестерцев уже фактически не имеют ничего общего со своей исторической родиной, а основные фигуранты графенового бума Гейм и Новоселов - и вовсе полноправные граждане Великобритании.
В беседе с директором ИПТМ РАН Вячеславом Тулиным корреспонденту "Эксперта" удалось выяснить, что пресловутая утечка мозгов из подведомственного ему института отнюдь не была одномоментной, а скорее походила на периодическое открывание и закрывание краника: сначала насовсем уехал еще из Советского Союза бывший сотрудник ИПТМ Андрей-Андре Гейм, а позднее ему удалось постепенно переманить в создававшуюся графеновую исследовательскую группу других талантливых российских ученых. Так, Константин-Костя Новоселов, который, по словам г-на Тулина, сегодня фактически возглавляет научную работу по графеновой теме в Манчестере, еще совсем недавно числился аспирантом ИПТМ. Удачно постажировавшись у Гейма, Новоселов вполне резонно решил, что его дальнейшая научная карьера будет куда более успешной в Великобритании, а вскоре его примеру последовали еще несколько молодых сотрудников института в Черноголовке.
В очередной раз перечислять все причины, по которым Россия не в состоянии удерживать перспективные научные кадры, здесь не слишком уместно. Но можно ли в обозримом будущем надеяться на то, что наши поумневшие идеологи НТП, получившие наконец возможность разумно распорядиться частью распухающего бюджетного пирога, сумеют придумать эффективную методику остановки этого позорного процесса? Можно предложить в очередной раз поучиться у нашего великого восточного соседа: китайские товарищи сумели за удивительно короткий срок не только восстановить, но и существенно нарастить свои научно-технические мощности, успешно вернули в родные пенаты тысячи командированных ученых и сегодня с большим энтузиазмом участвуют во всех мало-мальски перспективных научных проектах, в том числе и в графеновых исследованиях. Для того чтобы убедиться в нешуточном потенциале современной китайской науки, достаточно, например, посетить официальный сайт упоминавшейся выше конференции Американского физического сообщества: от обилия китайских имен и фамилий в списке докладчиков (особенно по графеновой тематике) просто рябит в глазах, и многие из их носителей - граждане Поднебесной.
***
Как подправить Мура
Пресловутый закон Мура (удвоение примерно раз в два года числа кремниевых транзисторов, размещаемых на одном компьютерном чипе) до сих пор остается в силе, однако, несмотря на отчаянное сопротивление монстров силиконовой индустрии, дальнейшее совершенствование методов ультрафиолетовой кремниевой литографии неумолимо упрется в так называемый квантовый барьер - лавинообразный рост нежелательных квантовых эффектов при снижении размеров полупроводниковых транзисторов до уровня в несколько десятков нанометров. И хотя не исключено, что ученым и технологам все-таки удастся изобрести хитроумные методы преодоления этого барьера, применяемая сегодня традиционная оптическая литография, по-видимому, станет как минимум слишком дорогостоящей на субнанометровом уровне. Согласно текущим оценкам, по достижении уровня в 20 нм (ориентировочно к 2020 году) экономическая и физическая эффективность кремниевых чипов окончательно испарится, и тогда их место займут более устойчивые наноматериалы на основе иных химических элементов. В качестве возможных заменителей кремния сегодня рассматриваются многие материалы, однако наиболее вероятными кандидатами на эту роль пока представляются новые углеродные структуры.