Графен: почему уникальный материал не стал заменой кремнию

Что такое графен и как его открыли

Графен — это слой атомов углерода тоньше нанометра, соединённых в двумерную шестиугольную решётку. Этот материал обладает высокой механической прочностью, пропускает почти весь видимый свет, а также хорошо проводит электричество и тепло.

Впервые графен был получен в 2004 году физиками российского происхождения Андреем Геймом и Константином Новосёловым, а также их коллегами из Манчестерского университета. Они выделили отдельные слои графита методом, который был почти анекдотически прост. Исследователи брали кусочек графита и приклеивали к нему обычную липкую ленту. При отрывании часть слоёв оставалась на клее. Повторяя процедуру, учёные постепенно получали всё более тонкие фрагменты. В конечном итоге на подложке удавалось обнаружить участки углерода толщиной в один атом. Сегодня этот способ называют механическим расслоением или механической эксфолиацией. Для промышленного производства он непрактичен, ведь большие площади материала так не получишь. Зато можно получить очень качественные небольшие кристаллы.

За новаторские эксперименты с графеном Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике Изображение: © ChatGPT / промт Яна Алябьева / «Сириус(Журнал»

Долгое время считалось, что устойчивый кристалл толщиной всего в один атом при обычной температуре существовать не может. Графен показал, что двумерные материалы способны существовать в реальном мире. Открытие быстро вышло за пределы физики углерода. Экспериментаторы получили новый материал с необычной электронной структурой и возможность изучать на нём эффекты, которые раньше существовали преимущественно в теоретических моделях.

В первых экспериментах была измерена подвижность носителей заряда — порядка 10 000 см²/(В·с). Позднее в высококачественных образцах графена наблюдались значительно более высокие значения. При этом реальные характеристики материала сильно зависят от его чистоты, количества дефектов и взаимодействия с подложкой.

Ключевая «фишка» графена — необычное сочетание прозрачности (около 98 %) и электропроводности. Оно сделало материал полезным для прозрачных электродов, сенсоров и оптоэлектронных устройств.

Почему графен не заменил кремний

Графен казался идеальной заменой кремнию в транзисторах. Но транзистор должен не только хорошо проводить ток, но и уметь его перекрывать. В кремнии существует запрещённая зона — диапазон энергий, в котором отсутствуют разрешённые электронные состояния. Благодаря этому транзистор можно переводить между состояниями, в которых ток течёт и практически не течёт.

Графен эффективно отводит тепло, а это важно для транзисторов, которые при высокой частоте сильно нагреваются Фото: © u_kawy / Shutterstock / FOTODOM

У идеального однослойного графена такого диапазона нет. Он является бесщелевым полуметаллом, у которого валентная зона и зона проводимости соприкасаются. Поэтому графеновый транзистор сложно полностью выключить. Даже в выключенном состоянии сила тока остаётся слишком значительной для эффективной цифровой логики. Именно поэтому графен не стал прямой заменой кремнию в обычных процессорах.

Учёные пытались решить проблему разными способами: создавали графеновые наноленты, использовали двухслойный графен, изменяли структуру материала. Но все эти подходы имеют свою цену. В итоге изменилась сама идея применения новинки. Вместо попытки сделать из неё универсальный заменитель кремния исследователи стали искать задачи, в которых её необычные свойства дают реальное преимущество.

Где эффективно применяют графен

Высокая подвижность носителей заряда делает графен полезным для высокочастотной электроники. Прозрачность и проводимость позволяют использовать его в оптоэлектронике. В 2017 году была продемонстрирована широкополосная матрица фотосенсоров с графеном, интегрированным непосредственно с CMOS-электроникой. Это была уже не попытка заменить кремний, а пример того, как графен может работать вместе с традиционной полупроводниковой технологией. Именно этот принцип постепенно становится главным для новой индустрии: не заменить существующий материал, а добавить ему нужные свойства.

Электроника — одна из областей применения графена Изображение: © ChatGPT / промт Яна Алябьева / «Сириус(Журнал»

Вокруг графена сформировалась индустрия поставщиков материалов, оборудования и готовых компонентов. По данным европейской инициативы Graphene Flagship, с 2013 года в рамках её проектов появилось около 90 продуктов, преимущественно B2B-решений с использованием графена и родственных двумерных материалов. Среди них — покрытия, композиты, сенсоры, электронные компоненты и спортивный инвентарь.

1. Композиты. Одно из наиболее понятных направлений коммерциализации графена. В композитах графен работает как добавка. Нанопластинки используют для изменения механических, электрических или тепловых характеристик материалов. 
2. Энергетика. Графен используют в электродах для суперконденсаторов и аккумуляторов, в качестве проводящей добавки и материала для улучшения теплопередачи.
3. Электроника. Графен чувствителен к изменениям окружающей среды, хорошо проводит ток, остаётся гибким и прозрачным, что делает его полезным для датчиков и оптоэлектронных компонентов.
4. Медицина. Графен и родственные материалы исследуют для биосенсоров, покрытий, имплантов и нейроинтерфейсов. В этой сфере большой разрыв между лабораторным результатом и готовым медицинским изделием. Материал должен пройти токсикологические исследования, доклинические и клинические испытания, а затем получить разрешение регуляторов.

«Применение графена в нейроинтерфейсах представляется особенно перспективным, поскольку этот материал сочетает высокую подвижность носителей заряда с возможностью создания микроэлектродов малых размеров и низкого импеданса. Важным преимуществом графеновых электродов является возможность формирования развитой поверхности, в том числе пористой. Благодаря этому даже при малых геометрических размерах электрода его электрохимически активная площадь может оставаться достаточно большой, что способствует снижению импеданса на границе электрод–ткань. Кроме того, атомарно тонкие и механически гибкие графеновые структуры могут обеспечивать хороший конформный контакт с поверхностью мозга. Для меня использование графена в нейроинтерфейсах — одно из наиболее интересных применений этого материала», — говорит научный руководитель направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус», доктор химических наук Дмитрий Иванов.

Дмитрий Иванов в лабораторном комплексе Научно-технологического университета «Сириус» Фото: © Алёна Енченко / Медиадом «Сириус»

Графен в России

После открытия графена вокруг него возникло целое семейство упомянутых выше двумерных материалов и гетероструктур. Российские исследователи работают с ними в электронике, фотонике, энергетике, композитах и физике новых состояний вещества. Исследования ведутся в МГУ, МФТИ, НИТУ МИСИС, институтах РАН, Курчатовском институте и других научных центрах. Так, в 2024 году в Курчатовском институте создали структуру, в которой графен был объединён с двумерным магнитом — упорядоченной системой атомов гадолиния. Полученный материал удалось интегрировать в кремниевую технологию. Его рассматривают как основу для будущих устройств спинтроники.

Сегодня в России производят графеновые добавки для полимеров и строительных материалов, покрытия. Например, есть добавка, которая позволяет увеличить прочность бетона на сжатие примерно на 150 %, прочность на изгиб — на 80 %, а водопроницаемость снизить в четыре раза. Во многих областях есть разработки и лабораторные образцы, но далеко не все они стали серийными продуктами. Пока графен остаётся экзотическим материалом на российском рынке. Одних выдающихся свойств мало, чтобы выйти на рынок. Необходимо внедрить новый материал в существующие технологические цепочки, наладив стабильное и недорогое производство.