Нобелівське визнання графену. Чим відповість Україна?

Прізвища нобелівських лауреатів-2010 із фізики були прогнозовані. Премію отримали двоє колишніх випускників МФТІ, які вже майже 10 років працюють в університеті Манчестера — 52-річний підданець Нідерландів Андрій Гейм (він колись став і лауреатом «антинобелівської» премії за вивчення левітації жаб у магнітному полі) і його учень 36-річний Костянтин Новосьолов (наймолодший лауреат з фізики паралельно з британським зберіг і російське громадянство). Премію присуджено за роботи в галузі графену — шару вуглецю товщиною всього в один атом, вперше отриманого в 2004 році.

В електронному мікроскопі графен нагадує бджолині стільники, де сусідні атоми відокремлює відстань в одну десяту мільярдної частки метра. Відтоді розпочався справжній бум. Говорять навіть про появу «фізики графену» — нової інтердисциплінарної галузі досліджень на стику фізики конденсованого середовища, фізики високих енергій і матеріалознавства.

Адже новий матеріал, попри «тендітність», виявив вищу від сталі механічну жорсткість і дивовижну стійкість до нагрівання. А найголовніше — електрони в ньому (за низкою важливих фізичних властивостей схожі не на електрони в інших твердих тілах, а на релятивістські частинки без маси — фотони й нейтрино) забезпечують графену дуже високу провідність (на порядки вищу, ніж у кремнію — основного матеріалу сучасної електроніки). Отже, прилади на основі графену можуть виявитися значно «швидшими». Це особливо важливо, бо транзистори на основі кремнію сьогодні майже «вичерпали» свій резерв швидкодії й триває інтенсивний пошук нових матеріалів.

У певному сенсі графен було отримано задовго до 2004 року. Адже площини графену, поєднані слабкими зв’язками, утворюють такий давно відомий людині кристал, як графіт. А тому кожний художник, проводячи по папері олівцем, створює і мікроплощинки, де залишається усього кілька-, а то й одноатомний шар вуглецю. Проте реально дослідити двовимірний вуглець (а тим більше — підвести до нього електричні контакти) дозволило лише створення в 1980-х атомного силового мікроскопу і розвиток нанотехнологій.

Примітивну технологію перших робіт з отримання графену було названо «методом відлущування». До зразка графіту прикладали звичайний скотч. Потім його обережно віддирали — з налиплими фрагментами графіту, які в окремих місцях могли мати одноатомну товщину. Потім скотч притискали до підкладки (зараз у ролі підкладки найчастіше використовують шар діелектрика SiO₂). Далі скотч усували хімічними методами — а закріплений на підкладці вуглець залишався. З допомогою оптичного мікроскопу (одноатомний шар вуглецю можна бачити, адже він поглинає 2,3% світла, що на нього падає!) визначали ті фрагменти підкладки, на яких залишався моноатомний шар (вони мали розмір до 10 мікронів). Потім залишалася ювелірна робота підведення електричних контактів.

Така технологія має очевидні недоліки: неможливо отримати плівку визначеного розміру й форми у визначеному наперед місці підкладки. Вартість перших зразків графену була астрономічна — близько 100 000 000 дол./см². Проте саме ця примітивна й витратна технологія дозволила отримати революційні результати у квантовій фізиці конденсованого середовища.

Майже відразу розпочалися спроби вдосконалення технології вироблення графену. Найбільш придатним для промислового виробництва виявився метод, в основі якого лежить осаджування з газової фази. Завдяки цьому в 2009 році графен уже виробляли в світі тоннами, а його вартість знизилася до 100 дол./см².

Нарешті, справді проривний ефект мала робота хіміків із Японії та Південної Кореї, які вирощували графен на великих площинах мідної фольги осаджуванням з парової фази — і влітку 2010 року отримали листи графену на підкладці з діагоналлю в 75 см. Їх було використано в сенсорному дисплеї, який не поступався стандартним дисплеям, створеним на основі провідних шарів з індієво-олов’яних оксидів.

На сьогодні на основі графену вже створено ефективні газові сенсори, які «відчувають» присутність однієї-єдиної молекули певного газу, біосенсори для клітин і молекул ДНК, світлодіоди, іоністори (конденсатори великої ємності), здатні перезаряджуватися понад 100 разів на секунду. Є обнадійливі результати щодо застосування графену для лікування пухлин.

Проте створення на основі графену польового транзистора (а саме це може означати революцію в електроніці!) наражається на труднощі принципового характеру. Через особливості фізики графену при будь-яких прикладених до затвору напругах складно домогтися суттєвої зміни опору, необхідної для створення двох станів: провідного і непровідного, на яких ґрунтується двійкова логіка. Отже, треба змінити ці властивості так, щоб графен став схожий на звичайний напівпровідник. І вже в лютому 2010 року фахівці IBM повідомили про створення польового транзистора на основі графену зі швидкодією в 100 ГГц, що перевищує швидкодію кремнієвого транзистора.

На жаль, «графеновий» бум відбувається поза Україною. Хоч є певні досягнення і в нас. Ще наприкінці 1980-х елегантні роботи з фізики тонких шарів графіту виконав Володимир Литовченко зі співробітниками — вони належать до «передісторії» графену. У найпрестижніших журналах і сьогодні з’являються «графенові» статті Федора Васька, В’ячеслава Кочелапа, Вадима Локтєва, Станіслава Репецького, інших наших теоретиків. А от з експериментом — усе майже на нульовому рівні. Адже навіть сьогоднішні нобелівські лауреати змогли реалізувати себе лише за кордоном — Гейм захистив у Росії лише кандидатську, Новосьолов і диплом PhD отримав уже на Заході. То що вже казати про бідні, устатковані застарілими приладами українські лабораторії? Навіть у рамках затвердженої торік Державної програми розвитку нанотехнологій і наноматеріалів за конкурсом НАН рекомендовано наразі для підтримки одну-єдину «графенову» роботу — теж теоретичну…

Очевидно, така ситуація потребує термінових корекцій — бодай на рівні НАН (адже Держнауки досі перебуває на стадії становлення, а пріоритети нинішнього керівництва Міносвіти лежать у зовсім іншій площині). А тим часом сьогодні «графенові» роботи стають прямим показником конкурентоспроможності держави у міжнародному науковому розподілі праці.