«Надеюсь открыть более интересный материал, чем графен»

Константин Новоселов. Фото Евгений Пелевин/Пресс-служба МФТИ

Открытие графена произошло уже более десяти лет назад, а Нобелевскую премию за его открытие Андрей Гейм и Константин Новоселов получили еще в 2010 году. Но несмотря на то, что графен уже используется в некоторых устройствах, пока он не так сильно изменил нашу жизнь, как многие ожидали. О том, почему это так и какие новые двумерные материалы появились вслед за графеном, N+1 в рамках 60-й научной конференции МФТИ вместе с несколькими другими изданиями побеседовал с выпускником Физтеха нобелевским лауреатом Константином Новоселовым.

Графен в повседневной жизни

— Константин Сергеевич, графен был открыт уже довольно давно, и вы говорили, что сейчас можно купить устройства, в которых он используется. Действительно ли сейчас уже есть такие устройства?

— Такие технологии действительно есть, но они входят в нашу жизнь постепенно. Мы считаем, что графен является уникальным материалом, но он более-менее повторяет путь всех других материалов, особенно углеродных. Так же 50 лет назад происходило с углеродными волокнами. Сначала их использовали в спортивном инвентаре и в машинах. И у графена первое применение было в композитных материалах. А сейчас графен все больше используется для решения проблемы теплоотвода — одной из серьезных проблем современной микроэлектроники. Например, в батарейках графен используется для теплоотвода и для улучшения механических свойств.

Постепенно графен начинает использоваться для все более и более технологических приложений. Сейчас вы можете купить телефон или часы с тач-падом из графена. У меня есть несколько. Я купил их в частном порядке, в магазине, никто не подарил. Одна из наших компаний работает в области печатной электроники: мы печатаем RFID метки. А бывшая Nokia пытается развивать оптические камеры для инфракрасного диапазона на основе графена.

— Насколько дешевы сейчас графеновые технологии?

— Все зависит от приложения. Сенсорные панели, наверно, проигрывают по цене материалам на основе оксида индия и олова (ITO — indium tin oxide). А RFID-метки — наоборот, очень дешевые по сравнению с медными или алюминиевыми.

— В научной фантастике часто рассказывают про броню из графена, солнечные паруса из графена, какие-то строительные конструкции. Можно ли будет создавать в будущем конструкции из графена площадью хотя бы с телевизор?

— Они есть, их уже делают.

— А более масштабные?

— И такие, наверно, делают. Но пленку размером с один телевизор легко сделать.

— Даже в промышленных условиях?

— Да, вы можете купить лист графена размером метр на метр, принципиальных проблем здесь нет. Это вопрос рынка: есть ли на это спрос.

Одна из компаний, работающих с LG, пытается использовать графен в качестве барьера для влаги. Сейчас с помощью технологии непрерывного роста они могут получать непрерывную графеновую ленту шириной 20 сантиметров. При такой технологии образующуюся ленту просто подрезают на выходе. Следующая их цель — сделать ленту шириной полметра.

— Пять лет назад вы опубликовали одну из первых статей, посвященных графеновым транзисторам. Удалось ли вам создать «чистый» графеновый транзистор без добавлений каких-то примесей, или это пока нельзя реализовать?

— Графеновые транзисторы существуют, но из-за того, что у графена нет запрещенной зоны, они работают не так хорошо. Поэтому мы попытались придумать, как этой проблемы избежать. Для этого мы сделали гетероструктурные транзисторы. Я думаю, что полупроводниковая промышленность заинтересована в подобных материалах, но будут ли именно они использоваться или нет — я не знаю, поскольку эта технология слишком сильно отличается от той, которая используется в традиционных транзисторах.

С другой стороны, мы опубликовали нашу статью, а буквально через полгода Samsung опубликовал в том же журнале статью об очень похожем транзисторе. Но он был на порядок проще, чем наш туннельный транзистор. Наши устройства без графена работать не будут, а с графеном они работают, и их можно сделать, но вопрос, готова ли технология к тому, чтобы это использовать.

Из всех этих применений, которые появились за все эти годы, какое применение было на ваш взгляд самым странным (вот недавно, например, из оксида графена сделали фильтр для виски), а какое — таким, о котором вы подумали: черт, жаль, что это сделали не мы?

Вообще у графена применений много, но пока не все они интересны. В данный момент все пытаются просто заменить другой материал графеном. Получается чуть-чуть лучше, но и только. Гораздо интереснее было бы создавать принципиально новые приборы, используя всю комбинацию уникальных свойств графена. Мы сделали, например, контактные линзы, которые могут менять фокус. Для этого нам нужен прозрачный, проводящий, гибкий и прочный материал. И это именно графен, другого такого материала нет. Поэтому мы пытаемся искать для графена такие применения, которые без него в принципе были бы невозможны. Очень легко взять графен и засунуть вместо чего-то другого, а вот придумать ему новое применение не так просто.

— А эта технология с линзами уже выходит на промышленное производство или еще нет?

— Нет, далеко еще не выходит, этим нужно заниматься. Мы все-таки ученые, мы можем показать, продемонстрировать, что это возможно. А дальше кто-то должен развивать эти технологии. Развитие технологий — это так же сложно и так же долго, как и исследования в лаборатории, если не дольше.

Во время своего выступления на конференции вы говорили про применение графена для военной авиации и создания стелс-технологий. Такие технологии тоже уже существуют?

Активно над такими технологиями работают китайцы. В Китае есть институт Beijing Institute of Aeronautical Materials, который занимается всеми материалами для китайской авиации. Я с ними общаюсь, но они далеко не все мне рассказывают. Они, в частности, наши материалы проверяют на возможность использования для стелс-технологий, но при этом проверяют и свои материалы и не всегда рассказывают нам что лучше. У них есть очень хорошие разработки по сверхсплавам, которые они используются для лопаток турбин. В одну часть турбины ставятся титановые сплавы, в другую — суперсплавы. Добавление графена сильно улучшает характеристики таких сплавов. В Китае ходят слухи, что какие-то самолеты уже с ним летают. Я не знаю. Но то, что они туда добавляют графен, и свойства меняются в лучшую сторону, это правда — мы участвовали в тестировании.

Графен против нанотрубок

Графен является не единственной низкоразмерной модификацией углерода. Кроме него, существуют углеродные нанотрубки, в которых графеновый слой свернут в однослойную или многослойную трубку, фуллерены — молекулы, в которых атомы углерода располагаются по вершинам усеченного икосаэдра, — или более необычные пентаграфен или фаграфен. Подробнее о самых интересных формах углерода вы можете прочитать в нашем материале.

— Вы, наверняка, знаете про компанию «Оксиал» в Новосибирске, которая делает одностенные нанотрубки в каких-то огромных количествах. На своем сайте они предлагают купить сто грамм нанотрубок примерно за 50 тысяч рублей. То есть их уже научились производить довольно много и довольно дешево.

— Я не уверен, что это дешево.

— По крайней мере, более-менее доступно. Вы можете объяснить читателям, чем отличается графен от углеродных нанотрубок с точки зрения их возможного применения?

— Нанотрубка — это свернутый в трубку графен. Это одномерный объект, а графен — двумерный. В зависимости от применения, вам лучше использовать либо одно, либо другое. Например, если нужно сделать транзистор, то по современной технологии надо сначала получить сплошную поверхность, и потом из нее вырезать транзистор. С нанотрубками это сделать гораздо сложнее.


Структура одностенной углеродной нанотрубки. Wikimedia commons

— А можно ли сделать те же RFID метки не на графене, а на нанотрубках?

— Я думаю, что это было бы гораздо дороже. И я не уверен, что оно бы так же хорошо работало. Потому что для этих меток очень важно получить низкое сопротивление. Я думаю, что с использованием графена это получается лучше. Наверное, это в принципе возможно, но будет дороже и хуже.

— Есть такая мечта (кажется, об этом говорил Обама), что очень хочется получить краску, которой можно было бы покрасить, например, дом и превратить его таким образом в солнечную батарейку.

— Да, такими проектами мы как раз занимаемся.

— И что мешает создать реальную технологию?

— В лаборатории это уже существует, но от лаборатории до реальных технологий нужно очень-очень долго идти. Встают вопросы цены, технологичности их нанесения и эффективности. И на каждый из этих сложных технологических вопросов нужно поставить по 10 человек, чтобы они помогали решать их в течение 2-3 лет. Давайте я вам вопрос задам. Вы представляете себе компьютер? Там есть микропроцессор. Эти микропроцессоры делаются из кремния на заводах. Представьте: на заводы приходит тоненькая пластина, там стоят разные станки, на которых выполняются разные операции. Как вы думаете, за какое время из пустой пластины будет сделан микропроцессор?

— Сутки? Месяц?

— Три месяца. От одного до трех месяцев. Это только для того, чтобы сделать один микропроцессор. А эту технологию еще нужно отточить, и каждый эксперимент занимает три месяца. Так что разработка технологии — это очень сложный процесс. А люди этого не понимают. Для людей современная технология — это добавить кнопку в Фейсбуке. Я ничего плохого не могу сказать про big data, но все-таки нужно понимать, что такие технологии за один день не рождаются. Это годы упорного труда.

— А вы уверены, что такие краски, если они появятся, будут именно на графене, а не на нанотрубках, например?

— Они конечно, появятся, но на чем они будут работать — не знаю. Я сегодня говорил, что мы создали Институт графена, но исследовать в нем только графен — неправильно. Нам нужно двигаться куда-то дальше. Разумеется, я надеюсь, что в своей жизни смогу придумать еще какой-то материал, который будет более интересен, чем графен. Но, если честно, это вряд ли произойдет. Графен — это только шестиугольники из углерода, проще некуда. Как правило, что-то простое всегда работает. Но надежда всегда есть. Поэтому я не знаю, будут ли, например, краски сделаны из графена или из чего-то еще. Мы чему-то научились с этим материалом, графен открыл дорогу многим другим двумерным материалам. И сейчас мы в основном сфокусированы на других двумерных материалах.

Двумерные материалы

Сейчас ученые могут получать двумерные кристаллы, которые по своим электронным свойствам от графена сильно отличаются. Это могут быть полупроводники, сверхпроводники, изоляторы или ферромагнетики. Например, нитрид бора, ближайший структурный аналог графена, является изолятором. А полупроводниковые двумерные кристаллы обычно получают из халькогенидов переходных металлов (в основном, это сульфиды и селениды вольфрама и молибдена). Наиболее популярным среди них сейчас является сульфид молибдена, но существует и большое количество других соединений с разной шириной запрещенной зоны. Большая часть из них работает в ультра-фиолетовой области, поэтому наиболее перспективным материалом для будущих телекоммуникационных технологий считаются материалы на основе двумерного теллурида молибдена, который работает в той же области длин волн, что и кремниевая электроника.

— Вы можете назвать три главных конкурента графена среди этих двумерных материалов?

— Они все разные, и они не конкуренты, они друг друга дополняют. Например, для солнечной батареи вам нужен материал, который хорошо поглощает солнечный свет. Графен все-таки не такой, он прозрачный. Поэтому для этого мы используем те материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, например, дисульфид молибдена. Я рассказывал про относительно новый материал теллурид молибдена, который мы хотим использовать в кремниевой фотонике. Такие работы уже есть, но пока это только экспериментальные работы. После них должен последовать рост в технологиях, а в технологии можно споткнуться и на ерунде. Вот, например, будет температура отличаться от нужной на 10 градусов. Чтобы получить нужный материал, нам нужно на 10 градусов больше, а на производстве — на 10 градусов меньше. И это никак не изменить.


Структура двумерного кристалла дисульфида молибдена. Wikimedia commons

— Почему-то дисульфид молибдена в прессе встречается достаточно редко и не приобрел такой статус, как графен. Хотя по многим параметрам он обходит его.

— Просто графен — это все-таки уникальный материал. Он очень простой, и при этом обладает набором уникальных свойств. В случае графена с помощью очень простой модели можно получить очень красивый результат. Но как такой результат будет потом использоваться в применениях, я не знаю. Но то, что в графене очень симпатичная физика — это доказано.

— В дисульфиде молибдена, получается, менее симпатичная?

— Нет, там тоже есть очень красивые эксперименты, но они немножко более сложные. Например, недавно там был очень красивый эксперимент по контролированию квантового состояния экситона. Там тоже можно много чего сделать. Но это немного сложнее и менее интуитивно понятно, поэтому широкая публика об этом мало что знает.

— А можно ли как-то предсказать, какой именно двумерный материал будет обладать какими-то интересными свойствами? И связаны ли свойства этого двумерного материала со свойствами трехмерного кристалла?

— Они часто связаны, но определенные отличия есть. Свойства можно пытаться предсказать, но вопрос, насколько эти предсказания будут точны. Сейчас есть много проектов (по-английски это называется «material genomics»), в которых люди с помощью расчетов смотрят на какие-то материалы и пытаются предсказать их свойства. Сейчас уже существует довольно большое количество материалов, которые можно получить. И исследовать их все экспериментально очень сложно. Поэтому мы очень сильно стараемся развить теорию.

— То есть какой-то однозначной связи между свойствами трехмерного кристалла и одноатомной пленки нет?

— Она есть, и до какой-то степени свойства двумерных кристаллов можно предсказать, но не на сто процентов.

— И как вы сужаете круг «подозреваемых»? Чисто теоретически? Используете ли вы какие-то алгоритмы?

— Я этим не занимаюсь, но есть люди, которые этим занимаются, и я читаю их статьи. Я думаю: «А вот здорово было бы исследовать, например, двумерные ферромагнетики. Давайте поищем, что сейчас существует, и сделаем». То есть, теоретики предсказывают, а мы выбираем из их предсказаний то, что нам интересно. Иногда мы сами выдумываем, что бы такого интересного попробовать, и пробуем более-менее наугад.

— Михаил Кацнельсон говорил, что за 50 лет теоретического изучения графена, когда самого графена еще не было, было получено теоретических знаний в 10 раз меньше, чем за пять лет после его получения. Возникает вопрос, а зачем тогда нужны физики-теоретики? Они предсказали, что графен не может существовать. Как вот вы, например, взаимодействуете с теоретиками?

— Взаимодействие экспериментаторов и теоретиков очень важно. Есть проекты, где лидируют теоретики, где они нам подсказывают эксперименты. Есть проекты, где я придумываю эксперимент, потому что мне кажется, что система должна вести себя определенным образом.

— Вы можете привести самый яркий пример вот такого эксперимента?

— Это сложно. Практически все наши проекты проходят в коллаборации с теоретиками. Какие-то очень простые вычисления я и сам могу сделать, по каким-то мне приходится общаться с теоретиками, математиками. Например, проблема экситонов во всех новых двумерных материалах — довольно-таки сложная. Чтобы рассчитать все возможные переходы, мы общаемся с теоретиками.

— А все эти двумерные кристаллы — это обязательно одноатомные пленки? Или это может быть двухатомный или трехатомный слой? В какой момент у такого материала теряются его уникальные двумерные свойства, и графен становится графитом?

— Это всегда вопрос. Один слой ведет себя совершено не так, как два. По электронной структуре это очень здорово видно. А два слоя ведут себя не так, как три. При этом три слоя можно еще и составить по-разному. Можно вот так, а можно вот так (показывает на пальцах разные ориентации одного слоя относительно другого — прим. N+1). И они себя тоже ведут по-разному. Это сложно сказать, и я не уверен, что есть смысл проводить такую градацию. В зависимости от применения иногда нужно иметь один слой, иногда два, иногда три, иногда пять. Это зависит от конкретного приложения.

Многослойные пироги

Объединив несколько одноатомных слоев разного состава в многослойные гетероструктуры, можно получить сложные функциональные устройства, состоящих из нескольких элементов, выполняющих разные функции: например, для кодирования, в качестве транзисторов или солнечных батарей. Чтобы получить такие сложные многослойные структуры, студентам из группы Константина Новоселова приходится атом за атомом помощью вандерваальсовых пинцетов составлять нужный двумерный кристалл. В результате один слой нужного состава можно составить примерно за полдня, а на сборку некоторых сложных гетероструктур уходит до полутора недель.

— Вы много изучаете гетерогенные многослойные структуры. За счет чего вообще такие структуры возможны? Почему один слой с другим связывается? Это только сила Ван-дер-Ваальса?

— Да, это только сила Ван-дер-Ваальса.

— Разве эти силы не больше обычных сил Ван-дер-Ваальса?

— Нет, это те же самые силы Ван-дер-Ваальса. Они довольно-таки сильные. Но не бесконечно сильные, поэтому иногда мы видим, что, например, слои сами по себе поворачиваются. С одной стороны, это не очень хорошо, потому что эти повороты иногда ломают контакты или еще что-то. А с другой стороны, мы можем попробовать использовать это в полезных целях. Можно представить эту систему как наномоторчик, который мы можем заставить поворачиваться на микро— и наноуровне. И это само по себе будет интересно.


Структура гетерогенного кристалла, составленного из слоев различного состава. K. S. Novoselov et al./ Science, 2016

— И такое взаимодействие будет возникать между любыми слоями?

— Нужны атомарно плоские слои, а сила притяжения зависит от их химического состава. Между каким-то слоями взаимодействие лучше, между какими-то — хуже. Мы, в основном, работаем с таким, где сильное взаимодействие.

— А предсказать свойства такого многослойного пирога — это пока тяжелая задача?

— Да, это всегда очень сложно понять. Эта система сама по себе очень сложная. Как нас учили на физтехе, всегда нужно найти малый параметр и им пренебречь. И нужно определить, каким именно параметром можно пренебречь в конкретном случае. Это наша задача, экспериментаторов. Мы пренебрегаем, и смотрим, получается ли в этом случае описать поведение системы. Если нет, то начинаем этот параметр учитывать. Это сложный итерационный процесс изучения новых материалов.

Александр Дубов