Чудеса в двумерном решете

Стило («щуп») микроскопа с атомом углерода на конце для выявления атомов бора и азота в графене (желтого и синего соответственно). Иллюстрации Physorg

Графит мягок и непрочен, что позволяет делать из него сердечник карандашей. При письме (нажиме) грифель слущивается слой за слоем, подобно ороговевшим чешуйкам кожи. На эти слущивающиеся слои как-то обратили Андре Гейм и Константин Новоселов, два физика с русскими корнями, работавшие в университете Манчестера (Англия). В 2010 году оба получили за открытие и изучение двумерных графитовых слоев (толщиной в одну молекулу) Нобелевскую премию по физике.

Исследователей поразила сотовая структура слоя, которая похожа на молекулу бензола. Но тот относится к ненасыщенным соединениям, поскольку в его молекуле имеются три двойных связи. Графен же – так назвали новый материал – все три связи «раскрыл», что позволило отдельным сотам соединиться в единое и плоское целое – толщиной всего в один атом углерода. 2D-материал обладает при этом сверхпроводимостью, показывая это удивительное свойство при обычных условиях.

Уже давно высказывалась мысль о том, что и кремний может давать сотовые структуры, за что и получил название «силицен». Однако в отличие от графена силицен не имеет идеальной гладкой поверхности. Виной тому – поверхностные выпячивания отдельных атомов.

В свое время англичанин Роберт Гук поразил членов Королевского общества – британской Академии наук – соединением двух линз Левенгука, разнесенных друг от друга с помощью картонного тубуса-трубки. Та линза, которая приближалась к исследуемому объекту, естественным образом получила название «объектив», та же, что к глазу-оку – окуляр. Прибор оказался революционным для своего времени, но обладал несовершенством в виде оптических нарушений (аберраций). Они были устранены лишь во второй половине ХIХ века.

Так родилась оптическая микроскопия. Но она имеет низкое разрешение: увеличение не более 100 раз. Обусловлено это слишком большой длиной волны видимого света, измеряемой сотнями нанометров. Совсем иное дело – волна электронная, длина которой в тысячи раз меньше. Это достижение также было отмечено Нобелевской премией. Но и это не удовлетворило пытливые умы, и следующую награду получили изобретатели сканирующего туннельного микроскопа: никаких линз – ни оптических, ни магнитных – не имеющего.

Молекула оксида углерода (СО) способствует выявлению неровностей поверхности силицена. Иллюстрации Physorg

Следующей модификацией подхода стал микроскоп атомной силы (AFM – Atomic Force Microscope). С его помощью можно определять атомы и их пространственное расположение. Для повышения разрешающей способности прибора исследования ведут при низкой температуре, чтобы уменьшить естественные температурные колебания атомов в образце.

Микроскоп атомной силы физики Базельского университета использовали для визуализации тех самых силиценовых «буклей», расположив на конце острия молекулу СО. Их статья в журнале «Труды АН США» (PNAS) называется «Количественное определение атомного буклинга силицена с помощью микроскопа атомной силы». О достоинствах такого подхода говорит тот факт, что ученым удалось определить шероховатость силиценовой поверхности, над которой отдельные атомы кремния выступали на доли ангстрема (0,1 нанометра)! Достоверность полученных экспериментальных данных была затем подтверждена с помощью компьютерного моделирования, проведенного в стенах мадридского Института материаловедения.

Важность проведенных опытов подчеркивается тем, что полупроводниковые свойства материалов определяются их структурой и добавками. Обнаруженные «букли» силицена обещают выявление новых неожиданных феноменов на квантовом уровне, например спинового эффекта. Немаловажно и то, что открывается следующая страница исследований 2D-материалов, которые обещают новый этап наноминиатюризации электронных схем и чипов. С точки зрения квантовой физики важно и выявление связи между структурой материалов и их электронными свойствами.