История физики ХХ века

В 1969 Бойл и Джордж Смит изобрели ПЗС-матрицу (сокр. "прибор с зарядовой связью"). ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования, обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды, происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов, и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно, тем выше итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении к выходным элементам матрицы.

За это изобретение они совместно были награждены в 1973 - Медалью Стюарта Баллантайна от Университета Франклина, в 1974 - Премией Морриса Либманна, в 2006 - Премией Чарлза Старка Дрейпера, в 2009 Нобелевской премией по физике "за разработку оптических полупроводниковых сенсоров -- ПЗС-матриц".

Бойл был исполнительным директором исследований Лаборатории Белла с 1975 года до отставки в 1979 году. После отставки он поселился в Новой Шотландии в городке Уолласе, и помог своей жене Бетти открыть картинную галерею, где жена выставляла свои пейзажи. Уиилард связал свою судьбу с Бетти еще в 1947 году. Сегодня у него четверо детей, десять внуков и один правнук. В 2009 году Уиллард и Бетти переехали в Галифакс.

Уиллард Бойл скончался 9 мая 2011 года.

Американский физик Джордж Элвуд Смит (George Elwood Smith) родился 10 мая 1930 года в Уайт-Плейнс, штат Нью-Йорк.

После службы в Военно-морском флоте США поступил в Пенсильванский университет, где в 1955 получил степень бакалавра. В 1959 в Чикагском университете получил степень доктора философии. Докторская диссертация Смита состояла всего из трех страниц. Позже о своей диссертации он говорил: "Коротка, но зато очень хороша!"

С 1959 до отставки в 1986 работал в Лаборатории Белла (Мюррей, штат Нью-Джерси), где проводил исследования по разработке лазеров и полупроводниковых устройств. За это время получил около 30 патентов и, в конечном счете, возглавил отдел по разработке интегральных схем.

В 1969 Бойл и Джордж Смит изобрели ПЗС-матрицу (сокр. "прибор с зарядовой связью"). ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования, обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды, происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов, и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно, тем выше итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении к выходным элементам матрицы.

За это изобретение они совместно были награждены в 1973 - Медалью Стюарта Баллантайна от Университета Франклина, в 1974 - Премией Морриса Либманна, в 2006 - Премией Чарлза Старка Дрейпера, в 2009 Нобелевской премией по физике "за разработку оптических полупроводниковых сенсоров -- ПЗС-матриц".

И Смит и Бойл были очень хорошими моряками и совершили вместе множество морских путешествий. После отставки Джордж вместе со своей женой Джанет плавал вокруг света на протяжении семнадцати лет. В 2003 году пришлось бросить хобби, так как состояние здоровья Джорджа ухудшилось. Сейчас он живет в Уоретауне в штате Нью-Джерси.

Прибор с зарядовой связью. Вторая половина Нобелевской премии 2009 года была присуждена Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту за изобретение прибора с зарядовой связью -- ПЗС (по-английски CCD -- charged-coupled device). Так называют полупроводниковое устройство, которое позволяет делать фотографии сразу же в цифровом формате: был световой поток -- и из него сразу же получился файл с изображением. Сейчас, когда цифровая фотография стала такой привычной, теряется ощущение того, насколько революционным оказалось это открытие. А ведь еще несколько десятилетий назад цифровая обработка фотографических данных, применявшаяся сугубо в научных исследованиях, была длительной и многошаговой. Изображение фиксировалось на пленку, проявлялось, печаталось, затем сканировалось, превращалось в файл и только затем обрабатывалось. ПЗС-матрица, которая, минуя все эти этапы, сразу же давала пригодное для обсчета цифровое изображение, резко упростила и ускорила весь процесс наблюдения и обработки данных.

Прибор с зарядовой связью стал возможен благодаря двум вещам: удивительному классу материалов, которые создала природа, -- полупроводникам, и смекалке исследователей, которые придумали, как в полной мере использовать их свойства. Бойл и Смит, будучи сотрудниками знаменитой лаборатории Bell Labs (на счету которой, кстати, уже семь Нобелевских премий, но которая, несмотря на это, решила в прошлом году прикрыть свою группу фундаментальных исследований), получили задание придумать эффективное полупроводниковое устройство для записи и считывания информации, в котором информация хранилась бы в виде микроскопических «облачков заряда». Цель этого задания -- составить конкуренцию другому подразделению той же Bell Labs, в котором уже полным ходом шла разработка элементов памяти на основе «магнитных пузырьков». При этом ни о какой светочувствительности речь пока не шла -- задача касалась только устройства для хранения и считывания информации.

В памятный день 17 октября 1969 года Бойл и Смит взялись за эту задачу и буквально в течение часа набросали на доске прототип требуемого устройства с зарядовой связью. Ключевым его элементом является простейшая МОП-структура («металл--оксид--полупроводник») -- слойка, состоящая из металлического слоя и слоя полупроводника, разделенного тонкой прослойкой изолятора, обычно оксида кремния (см. рис. 5). Полупроводник при этом выбирается такой, в котором главными носителями заряда являются не электроны, а «дырки», то есть полупроводник p-типа (простейшее введение см. на страничке Электрический ток в полупроводниках). К металлическому «пятачку» подходит электрод, и на него может подаваться нужное напряжение.

Рис. 5. Схема устройства простейшей МОП-структуры (рисунок И. Иванова)

Роль «бита» в таком устройстве должно играть облачко электронов. Однако хранить его в полупроводнике p-типа просто так не получится: «дырки» тут же набегут и «поглотят» все свободные электроны. Поэтому требуется создать небольшую область, в которой дырок будет очень мало, и одновременно сделать так, чтоб электроны никуда из этой области не разбежались. Оба этих требования удовлетворяются единым махом, если на металлический электрод подать положительное напряжение. Под действием возкникшего электрического поля дырки из-за своего положительного заряда уйдут прочь из небольшой зоны, расположенной прямо под электродом, а электроны -- наоборот, будут в ней «сидеть» и никуда не уходить. Образуется «ловушка для электронов», которая и хранит информацию. Если в ловушке есть электроны -- в ячейке записана «единичка», если нет -- «нуль».

Впрочем, тут же возникает вопрос: а как считывать эту информацию? Стоит только «отпустить» положительное напряжение, как электронное облачко исчезнет. Вот для этой цели Бойл и Смит и придумали новый метод передачи данных, названный зарядовой связью (рис. 6).

Пусть у нас есть ряд из МОП-структур -- этакая одномерная ПЗС-матрица. К каждой ячейке памяти подходят электроды; кроме того, имеются и вспомогательные, не информационные МОП-структуры, разделяющие ячейки памяти. При хранении информации на информационных ячейках подано нужное напряжение, а на вспомогательных -- нет. Затем разом на все соседние ячейки -- скажем, справа -- тоже подается нужное напряжение, и в результате каждая «ловушка для электронов» расширяется на две ячейки. Следующим шагом напряжение с исходных ячеек снимается, «ловушка для электронов» снова сжимается, но при этом она уже переместилась на шаг вправо, и все электроны послушно перетекают за ней. Таким образом, информация во всех ячейках памяти синхронно сдвинулась вправо. Так продолжается цикл за циклом, а на выходе из этой «линейки» стоит одно-единственное считывающее устройство, которое просто воспринимает приходящий на него заряд и выдает обычный цифровой электрический сигнал.

Рис. 6. Принцип работы зарядовой связи в ПЗС-матрице (изображение с сайта wikipedia.org)

Для двумерной ПЗС-матрицы принцип считывания аналогичен (см. рис. 7). Первым делом вся матрица синхронно сдвигается на один регистр вниз, затем с самой нижней линейки (и только с нее одной) считывается поступившая колонка битов так, как описано выше. После этого вся матрица снова сдвигается на один регистр вниз, с нижней линейки снова считывается информация, и так далее. В результате в очень компактной полупроводниковой конфигурации и с помощью одного-единственного устройства, детектирующего пришедший заряд, можно последовательно, строчка за строчкой, считать весь массив данных.

Рис. 7. Принцип считывания информации с двумерной ПЗС-матрицы (изображение сайта с ferra.ru)

До сих пор речь шла только о манипулировании ячейками памяти и считывании информации. Однако эту информацию вовсе не обязательно туда записывать -- она могла возникнуть там самостоятельно при облучении ПЗС-матрицы светом. Так получается потому, что полупроводник обладает еще одним уникальным свойством -- светочувствительностью. Световые фотоны, попадая внутрь полупроводника, порождают в нем пары электронов и дырок. Если такой процесс происходит в МОП-структуре, в пределах изначально пустой «ловушки для электронов», то электроны оседают в ней, а дырки уходят прочь. В результате с течением времени в ловушке накапливается заряд, примерно пропорциональный поглощенному световому потоку. Получается, что МОП-структура работает как светочувствительный пиксел с довольно большим диапазоном градаций яркости. И если теперь в процессе считывания устройство будет не просто детектировать отсутствие или наличие заряда в очередной ячейке памяти, но и сможет измерить накопившийся заряд, то у нас и получится самое настоящее оптическое изображение, записанной сразу в цифровом виде.

Конечно, современные ПЗС-матрицы значительно совершеннее, чем эта простейшая схема. Современная ПЗС-матрица умеет распознавать цвета, знает, как избежать переполнения «ловушек для электронов», да и сама она построена по усовершенствованной полупроводниковой технологии. Некоторые подробности можно найти в статьях Тенденции в цифровой фотографии, часть 3 и Сердце цифровой камеры: ПЗС-матрица.

Ну а что касается применений ПЗС-матриц, то они давно вошли в нашу жизнь в виде компактных цифровых фото- и видеокамер. Миниатюрные размеры ПЗС-матриц привели к революции и в медицинском деле, поскольку резко расширили как диагностические (например, при различных вариантах эндоскопии), так и оперативные возможности врача. Благодаря им развилась техника минимально инвазивной хирургии (лапароскопия). Кроме того, сейчас ПЗС-матрицы широко используются не только для детектирования оптического излучения, но и в других областях спектра, в частности они применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках. На основе ПЗС функционируют вершинные детекторы для регистрации элементарных частиц, рождающихся на современных коллайдерах. ПЗС матрицы стоят во всех современных телескопах, включая космические. Но началось всё именно с догадки Бойла и Смита о том, как хранить и последовательно передавать «облачка электронов» в полупроводнике.

Графен. Нобелевская премия 2010 года.

В 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. Их существование предсказали А.А.Бочвар и Е.Н.Гальперин в 1973 году. Открывшие фуллерены британец Гарольд Крото и американцы Роберт Керл и Ричард Смолли в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии. Название фуллерены получили от имени известного американского архитектора Букминстера Фуллера, использовавшего правильные пяти- и шестиугольники в сооружении куполов и сферических конструкций. 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).

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 ХХ 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.

Oдин 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».

Графеновая бумага. Новый материал на основе углерода, разработанный американскими учеными и получивший название графеновой бумаги, может оказаться не менее революционным изобретением. В работе, опубликованной в Nature, ученые из Северо-Западного университета в США под руководством профессора Родни Руоффа (Rodney Ruoff) сообщили о синтезе нового материала на основе графена, который может найти многочисленные применения. Ученым удалось получить т.н. графеновую бумагу, состоящую из нескольких слоев сшитых между собой листов оксида графена. У графена уникальные оптические, электрические, термические и механические свойства. Материалы на основе графена будут исключительно прочными и долговечными, уступая, возможно, лишь алмазу. Руофф и его коллеги провели реакцию окисления графита. Полученный оксид при добавлении воды образует суспензию оксида графена. При последующем удалении воды простым фильтрованием слои оксида графена формируют на фильтре диаметром в 5 дюймов (12,7 см) слой «бумаги» толщиной в 100 микрон. Напомним, что и обычная целлюлозная бумага получается аналогичным способом. Интересно, что американские ученые предложили и несколько способов регулировать свойства графеновой бумаги. Основным инструментом здесь является степень окисления графита. По мере увеличения степени окисления проводящий материал становится сначала полупроводником, а затем и диэлектриком. Это открывает большие возможности для создания различных электротехнических материалов, в том числе наносимых на стеклянные поверхности. Можно будет использовать графеновую бумагу при создании солнечных элементов и различных вариантов «электронной бумаги». Среди других возможных применений Руофф называет, в первую очередь, различные композиционные материалы, применяемые в авиации, автомобильной промышленности, строительстве.

Графемн (англ. graphene) -- слой атомов углерода, соединённых посредством spІ связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку, с постоянной решетки 0,246 нм. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5Ч10і Вт·м?1·К?1 соответственно). Важнейшей особенностью электронных свойств графена является нулевая эффективная масса носителей, как электронов, так и дырок, а также нулевая ширина запрещенной зоны. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ -- метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые] был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза -- из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

Получение графена. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году русскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова -- де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

Слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом тонкие слои графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

В литературе описан также химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу. Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD), рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, как показано в работе, можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

Существует также несколько сообщений, посвящённых получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность -- в первом случае качество плёнок выше. Та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Дефекты. Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Проводимость. Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO2), поэтому сейчас ведутся работы по получению свободновисящих плёнок графена, что должно увеличить подвижность до 2Ч106 смІВ?1c?1. В настоящее время максимальная достигнутая подвижность составляет 2Ч105 смІВ?1c?1; она была получена в образце, подвешенном над слоем диэлектрика на высоте 150 нм (часть диэлектрика была удалена с помощью жидкостного травителя). Образец с толщиной в один атом поддерживался при помощи широких контактов. Для улучшения подвижности образец подвергался очистке от примесей на поверхности посредством пропускания тока, который нагревал весь образец до 900 К в высоком вакууме.

Идеальную двумерную плёнку в свободном состоянии нельзя получить из-за её термодинамической нестабильности. Но если в плёнке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в третьем измерении), то такая «неидеальная» плёнка может существовать без контакта с подложкой. В эксперименте [65] с использованием просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные плёнки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5--10 нм и высотой 1 нм. В статье [66]было показано, что можно создать свободную от контакта с подложкой плёнку, закреплённую с двух краёв, образуя, таким образом, наноэлектромеханическую систему. В данном случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, то есть использовать в качестве высокочувствительного сенсора.

Подложка кремния с диэлектриком, на котором покоится] графен, должна быть сильно легирована, чтобы её можно было использовать в качестве обратного затвора, при помощи которого можно управлять концентрацией и даже изменять тип проводимости. Поскольку графен является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к затвору приводит к электронной проводимости графена, и напротив -- если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому в принципе нельзя обеднить полностью графен от носителей. Заметим, что если графит состоит из нескольких десятков слоёв, то электрическое поле достаточно хорошо экранировано, как и в металлах, огромным количеством носителей в полуметалле.

В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное напряжение равно нулю, не должно быть носителей тока, что, если следовать наивным представлениям, должно приводить к отсутствию проводимости. Но как показывают эксперименты и теоретические работы, вблизи дираковской точки или точки электронейтральности для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости, хотя величина минимальной проводимости зависит от метода расчёта. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно чистых образцов. В действительности все плёнки графена соединены с подложкой, и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что ведёт к пространственной неоднородности типа проводимости по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация носителей теоретически не меньше чем 1012 см?2. Здесь проявляются отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно отсутствует переход металл-диэлектрик.

Возможные применения графена. Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) 104 В·см?1·с?1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения предложена в статье и заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 мкм Ч 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. Теоретически исследовалось влияние различных примесей на проводимость графена. Было показано, что NO2 молекула является хорошим акцептором из-за своих парамагнитных свойств, а диамагнитная молекула N2O4 создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Ещё одна перспективная область применения графена -- его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для cвинцово-кислотных аккумуляторов (30?40 Вт·ч/кг)

Конденсат Бозе -- Эйнштейна.

Нобелевские лауреаты 2001 года добавили к четырем агрегатным состояниям вещества - плазме, газообразному, жидкому и твердому еще одно. Конденсат Бозе -- Эйнштейна -- агрегатное состояние материи, основу которой составляют охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю бозоны. В таком переохлаждённом состоянии большее число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Теоретически предсказан как следствие из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работы Шатьендраната Бозе, где строилась статистическая механика для фотонов. Будучи не в состоянии самостоятельно опубликовать работу, Бозе отослал ее Эйнштейну, который организовал перевод статьи на немецкий язык и ее публикацию в 1925 году. Кроме того, в своей статье Эйнштейн развил и обобщил теорию Бозе на случай частиц имеющих массу. (Примечательно, что рукопись этой работы Эйнштейна долгое время считалась утерянной и была обнаружена в библиотеке Лейденского университета в 2005 г.) Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе -- Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, как отдельные элементарные частицы -- фотоны, пионы и другие мезоны, так целые атомы, могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Это кардинально отличает их от фермионов, для которых по принципу Паули подобное запрещено. Эйнштейн показал, что охлаждение атомов -- бозонов до очень низких температур заставит их перейти или сконденсироваться в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества. Для того чтобы произошла конденсация Бозе-Эйнштейна, плотность атомов в фазовом пространстве n (выраженная в естественных единицах) должна быть больше некоторой величины порядка единицы. Данное условие может быть выражено также через длину волны де Бройля лD, которая должна быть достаточно большой, чтобы перекрываться с лD соседних атомов Таким образом, необходимо чтобы

n ? 2, 61 лD -3 = 2,61 p3 h-3

Переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц спина s и массы m, определяется соотношением:

Tc = 3.31 n2/3 h2 /m kB (2s+1)2/3

где: Tc - критическая температура, n - концентрация частиц, h - постоянная Планка, kB - постоянная Больцмана.

Предсказание Бозе-Эйнштейна конденсации не воспринималось слишком серьезно даже самим Эйнштейном, пока Фриц Лондон и Ласло Тиса не воскресили эту идею в середине 30-х годов как возможный механизм, объясняющий сверхтекучесть в жидком гелии-4. В их работе конденсация Бозе-Эйнштейна была использована для демонстрации квантовых свойств в макроскопических масштабах. Впоследствии подобные свойства были обнаружены в сверхпроводниках, сверхтекучем гелии-3 и в оптических квантовых генераторах - лазерах. Тем самым были реализованы макроскопические квантовые состояния трех типов.

Однако, первый «истинный» конденсат Бозе-Эйнштейна был получен семьдесят лет спустя после предсказании Эйнштейна в 1995 году. Это было сделано Эриком Корнеллом и Карлом Виманом в Университете штата Колорадо в лаборатории Boulder NIST-JILA. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 170 нанокельвин или -273.14999983°C. За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетсского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Конденсаты -- это чрезвычайно низкотемпературные жидкости со свойствами, которые в настоящий момент не до конца понятны. Данное явление является непосредственным проявлением законов квантовой механики, согласно которым система может получать энергию только дискретно. Если система находится при настолько низких температурах, что пребывает в наинизшем энергетическом состоянии, то она уже не в состоянии уменьшить свою энергию даже за счёт трения. В частности, жидкость без трения легко преодолевает гравитационное притяжение благодаря молекулярному сцеплению жидкости со стенками сосуда, и занимает наиболее выгодное положение -- вне сосуда.

Эрик Аллин Корнелл (Eric Allin Cornell)-- американский физик, родился 19 декабря 1961 года в Пало-Альто, (США) в семье профессора строительных наук в МТИ и учительницы английского языка. Изучал физику в Стэнфордском университете и после получения в МТИ в 1985 году диплома, работал в Кембридже -- городе, в котором он жил с двух лет. Работал в группе Дэйва Притчарда над определением массы іHe и 3H. В 1990 году защитил докторскую диссертацию. Интересно отметить, что после ухода Корнелла из МТИ в группу Притчарда пришёл Вольфганг Кеттерле, вместе с которым Корнелл разделил позднее Нобелевскую премию. Корнелл подал заявку на место постдока в группу Дэйва Винеланда в NIST, однако не получил одобрения. Вместо этого его порекомендовали в группу Карла Вимана, который работал в NIST в городе Болдер в штате Колорадо. После окончания двухлетней постдоковской стипендии он остался там работать ассистентом профессора. В 1995 году становится профессором, с 1994 года является членом NIST.

В 2001 году Корнелл получил Нобелевскую премию по физике. совместно с Вольфгангом Кеттерле и Карл Виманом «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе -- Эйнштейна в среде разряженных газов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов». После успешного получения конденсата Бозе-Эйнштейна занимается исследованием его свойств.

Член американского физического общества (1997), американского оптического общества (2000), национальной академии наук США (2000).

Награда имени Самюэля Уэсли Страттона, NIST, 1995. Премия имени Ньюкомба Кливленда, американская ассоциация содействия науке, 1995-96. Золотая медаль министерства коммерции, 1996. Премия имени Фритца Лондона в области физики низких температур, 1996. Премия Карла Цейса, Фонд Эрнста Аббе, 1996. Премия имени Алана Т. Ватермана от национального научного фонда, США, 1997. Премия Раби по атомной физике, молекулярной физике и оптике, американское физическое общество 1997. Медаль Лоренца, Нидерландская королевская академия наук, 1998. Медаль Бенджамина Франклина по физике, 1999. Премия Р. В. Вуда, оптическое общество США, 1999.

В 1995 году Корнелл женился на Целесте Ландри, с которой был знаком более 10 лет, ещё в Стэнфорде. У них две дочери -- Элиза и София.

В 2004 году ему ампутировали левую руку по причине заражения некротирующим фасциитисом. В 2006 году он снова приступил к работе.

Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) немецкий физик, родился 21 октября 1957года в Гейдельберге. Вольфганг Кеттерле был вторым ребёнком в семье из трёх детей. Закончил курсы подготовки к университету в гимназии имени Бунзена в Гейдельберге. В 1976 году приступает к изучению физики в Гейдельбергском университете. После преддиплома переходит в Мюнхенский технический университет, где начинает заниматься теоретической физикой. В 1982 году защищает диплом по теме «Релаксации спина в неупорядоченных материалах» и переходит в институт квантовой оптики общества Макса Планка в Гархинге. Впоследствии переходит в Мюнхенский университет имени Людвига Максимилиана в группу Герберта Вальтера, где в 1986 году защищает диссертацию по теме «Спектроскопия гидридов гелия и трёхатомных молекул водорода». После пребывания в Гархинге Кеттерле возвращается в Гейдельберг, где на кафедре Юргена Вольфрума проводит исследования по моторам внутренного сгорания. В 1990 году он снова меняет область деятельности и переселяется в США, чтобы в группе Дэйва Притчарда работать над задачей лазерного охлаждения. В 1993 году он присоединился к физическому факультету МТИ, где до сих пор занимает кафедру физики, спонсируемую фондом имени Джона Мак-Артура.

Во время аспирантуры Кеттерле удалось доказать существование гидрида гелия (HeH) и впервые получить спектры этой молекулы. Во время постдоковской работы в Гархинге ему удалось, кроме того, полностью объяснить эти спектры. Позднее Герберт Вальтер описал его работу одним предложением: «Он создал новую область физики и сам же её убил».

В 1995 году Кеттерле был одним их первых, кому удалось создать конденсат Бозе -- Эйнштейна. В 1997 году он продемонстрировал атомный лазер. В 2001 году, совместно с Эриком Корнеллом и Карлом Виманом был удостоен Нобелевской премии по физике «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе -- Эйнштейна в среде разряженных газов щелочных металлов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов».

Другие награды: 1996 год- Стипендия Давила и Люси Паккард. 1997год- Премия имени Раби, Американское физическое общество. 1997год- Премия имени Густава Герца, Немецкое физическое общество. 1998 год- Награда журнала Дискавер за технические инновации. 1999 год- Премия имени Фритца Лондона по физике низких температур. 1999год- Премия имени Данни Хайнемана, Гёттингенская академия наук. 2000 год- Медаль имени Бенджамина Франклина по физике. 2002год- Федеральный крест заслуг (Лента и Звезда) ФРГ. 2004 год-Награда имени Киллиана МТИ.

В 1986 году Кеттерле женился на Габриелле Зауэр, с которой он был знаком ещё со школьной скамьи. У него три ребёнка -- Йонас (1986), Йоганна (1988) и Хольгер (1992)

Карл Виман (Carl Wieman) американский физик, родился 26 марта 1951 года в Корвалисе США. Карл Виман был четвёртым из пяти детей в семье Н. Орра Вимана и Элисон Виман. Детство провёл в Орегоне, США. Незадолго до того, как Виман перешёл в седьмой класс школы, семья переехала в Корвалис, с тем, чтобы позволить детям посещать более хорошие школы. Несмотря на то, что Корвалис насчитывает всего 25 тысяч жителей, в нём находится университет штата Орегон.

После окончания средней школы он становится студентом Массачусетского технологического института. После прохождения общего курса лекций он переходит в Стэнфордский университет на кафедру Теодора Хенша, у которого в 1977 году защищает диссертацию. После этого он работает в университете Мичигана в городе Энн Арбор и становится там в 1979 году ассистентом профессора. Здесь он знакомится с Сарой Гильберт, которая студенткой работала вместе с ним. В 1984 году он переходит в университет Колорадо и женится на Саре Гильберт, которая к тому времени уже тоже защитила диссертацию. В 1987 году он становится профессором физики в университете Колорадо.

В группе Хенша Виман занимался прецезионными измерениями длин волн спектральных линий водорода. Темой его диссертации было измерения лэмбовского сдвига уровня 1s, и изотопного сдвига перехода 1s-2s при помощи поляризационной спектроскопии. На основе своего опыта в области прецезионной спектроскопии он хотел занятся в Мичиганском университете измерениями нарушения чётности в атомах, предсказанного теорией электрослабого взаимодействия. Очень быстро он осознал, что для этих целей более подходит цезий, а не водород. Успешные измерения в 1985 года принесли ему признание научного сообщества. С 1984 года Виман занимался также лазерным охлаждением и лазерными ловушками. Сначала он интересовался этим только в связи с улучшением своего метода измерения. Однако вскоре он осознал, что таким образом можно исследовать поведение атомов при очень низких температурах и произвести конденсацию Бозе -- Эйнштейна. В 1995 году, совместно с Эриком Корнеллом, это ему удалось. За данный результат он был удостоен в 2001 году Нобелевской премии по физике (совместно с Эриком Корнеллом и Вольфгангом Кеттерле). Член национальной академии наук США (1995), американской академии искусств и наук (1998). Стипендия Гугенхейма, 1990--1991. Премия имени Е. О. Лоуренса по физике, 1993. Медаль Эйнштейна за лазерные науки от общества оптической и квантовой электроники, 1995 Премия Фрица Лондона по физике низких температур от международного союза теоретической и прикладной физики, 1996. Премия Ньюкомба-Кливленда от американской ассоциации по развитию науки, 1996. Научный приз фонда Бонфилс-Стаантона, 1997. Медаль Лоренца от королевской Голландской академии Искусств и Наук, 1998. Приз Шавлова за лазерные науки от американского физического общества, 1999. Медаль Бенджамина Франклина по физике от института Франклина, 2000.

Первые год-два эти эксперименты являлись шедеврами экспериментального искусства, и только в последнее время конденсат Бозе-Эйнштейна начал получаться в различных лабораториях мира - тогда-то и посыпался шквал экспериментальных и теоретических работ о всевозможных явлениях, связанным с ним. Эта лавина работ (и новых открытий!) продолжается и сейчас. Можно сказать, ученые наконец-то нашли долгожданную золотую квантовую жилу.

Вот некоторые из последних достижений в этой области:

Очень интересными оказались недавние эксперименты, проведенные в Университете Колорадо по завихрению конденсата Бозе-Эйнштейна. В силу своих квантовых свойств, вихри в конденсате могут, грубо говоря, вращаться только с определенной угловой скоростью, т.е. угловой момент такого вихря квантуется. Такие квантованные вихри, конечно, предсказывались теорией, однако создание подобных микроскопических квантовых обьектов вручную оказалось делом очень трудным. Дело в том, что здесь необходимо хирургически точное, выверенное воздействие на конденсат, не разрушающее его, и не привносящее лишнюю энергию (все-таки температура атомного сгустка составляет доли микрокельвина!).

В данных экспериментах таким микроскопическим скальпелем служил сфокусорованный лазерный луч. Экспериментаторы сначала получали конденсат Бозе-Эйнштейна атомов двух сортов, отличавшихся внутренним состоянием. Воздействуя на атомы одного сорта лазером поочередно в разных секторах атомного сгустка, ученые заставляли атомы второго сорта двигаться самостоятельно - возникал вихрь. После того, как внешнее воздействие прекращалось, вихрь продолжал вращаться со скоростью один оборот за 3 секунды. Это отвечало ровно тому минимальному значению углового момента, которое еще разрешается квантовой механикой.

Другая группа, на этот раз из MIT, проделала еще более простой (на первый взгляд) эксперимент - просто двигала сфокусированный лазерный луч сквозь сгусток атомов. Имея очень небольшую мощность, лазер просто вытеснял атомы из фокуса, делая «дырку» размером 13 мкм в БК шириной 45 мкм, и больше сам по себе никак на конденсат не воздействовал. Однако, когда эта дырка начинала двигаться через атомный сгусток, конденсат должен был ее обтекать - и тут-то и начинались интересные эффекты. При достаточно больших скоростях движения (v > 2 мм/сек), такое вынужденное движение атомов заставляло сгусток нагреваться. Явление вполне понятное - если вы погрузите какой-нибудь предмет в воду и начнете его там двигать, он будет заставлять воду двигаться, будет передавать ей часть своей энергии, и тем самым ее нагревать. Для атомного сгустка это должно приводить к частичному или полному разрушению бозе конденсата, т.е. переходу его в обычное несконденсированное состояние, что и наблюдалось в эксперименте. Однако, когда скорость движения дырки была меньше 2 мм/сек, никакого нагревания не происходило вообще. Это означало, что конденсат обтекал дырку когерентно, как единый квантовый объект, и никакой энергии ему не передавалось. Можно говорить, что при таких скоростях дырка не испытывает никаких сил вязкого трения со стороны конденсата (и конденсат со стороны дырки - тоже), явление знакомое ученым по поведению гелия-4 при очень низких температурах. По сути, это есть первое прямое наблюдение явления сверхтекучести в разреженном атомном конденсате Бозе-Эйнштейна.

Еще одним интересным классом экспериментов является наблюдение так называемого резонанса Фешбаха, также впервые произведенное в MIT. Оказывается, что в присутствии внешнего магнитного поля, меняется взаимодействие между атомами в конденсате Бозе-Эйнштейна, причем можно менять не только силу взаимодействя, но даже и то, будут частицы отталкиваться или притягиваться. Но в конденсате Бозе-Эйнштейна изменение микроскопических свойств приводит к качественным изменениям всего сгустка в целом. Оказывается, при определенном внешнем магнитном поле атомы начинают образовывать связаные состояния - своего рода молекулы. Они существуют в течение некоторого времени, затем распадаются опять - но в рамках всего атомного сгустка происходит качественное изменение: в каждый момент времени значительная часть атомов находится в состоянии молекул.