Исследования монокристаллов графита обнаруживают сильную анизотропию его электропроводности: удельное сопротивление при прохождении тока поперёк атомных слоёв составляет около 3×10-1 Ом×см, а вдоль атомных слоёв - 7×10-5 Ом×см [3], т.е. удельная проводимость графита вдоль слоёв на четыре порядка лучше, чем поперёк слоёв.
Графит считается проводником – его проводимость всего на порядок хуже, чем у золота, серебра и меди. Но атомы в металлах упакованы весьма плотно, а в графите имеются огромные, по атомным меркам, промежутки между атомными слоями. Если допустить, что эти промежутки обусловлены ван-дер-ваальсовыми силами [1,2], то что мешает электронам двигаться в межслойных промежутках графита ещё свободнее, чем в металлах? Если же допустить, что атомные слои в графите держатся на p-связях (см., например, [3]), и что электронная проводимость графита обусловлена переходами p-электронов из одного атома в другой – то для таких переходов требовалось бы разрывать p-связи. Как ни слабы эти связи, а для их разрыва требовались бы напряжённости, превышающие некоторое пороговое значение – но, как и у металлов, у графита не наблюдается феномен пробивной напряжённости. В приложении к электропроводности графита, ничего не проясняет и зонная теория твёрдых тел [2] – которая, как обычно, лишь протоколирует значения подгоночных параметров, требуемые для согласия с экспериментом. Таким образом, мы не приходим к пониманию механизма электронной проводимости графита в рамках традиционных представлений.
Модель же электродинамического удерживания атомных слоёв в графите (см. выше) позволяет, на наш взгляд, внести некоторое понимание в этот вопрос. Свободные электроны не могут двигаться в межслойных промежутках графита «свободно», в соответствии с приложенной к образцу разностью потенциалов – поскольку свободные электроны испытывают там переменное поперечное электродинамическое воздействие из-за упорядоченных колебаний зарядовых разбалансов в атомных слоях. Свободный электрон, вошедший в межслойный промежуток графита, недолго останется свободным: он притянется к ближайшей свободной валентной связке «протон-электрон», у которой в тепловом бытии [5] находится протон, и будет велика вероятность того, что этот электрон включится в состав этой валентной связки – с освобождением электрона, бывшего в её составе прежде. Таким образом, продвижение «лишних» электронов в межслойных промежутках графита будет результатом «ротации кадров» между свободными и связанными электронами. Такая модель электронной проводимости в графите, аналогичная модели электронной проводимости в металлах [11], на наш взгляд, более реалистична, чем вышеназванные модели на основе традиционных подходов.
Интересно, что, согласно модели переходов p-электронов, продвижение электронов в графите происходило бы по атомным слоям, и на основе этой некорректной, на наш взгляд, модели был сделан вывод о том, что и одиночный углеродный атомный слой (графен) должен иметь высокую электропроводность – что открывало бы перспективы для использования графена в качестве проводника в устройствах наноэлектроники. Считается, что высокая электропроводность графена подтверждена на опыте – в пионерской статье [12] сообщается о наблюдении полевого эффекта в графене, т.е. управляемости тока, идущего сквозь образец, посредством изменения электрического потенциала подложки. Но, странным образом, авторы [12] умолчали о величинах токов, которые удавалось пропускать по их «тончайшим образцам, образованным всего одним, двумя или тремя атомными слоями ». Тонкие углеродные плёнки, состоящие из нескольких атомных слоёв, могли бы, по-видимому, пропускать электроны по межслойным промежуткам – посредством «ротации кадров» свободных и связанных электронов, как описано выше. В одинарном же углеродном атомном слое крайне затруднён такой механизм электронной проводимости, особенно если свободные валентности, с обеих сторон этого слоя, химически загрязнены – а это неизбежно при отсутствии выполнения экзотических условий вроде сверхвысокого вакуума. Поэтому мы полагаем, что в одинарном углеродном атомном слое возможен перенос электричества лишь с помощью связанных зарядов, т.е. с помощью зарядовых разбалансов [11] – подвижки которых могут происходить со скоростью света, ведь переноса вещества при этом не происходит. Мы сильно подозреваем, что авторы [12] имели дело именно с подвижками зарядовых разбалансов в графене – а сделали выводы об аномально больших подвижностях и аномально малых эффективных массах свободных носителей зарядов. Поэтому, на наш взгляд, не вполне корректен вывод авторов [12] о том, что графен, т.е. одинарный слой атомов углерода, «способен выдерживать токи с плотностью >108 А/см2 » - не следует думать, что этот вывод окажется справедлив для постоянного тока электронов.
Заключение.
Причину огромных, по атомным меркам, равновесных расстояний между атомными слоями в графите изящно объясняет вышеизложенная модель электродинамического удерживания. Эта модель построена на допущении о том, что каждая из двух сторон углеродного атомного слоя имеет «щетину» из свободных валентностей – чем во многом должны определяться химические и электрические свойства углеродных каркасов, в том числе нанотрубок, «матрёшек», «луковиц», и др.
Заметим, что модель электродинамического удерживания основана на концепции зарядовых разбалансов [7,5] – и, на наш взгляд, эта концепция в очередной раз подтвердила свою эвристическую силу.
Ссылки.
1. Л.Полинг. Общая химия. «Мир», М., 1974.
2. А.Р.Уббелоде, Ф.А.Льюис. Графит и его кристаллические соединения. «Мир», М., 1965.
3. Химия и периодическая таблица. Под ред. К.Сайто. «Мир», М., 1982.
4. С.С.Бацанов. Структурная химия. Факты и зависимости. «Диалог МГУ», М., 1976.
5. А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы – отличительный признак валентных электронов.
6. А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир». 2010.
7. А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы в «нейтральных» атомах.
8. А.А.Гришаев. Новый взгляд на химическую связь и на парадоксы молекулярных спектров.
9. Ю.А.Дядин. Графит и его соединения включения. Веб-ресурс https://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1092.html
10. Интеркаляция. Веб-ресурс https://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/048.pdf
11. А.А.Гришаев. Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества.
12. K.S.Novoselov, A.K.Geim, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, v.306, 22 Oct. 2004, p.666-669.