Графен формула химическая – новые методы получения и последние достижения • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика

Графен Википедия

Графен
Graphen.jpg
Graphene filters.jpg
Общие
Наименование Графен
Традиционные названия Монослой графита
Методы получения Механическое расщепление[1]
Структура
Кристаллическая структура Гексагональная решётка[1]
Постоянная решётки 0,246 нм[2]
Химические свойства
Химическая формула Cn
Известные соединения (CH)n, (CF)n
Электронные свойства
Эффективная масса электронов 0 me[3]
Эффективная масса дырок 0 me[3]
Зонная структура
Проводящие свойства Полуметалл
Ширина запрещённой зоны 0 эВ[3]

Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость слоистого графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью[4] и рекордно большой теплопроводностью[5]. Высокая подвижность носителей заряда, которая оказывается максимальной среди всех известных материалов (при той же толщине), делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники[6] и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Один из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий[7][8] основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другие известные способы — метод термического разложения подложки карбида кремния[9][10] и xимическое осаждение из газовой фазы — гораздо ближе к промышленному производству. С 2010

ru-wiki.ru

Графен — Вікіпедія

Графен — це окремий атомний шар зі структурою графіту

Графе́н — одна з алотропних форм вуглецю, моноатомний шар атомів вуглецю із гексагональною структурою. Графен був відкритий в 2004 Андрієм Геймом та Костянтином Новосьоловим із Манчестерського універстету. За це відкриття Гейм та Новосьолов були нагороджені Нобелівською премією з фізики за 2010.

Основною особливістю чистого графена — двовимірної модифікації вуглецю — є відсутність у ньому забороненої зони, ширина якої дорівнює нулю[1].

Загальна характеристика[ред. | ред. код]

Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар у структурі графіту — атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з міжатомною відстанню 0,142 нм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладці. Більше того, графен був отриманий також без підкладки у вільному підвішеному стані, розтягнутий на опорах.

Гейм і Новосьолов отримали графен, здираючи графіт з підкладки шар за шаром. Їм уперше у світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.

Тоді ж Гейм із співробітниками запропонували так званий балістичний транзистор на базі графену. Графен відкриває перспективи створення транзисторів й інших напівпровідникових приладів з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів). Зменшення довжини каналу транзистора приводить до зміни його властивостей. У наносвіті підсилюється роль квантових ефектів. Електрони переміщаються каналом балістично, як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень й, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.

Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найперспективніших матеріалів для наноелектроніки.

Особливістю графену є його зонна структура із законом дисперсії, що за формою є аналогічним закону дисперсії релятивістських квантових частинок. Елементарні збудження в графені описуються рівняннями аналогічними рівнянню Дірака.

Оскільки з моменту одержання графену пройшло небагато часу, його властивості поки що вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів вже є.

Електронні властивості[ред. | ред. код]

За своїми електронними властивостями графен відрізняється від тривимірного графіту. Його можна охарактеризувати як напівметал, або ж як надпровідник із нульовою шириною забороненої зони. Зона провідності та валентна зона графену змикаються, але не в центрі зони Брілюена, а в особливих точках на її краях. Цих точок шість, вони попарно еквівалентні, їх називають точками Дірака. Як наслідок, зони непараболічні, ефективна маса носіїв заряду дорівнює нулю. Наближене квантове рівняння руху, що описує електронні збудження в графені, має форму, схожу на релятивістське рівняння Дірака. Закон дисперсії поблизу точок Дірака задається рівнянням

E=vFkx2+ky2{\displaystyle E=v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}}},

де E{\displaystyle E} — енергія збудження, vF{\displaystyle v_{F}} — швидкість Фермі, kx{\displaystyle k_{x}} та ky{\displaystyle k_{y}} — компоненти хвильового вектора.

Така зонна структура цікава для фізиків, оскільки відкриває перспективу моделювання релятивістських ефектів при швидкостях, набагато менших від швидкості світла. Роль швидкості світла грає в графені швидкість Фермі vF{\displaystyle v_{F}}, яка в 300 разів менша.

Транспорт[ред. | ред. код]

Теоретично графен має нульову густину станів в точках Дірака, які відповідають рівню Фермі при нульовій температурі, тож не повинен проводити електричний струм. Однак, практично, він має провідність, порівняну за величиною зі значенням 4e2/h{\displaystyle 4e^{2}/h}, де e{\displaystyle e} — елементарний електричний заряд, h — стала Планка. Причина провідності досі остаточно не з’ясована. Можливо, носії заряду потрапляють на графен із підкладки, або ж причиною появи носіїв заряду є коругована поверхня матеріалу, при якій носії заряду перерозподіляються, а, можливо, причиною є домішки.

Для підвищення провідності у графен додають контрольовані домішки.

Оптичні властивості[ред. | ред. код]

Попри те, що графен моноатомний шар, він не зовсім прозорий. Здатність графену поглинати світло в оптичному діапазоні не залежить від довжини хвилі й дорівнює πα{\displaystyle \pi \alpha } ≈ 2,3%, де α{\displaystyle \alpha } — стала тонкої структури, фундаментальна константа, що має важливе значення в квантовій електродинаміці[2]. Попри те, що графен досить прозорий, його все ж таки можна бачити, коли графен лежить на поверхні кремнієвих підкладок. Це пов’язано з тим, що на поверхні цих підкладок є тонкий шар оксиду кремнію SiO2 — близько 300 нм, у цьому шарі між графеном та неоксидованим кремнієм виникає інтерференція світла, як наслідок графен можна бачити навіть у звичайний мікроскоп. Саме так графен було вперше виявлено. Пізніше було доведено, що кремнієві підкладки з оксидованим шаром завтовшки 90 нм дають навіть кращий контраст[3].

Незвичайні оптичні властивості графену пояснюються його зонною структурою — ширина забороненої зони дорівнює нулю і зона провідності та валентна зона не параболічні, як для електронів у більшості твердотілих матеріалів, а конічні.

Теорія[ред. | ред. код]

У загальному випадку дійсна частина динамічної провідності визначається формулою:

GR=πe2ωv(ω)2D(ω)[f(−ℏω2)−f(ℏω2)], {\displaystyle G_{R}={\frac {\pi e^{2}}{\omega }}v(\omega )^{2}D(\omega )\left[f\left(-{\frac {\hbar \omega }{2}}\right)-f\left({\frac {\hbar \omega }{2}}\right)\right],\ }

де v(ω)− {\displaystyle v(\omega )-\ } матричний елемент швидкості переходу з поглинанням фотона, D(ω)− {\displaystyle D(\omega )-\ } густина станів в графені, :f(E)=1exp⁡(E/T)+1 {\displaystyle f(E)={\frac {1}{\exp(E/T)+1}}\ } статистичний розподіл Фермі-Дірака, E− {\displaystyle E-\ } енергія, T− {\displaystyle T-\ } температура та ω− {\displaystyle \omega -\ } частота фотона.

Для графену густина станів приблизно дорівнює:

D(ω)≈ℏωt2a2 {\displaystyle D(\omega )\approx {\frac {\hbar \omega }{t^{2}a^{2}}}\ },

де t− {\displaystyle t-\ } енергія переносу збудження з одного вузла на інший (близько 3 еВ), а a− {\displaystyle a-\ } міжатомна віддаль (близько 1.42 Ǻ).

v(ω)≈vF≈taℏ {\displaystyle v(\omega )\approx v_{F}\approx {\frac {ta}{\hbar }}\ },

де vF− {\displaystyle v_{F}-\ } швидкість Фермі в графені.
Добуток ta{\displaystyle ta} можна оцінити з співвідношення невизначеності:

ta≈0.5h {\displaystyle ta\approx 0.5h\ }.

Таким чином, граничне масштабне значення для універсальної динамічної провідності буде визначатися тільки через фундаментальні сталі:

G0=e24ℏ {\displaystyle G_{0}={\frac {e^{2}}{4\hbar }}\ }.

Дане значення і було підтверджене в дослідах Кузьменка[2] в діапазоні енергій фотонів від 0.1 до 0.2 еВ.

Оптична проникність графену може бути подана для одноатомного шару у вигляді:

Topt=1(1+2πG0c)2=1(1+0.5πα)2≈0.977{\displaystyle T_{opt}={\frac {1}{(1+{\frac {2\pi G_{0}}{c}})^{2}}}={\frac {1}{(1+0.5\pi \alpha )^{2}}}\approx 0.977},

де c− {\displaystyle c-\ } швидкість світла. Тобто вона повністю визначається безрозмірними фундаментальними величинами.

В загальному випадку наявності декількох шарів:

1−Tn≈nπα {\displaystyle 1-T_{n}\approx n\pi \alpha \ },

де n=1,2,3,…{\displaystyle n=1,2,3,…} число одноатомних шарів графену у зразку.
Для наглядності Нейр[4] використовував в своїх зразках плавний перехід від одноатомного до двоатомного графену, і з точністю до кількох процентів підтвердив описану теорію.

Дослідження в Україні[ред. | ред. код]

Ще наприкінці 1980-х років член-кореспондент НАН України Володимир Литовченко зі співробітниками (Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України) досліджував появу забороненої зони в деформованих ультратонких графітових плівках (які тепер прийнято розглядати як багатошаровий графен).

Співробітники Інституту теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАН України Валерій Гусинін і Сергій Шарапов передбачили в 2005 р. незвичайний цілочисельний квантовий ефект Холла в графені. Експериментальне спостереження цього ефекту стало прямим доказом безмасового характеру електронів і дірок у графені. В. Гусинін і С. Шарапов також теоретично передбачили низку інших важливих ефектів, які зокрема можуть мати застосування в опотелектронних пристроях на основі графену. Академік Вадим Локтєв з цього ж інституту досліджував зонний спектр графену і паредбачив появу в ньому енергетичної щілини в разі наявності дефектів у ґратці.
Група дослідників з Інституту напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАНУ вивчає графен з огляду на його напівпровідникові властивості. Керівник групи — професор, лауреат Державної премії України В’ячеслав Кочелап[5]. Федір Васько і Максим Стріха з цього інституту є авторами низки робіт з фізики нерівноважних носіїв у графені, М. Стріха досліджував також явища, що відкривають можливість створення швидкодійної енергонезалежної пам’яті та бістабільних оптичних систем і модуляторів випромінювання інфрачервоного діапазону на основі графену на сегнетоелектричній підкладці.

Застосування графену[ред. | ред. код]

Перспективи в електроніці[ред. | ред. код]

На основі графену вже створено надчутливі сенсори (можуть виявляти присутність одного електрона), біосенсори, мініатюрні конденсатори високої ємності, швидкодійні елементи енергонезалежної пам’яті нового покоління, модулятори випромінювання, прозорі сенсорні екрани з діагоналлю понад 80 см.[6] Обнадійливими є перші спроби застосування графену в медицині (зокрема при лікуванні пухлин). Фірмою ІВМ створено польові транзистори на основі графену зі швидкодією в 100 ГГц. Однак на перешкоді появі серійних графенових польових транзисторів, що могли б у перспективі масово замінити кремнієві, стоїть відсутність у графені забороненої зони, що робить його вольт-амперну характеристику (залежність провідності каналу від напруги на затворі) симетричною відносно нуля напруги і ускладнює отримання двох станів, які можна було б співвіднести логічним «0» та «1». Заборонену зону в графені намагаються індукувати в різний спосіб, використовуючи гідрогенізований графен (графан), флюорид графену, графенові нанострічки (зона виникає за рахунок додаткового квантування ще за одним напрямком), вводячи в графен дефекти і напруження. Однак в цілому це завдання ще задовільно не вирішене. З кожним роком все більше корпорації виявляють свій інтерес, і сфер, де можливе потенційне застосування графену, стає більше.

Використання в акумуляторах[ред. | ред. код]

Кілька компаній оголосили про лабораторні розробки нових акумуляторів на основі графену. Так, у листопаді 2017 року Samsung Electronics оголосила про розробку нових акумуляторів для смартфорнів, що можуть заряджатися всього за 12 хвилин, на відміну від звичайних, які заряджаються близько години-двох.[7]

Безпілотники[ред. | ред. код]

Британські вчені використали графен для побудови дрона Juno і у липні 2018 презентували його на виставці North West Aerospace Alliance. Завдяки новітньому матеріалу безпілотник може літати в грозу, оскільки, за словами розробників з Університету Центрального Ланкаширу (UCLan), що у Великій Британії, розряди блискавки просто розпорошаться по фюзеляжу. Також перевагами є менша вага дрона і захист від намерзання.[8]

  • Відеоінструкція, як зробити графен удома, була опублікована фахівцями Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона Полсона.[9]
  • Спільною групою вчених із США і Китаю була відкрита нова форма вуглецю, яка поєднує в собі міцність і пружність — це особливим чином скріплені між собою листи графена. [10]
  • У 2017 р. відкрито, що графен може генерувати за рахунок коливання атомів електроенергію[11]
  1. ↑ Новая физика, новые материалы. Нобелевские лауреаты создали прообраз графенового транзистора
  2. а б A. B. Kuzmenko, E. van Heumen, F. Carbone. and D. van der Marel. Universal dynamical conductance in graphite, Phys. Rev. Lett. 100, 117401 (2008).
  3. ↑ Making graphene visible[недоступне посилання з липень 2019]
  4. ↑ R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. 6 JUNE 2008 VOL 320 SCIENCE
  5. ↑ Українське «коріння» графену Архівовано 3 липень 2012 у Wayback Machine., «Ноосфера», 21 червня 2012
  6. ↑ КАК ГРАФЕН МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬ МОБИЛЬНУЮ ИНДУСТРИЮ?. Архів оригіналу за 15 квітень 2015. Процитовано 12 квітень 2015. 
  7. ↑ Владимир Скрипин. Специалисты Samsung Electronics разработали графеновый аккумулятор, который сократит время зарядки смартфонов впятеро – до 12 минут. ІТС. Процитовано 27 листопада 2017. 
  8. ↑ Завдяки графену в Британії створити безпілотник, що не боїться блискавок і має низьку вагу. Tokar.ua (uk-UA). 2018-08-21. Процитовано 2018-09-15. 
  9. ↑ http://radio24.ua/news/showSingleNews.do?objectId=46450
  10. ↑ Учені створили новий матеріал на основі вуглецю – міцний і пружний
  11. ↑ Архівована копія. Архів оригіналу за 1 грудень 2017. Процитовано 28 листопад 2017. 

uk.wikipedia.org

Оксид графена — первый двумерный материал, достигший стадии коммерческого применения – Наука – Коммерсантъ

текст Владимир Тесленко, кандидат химических наук

В последние два десятилетия обнаружены или синтезированы многочисленные новые формы углеродных наноматериалов, в том числе фуллерены, углеродные нанотрубки и графеновые слои. Они являются перспективными материалами для многих отраслей наноиндустрии, так как обладают уникальными электронными, электромагнитными, термическими, оптическими и сорбционными свойствами.

Графен — это атомы углерода, собранные в плоскую сетку из сочлененных шестиугольников [02]. Принципиально, что графен имеет именно одноатомную толщину.

Рис. 2 Схематичное изображение графена

Рис. 2 Схематичное изображение графена

Крупнейший производитель графена расположен в Китае. Это компания Ningbo Morsh Technology, основанная в 2012 году. В прошлом году она запустила крупнейшую в мире линию на 300?т/г. графена. Главным потребителем выступила родственная компания Chongqing Morsh Technology, которая использует графен для производства 2 млн шт/г. прозрачных проводящих пленок для мобильных телефонов.

Особенности оксидов графена

Термин «оксиды графена» еще не получил международной дефиниции. Под оксидами графена понимают частицы графена с присоединенными по краям или внутри углеродной сетки кислородсодержащими функциональными группами и/или молекулами. Номенклатура этих групп обширна: гидроксильные, фенольные, карбонильные, карбоксильные, арильные, эфирные, фосфорсодержащие и т.?п. Разновидностью являются оксиды графена, модифицированные полимерами, такими как полиэтиленгликоль, полиэфиры, поливинилы, полиакрилы и т.д. Еще одну группу оксидов графена составляют допированные соединения. В частности, известны оксиды графена, содержащие в своей структуре один или несколько атомов бора, азота, алюминия, фосфора, кремния, серы или же группы на их основе, например меламин, фосфин, силан, полисилоксан, сульфиды и т.д.

Самые красивые оксиды графена получаются при инкорпорации молекулами краун-эфиров [03]. Их в конце 2014 года по

www.kommersant.ru

новые методы получения и последние достижения • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика

Рис. 1. Графен (вверху), состоящий из атомов углерода, соединенных в виде проволочной сетки, — фундаментальный элемент для графита и фуллеренов. Графит (нижний левый рисунок), знакомый каждому в виде карандашного стержня, — это хрупкий материал, который можно представить как слоеный торт со слабо связанными листами графена. Когда графен сворачивается в трубку или сферу, то получаются фуллерены. Они подразделяются на цилиндрические, называемые углеродными нанотрубками (внизу в центре), и структуры в форме футбольного мяча (внизу справа), иногда называемые в честь их первооткрывателя шарами Бакминстера (buckyballs). Однако существуют и другие графитовые формы

Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?

На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10–10 м)!

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).

Рис. 2. Применение графена в качестве транзистора. Так как графен впервые был получен всего четыре года назад, то это вполне естественно, что в настоящее время пока еще нет работающих устройств на его основе, хотя список перспективных технологий довольно обширный. На рисунке приведен пример возможной реализации одноэлектронного транзистора на базе графена. Слева показана схема транзистора, состоящего из графеновых истока (source) и стока (drain), соединенных островком (island) из проводящего материала или из квантовой точки, шириной около 100 нм. Справа показан тестовый транзистор, изображение которого увеличено в 40 000 раз. Островок транзистора настолько мал, что способен уместить только один электрон в один момент времени. Если к островку подходят новые электроны, то они отбрасываются электростатической силой. Любой электрон из истока квантово-механически туннелирует (есть отличная от нуля вероятность его прохождения через энергетический барьер) к островку, после чего «исчезает», просачиваясь к истоку. Напряжение, приложенное к третьему электроду — затвору (не показан на микроснимке), — управляет входом и выходом электрона с островка, таким образом регистрируя либо логический 0 (на островке нет электрона) либо 1 (электрон на островке)

Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался.

На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.

Первая группа ученных — из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряли два вещества — олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА) (рис. 3b). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы (рис. 3c). После этого методом центрифугирования проводили отделение графена (рис. 3d).

Рис. 3. Графеновые листы, химически полученные из раствора. (a) Схематическое изображение графита, расслаиваемого молекулами серной кислоты, внедренными в межплоскостное пространство. (b) Изображение интеркалированного графита с внедренными молекулами ГТБА (синие сферы). (с) Обработка графита, помещенного в химический раствор, ультразвуком для формирования графеновых листов. В сосуде показан раствор, в котором находятся графеновые листы после центрифугирования. (d) Изображение графеновых «чешуек» размером несколько сотен нанометров, полученное атомно-силовой микроскопией. Из обсуждаемой статьи Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films

В тоже время вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — предложила другую методику для получения графена из многослойного графита — без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон. Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.

Рис. 4. Изображения графита и графена, полученные электронной микроскопией. (a) Графит, используемый для получения графена. Шкала — 500 мкм. (b) Графитовый осадок после центрифугирования. Шкала — 25 мкм. (c–g) Изображения графеновых листов, полученные просвечивающей электронной микроскопией при использовании разных растворителей. Шкала — 500 нм. Из обсуждаемой статьи Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite

Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей. Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.

Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.

Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии, которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.

Рис. 5. Изображение кристаллической решетки самого тонкого вещества на Земле. Длина масштабной линейки — 2 ангстрема

Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета. Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп, измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.

Рис. 6. (а) Схематическое изображение микрокамеры, «запечатанной» графеном. (b) Поперечный разрез микрокамеры с плотно прилегающей мембраной. (с) Изображение выгнутой мембраны при уменьшении внешнего давления по отношению к давлению газа внутри камеры. (d) Изображение вогнутой мембраны при увеличении внешнего давления. (e) Изменение глубины прогиба мембраны со временем. Самая маленькая глубина соответствует временному промежутку 71,3 часа, самая большая (175 нм) — 40 минутам с момента начала эксперимента (то есть после того как микрокамеру вынули из вакуума). Рис. из обсуждаемой статьи J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets

После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).

Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения — например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное — исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

Источники:
1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.
2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.
3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.
4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.
5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).

Александр Самардак

elementy.ru

Графен и его создатели. Справка

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом — преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев 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 г., он еще 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.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков. Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

ria.ru

«Материал будущего» графен оказался опасным

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что «материал будущего» графен, обещающий революцию во многих областях технологий, далеко не безопасен. Он может оказывать губительное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Графен — это материал с уникальными свойствами, многие связывают с ним будущее всей электронной индустрии. Графен прочнее стали, гибок, обладает высокой электропроводимостью, при этом состоит всего из одного слоя атомов углерода. Эти свойства привели к тому, что материал стали воспринимать как основу для множества будущих «прорывных» изобретений человечества.

Тем не менее, до недавнего времени серьезным изучением экологических последствий применения нового материала никто не занимался. После продолжительного исследования ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде пришли к выводу, что графен может быть опасен. 

Выяснилось, что при попадании материала в грунтовые воды гексагональная структура графена начинает разрушаться, микрочастицы довольно быстро теряют стабильность, разрушаются и значительного вреда принести не могут. А вот графеновое загрязнение поверхностных вод, в которых больше органики, а жесткость ниже, может оказаться гораздо более серьезным. Молекулярная структура графена такова, что острые выступы нано-частиц материала способны разрывать мембраны клеток живых организмов, что обуславливает его токсичность. Ученые призывают максимально тщательно изучить свойства графена до того, как его начнут активно использовать в производстве электроники.

Тем не менее, вряд ли это открытие остановят человечество от масштабного применения графена. Материал обладает настолько уникальными свойствами, что заменить его попросту нечем. Ни один сплав не может похвастаться такой теплопроводностью, выдающейся прочностью и максимальными из всех известных материалов электропроводящими качествами. Подвижность электронов в графеновых структурах в сто раз превышает показатель кремния, который в данный момент является основой практически всей электроники на планете.

По своим свойствам графен куда надежнее, чем сталь. Гаджеты будущего на его основе окажутся куда более устойчивыми к повреждениям, чем то, что мы имеем сейчас. Но и это еще не все — графен может в сто раз ускорить скорость доступа к Интернету, привести к революции в компьютерной индустрии, на несколько порядков увеличив мощность процессоров. Графен нашел применение в медицине, в укреплении старых зданий, в производстве электроэнергии и сотнях других областей.

Первыми графен получили в 2004 году, работая в Великобритании в Манчестерском университете, выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов. В 2010 году за свой вклад в изучение «материала будущего» они были удостоены Нобелевской премии.

Источник: Gizmag

hitech.vesti.ru

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *