Графена свойства: что такое графен и где он применяется

Содержание

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

  • Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
  • В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
  • В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

  • 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
  • 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

Графен — Что такое Графен?

Свойства графена изучили учеными К. Новоселовым и А. Геймом за что в 2010 г. получили Нобелевскую премию.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в 1 атом.
Графит  — это уложенные друг на друга слои графена,  связанные между собой  слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, которые удалось разорвать. 

Графен обладает большой жесткостью, теплопроводностью и подвижностью заряда, что делает его перспективным материалом для использования в самых разных приложениях, особенно в области наноэлектроники.

Графен вместе с магнитными молекулами ( органические молекулы, в составе которых есть 1 или несколько ионов металла с неспаренными электронами) может стать строительными блоками для будущих квантовых компьютеров, обеспечивая сверхбыстрые и энергоэффективные вычисления.

Обработка информации связана со скоростью тактовой частоты.

Носители заряда у графена ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой, что позволит создать работающие на терагерцовых частотах устройства,что недоступно кремнию.  

Графен высокого качества экспериментально получен учеными К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 г., за исследования его свойств они в 2010 г. получили Нобелевскую премию.

Правда «скотч-метод», которым они получили графен далек от промышленного и позволял получить его только в малом количестве — для исследований. 


В 2015 г. британская Graphene NanoChem поведала о тестировании бурового раствора PlatDrill, который можно использовать при гидравлическом разрыве пласта (ГРП), и который на 25% более биоразлагаем, чем отраслевые требования. В 2017 г. Graphene NanoChem пописала контракт на поставку 4 000 баррелей PlatDrill на рынке сланцевого газа в Китае на сумму около 360 000 долл США. 


В 2017 г. о разработках с использованием графена заговорили в Газпроме, анонсировав намерение сотрудничать с институтами Российской академии наук (РАН) для разработки технологии хранение природного газа с использованием нанонопористого графена в качестве абсорбента.  


В июле 2019 г. ученые немецкого института в г. Карлсруэ заявил о получении графена из углекислого газа.

свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологии и нанокомпозитах – тема научной статьи по нанотехнологиям читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

УДК 661. 66: 620. 5

И. М. Булатова

ГРАФЕН: СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОКОМПОЗИТАХ

Ключевые слова: графен, свойства, получение, применение. нанотехнология, нанокомпозиты.

Статья посвящена уникальному материалу графену (модификации углерода), открытого в 2004 году выходцами из России Андреем Геймом (Andre K. Geim) и Константином Новоселовым (Konstantin Novoselov), ставшими за это открытие в 2010 году лауреатами Нобелевской премии в области физики.

Статья представляет собой экскурс по публикациям зарубежных и отечественных авторов, раскрывающих суть открытия, проблемы получения и перспективы использования графена, в частности, в нанотехнологии и нанокомпозитах.

Keywords: graphene, properties, production, application, nanotechnology, nanocomposites.

The paper regards graphene discovered in 2004 by a team (physicists Andre Geim & Konstantin Novoselov) out of the University of Manchester, who received the 2010 Nobel Prize in physics for their discovery of and research on this unique nanomaterial.

This paper provides an overview of recent advances in studying the structure, properties, production, application of graphene in nanotechnology and nanocomposites based on literary and Internet sources.

Способность углерода образовывать сложные цепи является фундаментальной для органической химии и основой для всех форм жизни на Земле, что позволяет считать его уникальным элементом Периодической таблицы Менделеева. .

До 2004 года были известны трехмерные (3 D, алмаз, графит), одномерные (1 D, нанотрубки) и нульмерные (0 D, фуллерены) аллотропные формы углерода. Двухмерные же формы углерода (или 2 D — графит) долго не удавалось получить экспериментальным путем согласно доводам Ландау и Пайерлса о том, что строго 2 D-кристаллы термодинамически неустойчивы [1].

Ранее предпринимались попытки вырастить графен или же выделить его с помощью метода химического отслоения, и только в 2004 году с помощью усовершенствованной техники микромеханического скалывания графен удалось получить совместными усилиями физиков из Манчестерского университета (Британия) под руководством Андре Гейма и Костантина Новоселова, используя обычную ленту — скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита.

Ученые основывались на том, что графен становится видимым в оптический микроскоп, если его поместить на поверхности кремниевой подложки с определенной толщиной слоя SiO2, и этот простой, но эффективный способ сканировать подложку в поисках кристаллов графена явился определяющим фактором их успеха [2].

Очевидно, что графен — одна из интереснейших модификаций углерода. Это самый тонкий материал: структура графена представлена кристаллической решеткой, толщиной в один атома углерода.

Кроме того графен является одним из самых прочных материалов и его устойчивость к механическим воздействиям сравнима с таковой у алмаза, но при этом он хорошо гнется и легко сворачивается в трубочку, что делает его идеальным материалом для изготовления нанотрубок — структур, которые используются для моделирования различных природных процессов.

Все эти удивительные свойства графена возникают из-за уникальной природы его носителей заряда, которые ведут себя подобно релятивистским частицам.

Ещё один эффект, обусловленный характером носителей заряда в графене связан с наличием спиральности, что приводит к существованию так называемой киральной симметрии. (в переводе с греческого слова «cheir» — рука). Киральная природа электронных состояний в однослойном и двухслойном графене играет важную роль в прохождении электрона через потенциальный барьер (туннельный эффект).

В последние годы графен приобретает всё большую популярность среди инженеров и исследователей благодаря своим необычным механическим, термическим, электрическим и оптическим свойствам. Так, если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, в 2008 году их число составило 801 публикацию, то в 2011 году их количество уже перевалило далеко за 1000 наименований [3].

Далее рассмотрим наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур, технологий его получения и сфер применения.

Существуют различные методики получения графена: например, преобразование графита в оксид графита, когда происходит процесс «оксидирование — расслоение -восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентносвязанными функциональными группами кислорода. При этом окисленный графит становится гидрофильным (влаголюбивым) и легко расслаивается на отдельные графеновые листы под действием ультразвука, находясь в водяном растворе. Такой графен обладает хорошими механическими и оптическими характеристиками, но худшей электрической проводимостью по сравнению с графеном, полученным с помощью «скотч-метода».

В дополнение к механическому отслоению с помощью скотча, позволяющему получить графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, и эпитаксиальному способу выращивания графена, направленному на создание электронных микросхем, химики работают над получением графена из раствора. Помимо высокой производительности и низкой себестоимости, этот метод позволил бы интегрировать графеновые слои с различными материалами для создания нанокомпозитов и внедрять их в различные наноструктуры.

Однако, при получении графена химическими методами необходимо преодолеть определенные трудности, чтобы добиться полного расслоения графита и сохранения формы листа, отслоенного в растворе графена.

С этими задачами справились две независимо работающие научные группы. Результаты получения графеновых листов хорошего качества опубликованы в журнале «Nature» [4,5]. Оба эксперимента построены на нахождении «правильных» растворителей и/или интеркалянтов.

Так как графен был получен всего семь лет назад, то еще нет работающих устройств на его основе, хотя список перспективных технологий довольно обширный.

Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может указать путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные нанострктуры, либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако, при получении графена химическими методами есть определенные трудности, которые должны быть преодолены:

1) необходимо достичь полного расслоения графита, помещенного в раствор;

2) следует добиться, чтобы отслоённый в растворе графен не сворачивался, не слипался, а сохранял форму листа.

В журнале Nature были опубликованы две статьи [4, 5] независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть эти трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.

Первая группа ученых — из Стэнфордского университета (США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла азотную и серную кислоты между слоями графита,

затем быстро нагревала образец до 1000°С, в результате взрывное испарение молекул-интеркалянтов давало тонкие графитовые «хлопья», содержащие множество графеновых слоев. Затем между графеновыми слоями внедряли олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы. Дальнейшее отделение графена. проводилось методом центрифугирования.

Вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — для получения графена из многослойного графита предложила методику без использования интеркалянтов. Авторы подчеркивают необходимость использования «правильных» органических растворителей, например, таких как N-метил-пирролидон. При этом важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном соответствовала энергии, что и для системы графен- графен.

Заслуживают внимание результаты работы исследователей из Калифорнии [6], которым впервые удалось получить полученить изображение атомной структуры графена высокой четкости, где возможно во всех подробностях рассмотреть сеточную структуру графена.

Еще большего успеха добились исследователи из Корнеллского университета [7], которым удалось из листа графена создать мембрану толщиной в один атом углерода, и затем надуть её как воздушный шарик. При этом мембрана выдерживала давление газа в несколько атмосфер. Мембрана использовалась для измерения частоты её вибраций при изменении давления. По мнению исследователей подобные мембраны могут найти разные сферы применения: в частности, использоваться для изучения помещенных в раствор биологических материалов. Вполне достаточно накрыть материал графеном и изучать его под микроскопом сквозь прозрачную мембрану.

Главное достижение ученых из Корнеллского университета состоит в том, что они вплотную приблизились к созданию одноатомных сенсоров, которые, по прогнозам исследователей, смогут обнаруживать отдельные молекулы вещества, вступившего с ними в контакт. Подобные сверхчувствительные приборы будут востребованы не только химиками для очистки веществ от примесей, но также парфюмерами, криминалистами и тестерами пищевых продуктов.

Ученые прогнозируют и другие масштабные перспективы использования графена [2 ,8,

9, 12]. Со временем это вещество полностью вытеснит кремний из сферы производства компьютерных процессоров, так как графеновые процессоры смогут в сотни раз быстрее обрабатывать информацию. Это не произойдет до 2020 года, как утверждают разработчики компании Lux Research, но уже сейчас новый материал обгоняет кремний в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приёмников и передатчиков мобильной связи. Особо преуспели в этом направлении занимающиеся оборонными заказами исследовательские лаборатории IBM и HRL (совместное владение Boeing и General Motors).

Многообещающими представляются и другие направления использования графена. Так, предполагается, что в смеси с пластмассами графен даст возможность создавать композитные проводящие материалы, устойчивые к действию высоких температур. Прочность графена позволяет конструировать новые механически устойчивые материалы, сверхтонкие, легкие и эластичные. В будущем из композитных материалов на основе графена возможно будет делать автомобили, самолеты и спутники. Уже сейчас предполагается использовать графен в устройствах для хранения энергии — аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, вырабатывающих электроэнергию от соединения кислорода с водородом.

Такие свойства графена как высокая подвижность электронов, минимальная толщина в один атом, низкое удельное сопротивление открывают перспективы для создания различных биологических и химических датчиков, а также различных вариантов тонких плёнок, которые могут найти применение в фотоэлектрических устройствах для преобразования солнечной энергии или в сенсорных экранах [10].

На основе графена могут быть созданы высокочувствительные фотоплёнки. Плазменные волны в графене открывают перспективы создания источников и приемников терагерцового диапазона. Особое поведение спина в графене может привести к созданию новых приборов спинтроники, а благодаря свойству высокой теплопроводимости графен может служить теплоотводом в современных интегральных схемах, в которых разогрев является серьёзной проблемой [11].

Если графеновая революция пойдет такими же стремительными темпами, то мы явимся свидетелями нового витка научно-технического прогресса уже в этом веке, а страна, которая проявит интерес к практическому применению графена, станет ведущей технической державой.

Литература

1. http: // ITC. UA /articles/grafen /mnogoobeshchay

2. http:/www.pravda.ru/science

3. http://elementary.ru/news

4. Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir — Blodgett films //Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538-542.

5. Yenny Hernandez et al. High — yield production of graphene by liquid — phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563-568.

6. Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/ nl801386m.

7. J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets // NanoLetters V.8. No.8.P. 2458-2462 (2008).

8. http:/www. forbes.ru/ techno/budushchee/ 13405-grafen — materiya- tolshchinoi -v-atom.

9. Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P.90-97

10. http:/www. rsci.ru/ Science news/ 149013-php.

11. http:/www. otsuji.riec.tohoku.ac.jp/ CREST/ ISGD/?

12. Дьяконов, Г. С. Перспективы развития научных исследований в области наноматериалов и нанотехнологий в Казанском государственном технологическом университете/ Г.С. Дьяконов // Вестник Казан. технол.ун-та. — 2008. — № 6. — С. 428-433.

© И. М. Булатова — канд. пед. наук, доц. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КГТУ, [email protected]/.

У многослойного графена открыли экзотические магнитные свойства — Наука

ТАСС, 12 октября. Физики выяснили, что у многослойных структур из трех листов графена проявляются необычные магнитные свойства. Они резко появляются или исчезают при малейших сдвигах в положении слоев этого материала. Статью с результатами работы ученых опубликовал научный журнал Nature Physics.

«У чистого углерода нет магнитных свойств. Однако, как мы выяснили, этого можно добиться, если взять три листа графена и уложить их друг на друга под определенным углом», – рассказал один из авторов работы, профессор Колумбийского университета Мэттью Янкович.

Графен – одиночный слой атомов углерода, которые соединены между собой структурой химических связей, похожих на пчелиные соты. За получение и изучение первых образцов графена выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Два года назад физики из Массачусетского технологического института (MIT) случайно превратили графен в экзотический «изоляторо-сверхпроводник», склеив два кусочка этого материала под определенным углом и получив своеобразный муаровый узор. При таком положении листов графена атомы углерода начинают сильно влиять на то, как движутся электроны внутри всей этой конструкции.

Благодаря этому из-за поворота одного из листов графена на определенный угол носители тока начинают двигаться без потерь энергии, подобно парам электронов в сверхпроводниках. При небольших отклонениях от этого угла из-за взаимодействий электронов возникает непреодолимый барьер для других частиц. Вещества, в которых такое происходит, физики называют «изоляторами Мотта».

Магнитный графен

Профессор Янкович и его коллеги обнаружили у подобных материалов еще более удивительные свойства. Они экспериментировали с муаровыми узорами, которые возникают при наложении не двух, а трех листов графена. Накладывая их друг на друга под разными углами, ученые выясняли, как меняются свойства подобных конструкций при изменении угла поворота листов и их положения друг относительно друга.

У трехслойных структур, которые состояли из двух идеально совмещенных слоев графена и наложенного поверх них одиночного листа из этого углеродного материала, ученые обнаружили не только интересные электрические характеристики, но магнитные свойства.

Янкович и его коллеги выяснили, что они возникали в том случае, когда этот одиночный лист был повернут по отношению к двуслойной графеновой структуре на угол в 0,89°. При этом, что интересно, магнитные свойства появлялись только после того, как ученые прикладывали к двуслойной части этой конструкции электрическое поле. При этом если такое же поле прикладывали к одиночному листу, то все магнитные свойства исчезали.

Дальнейшие эксперименты показали, что у этих магнитных свойств была довольно экзотическая природа. Они были связаны не с отдельными электронами, а с большими группами этих частиц. Кроме того ученые обнаружили, что магнитные свойства отдельных областей внутри трехслойного графена можно гибко менять, «накачивая» их дополнительными носителями заряда.

Благодаря этому подобные структуры можно использовать как основу для создания кубитов – элементарных ячеек квантовых компьютеров, и квантовых вычислений, а также новых систем хранения информации с очень большой плотностью записи информации. Таким материалам нужно будет относительно немного энергии для работы.

Страсти по графену — Энергетика и промышленность России — № 23-24 (163-164) декабрь 2010 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 23-24 (163-164) декабрь 2010 года

Еще бы! Ведь Константин Новоселов и Андрей Гейм, сотрудники Манчестерского университета, получили ее за графен – материал, практическое применение которого пока – дело будущего.

«Масла в огонь» добавил тот факт, что, несмотря на скромный возраст (Гейму 52 года, а Новоселову всего 36, и на сегодняшний день он самый молодой лауреат престижной награды), ученые уже «засветились» на поприще высокой науки. Правда, в несколько ином качестве. Так, еще в 2000 году Гейм стал лауреатом Шнобелевской (по‑другому – Игнобелевской) премии – шуточного аналога, присуждаемого за исследования, которые «невозможно и не нужно повторять». Он и его коллега Майкл Берри удостоились ее за эксперименты по использованию магнитов для поддержания лягушек в состоянии левитации.

Мало того, авторов обвинили в плагиате! Правда, к высказываниям Виктора Петрика, маргинального исследователя из РАЕН (между прочим, осужденного в свое время за мошенничество), о том, что именно он изобрел графен, трудно относиться серьезно.

Кстати, следует сразу отметить весьма распространенную в средствах массовой информации ошибку. Дело в том, что новоявленные лауреаты получили премию вовсе не за открытие материала графен, а за исследования его свойств, если быть точнее, «за передовые опыты с двумерным материалом – графеном».

Однако именно эти свойства и ставят под сомнение некоторые отечественные ученые.

Но для начала выясним, что это за материал – графен.

Толщиной в атом

Согласно Википедии, размещена научная статья, поясняющая, что графен – это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp2 связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку.

Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.

По оценкам, графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Главный способ получения графена в условиях научных лабораторий 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 году, он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Теория без опытов

Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трехмерный кристалл графита. Графен является базой для построения этого кристалла.

Графит является полуметаллом, и, как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещенная зона, причем 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 нем 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, еще раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную пленку получить невозможно из‑за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флюктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Способы получения

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

Попытки получения графена, прикрепленного к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоев графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедренными (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 российскими и британскими учеными была опубликована работа в журнале «Science», где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной пленки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими пленками, выращенными с помощью МПЭ (молекулярно-пучковой эпитаксии – роста в условиях сверхвысокого вакуума). Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова – де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из пленок 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.

С помощью скотча

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит.

Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотчем) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди многих пленок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес).

После отшелушивания скотч с тонкими пленками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить пленку определенного размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры пленок составляют обычно около 10 мкм).

Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) пленки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм) или используя комбинационное рассеяние. Используя стандартную электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму пленки для электрофизических измерений.

Химические методы

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы.

Сначала 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.

Описан также химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу.

Кроме того, следует упомянуть еще два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы и рост при высоком давлении и температуре. Из этих методов только последний можно использовать для получения пленок большой площади.

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

Существует также несколько сообщений о получении графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC. Графитовая пленка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причем качество выращенной пленки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность, – в первом случае качество пленок выше.

Исследователи показали, 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 выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой пленки оказались эквивалентны свойствам графена.

Возможное применение

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года ученые из технологического института штата Джорджия заявили, 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 из‑за отсутствия запрещенной 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 запрещенную зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбужденные носители давали малый вклад в проводимость).

В одной из статей предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещенной зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность больше, чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему еще не создан.

В качестве сенсора

Другой способ применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединенных к поверхности пленки. В работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 мкм на 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, ведет к изменению сопротивления графена.

В другой работе теоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. Было показано, что молекула NO2 является хорошим акцептором из‑за своих парамагнитных свойств, а диамагнитная молекула N2O4 создает уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Еще одна перспективная область применения графена – изготовление электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоемкость 32 Вт-ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов.

Недавно был создан и новый тип светодиодов на основе графена.

Графен считается самым прочным материалом на Земле, проводит электрический ток и при этом практически прозрачен. Последнее свойство делает графен удачным материалом для создания, например, сенсорных дисплеев.

Синтезированные соединения

Графен позволяет получать множество новых веществ на его основе. Недавно нобелевские лауреаты в соавторстве с большой группой ученых из Великобритании, Китая, Нидерландов, Польши и России сообщили о том, что синтезировали уже третье соединение графена с другими химическими элементами – фторографен. Как и прочие соединения, он является полупроводником, но отличается от них большей термической и химической устойчивостью. А по механической прочности уступает графену всего лишь в три раза.

Благодаря своим уникальным характеристикам графен, как уже было отмечено, лучше других полупроводников подходит для создания очень маленьких и очень быстрых транзисторов – главных элементов микроэлектроники.

Но, чтобы перейти в ней от кремния к графену, нужно добиться в нем отличной от нуля ширины запрещенной зоны – минимальной величины энергии, которая требуется электрону, чтобы стать электроном проводимости. Запрещенную зону в самом графене создать сложнее, чем в новых веществах, синтезированных на его основе.

До сих пор удалось получить два его соединения – оксид и гидрид графена. Но у обоих есть недостатки, из‑за которых их сложно будет применять в микроэлектронике: у них неоднородная структура, и они недостаточно устойчивы. Ученые пытались найти вещество на основе графена, свободное от этих недостатков. Им оказалось соединение фтора и графена.

Примеры соединений углерода с фтором хорошо известны.

Например, политетрафторэтилен, или знакомый всем тефлон, который широко используется в пищевой промышленности и бытовой технике. На этот раз ученым удалось создать новую сложную технологию соединения графена с фтором. Оказалось, что такое соединение обладает высокой термической и химической стабильностью, является полупроводником с большой шириной запрещенной зоны, а также прочнее стали в 1,5 раза. По мнению создателей, фторографен найдет применение не только в графеновой микроэлектронике, но и, например, как альтернатива тефлону в различных защитных покрытиях.

Опровергнуть Ландау

В интервью газете «Известия» на вопрос, как ему пришло в голову опровергнуть великого Ландау (который утверждал, что одноатомного слоя углерода существовать не может в принципе, потому что это противоречит законам физики), Андрей Гейм ответил:
– Здесь многое не понято даже некоторыми моими коллегами. Ландау считал, что невозможен рост таких двумерных материалов. То есть рост двумерного или одномерного слоя углерода требует высокой температуры, а высокая температура, согласно Ландау, делает невозможным рост таких материалов. Но наша идея заключалась в том, что если нельзя вырастить такой слой в свободном состоянии, то можно вырастить как трехмерную систему – то есть графит. А после того как графит уже выращен, при низкой температуре, очень далекой от точки плавления, никаких проблем со стабильностью этого материала нет. То есть мы вырастили трехмерную систему, а потом из трехмерной вытащили одноатомную плоскость – и все.

Идея была совершенно простая – существует область, которая выглядит довольно интересно, – это карбоновые нанотрубки. Что если попробовать сделать графит примерно такой же толщины, как нанотрубки, – не сотни слоев в один атом, а десятки и даже еще тоньше? Интересных работ по тонким слоям графита на то время не существовало. И это стало отправной точкой.

После этого мы стали делать слои все тоньше и тоньше, пока не дошли до одного атома. Вопроса, возможен ли в принципе один слой, у меня даже не возникало. Думал лишь о том, что это плохо исследованная система, а мы можем привнести в нее что‑то новое и конкурировать с нанотрубками.

В 1918 году люди уже знали, что такое термически расширенный графит. Мы же показали, что этот материал обладает уникальными свойствами, и привлекли внимание всего мирового сообщества к этому материалу.

Сейчас уже существуют маленькие компании, которые продают определенные материалы из графена для научных исследований. Скажем, проводящие чернила и тому подобное. Объем продаж по всему миру – несколько миллионов долларов в год. И это потрясает, поскольку в истории еще не было материала, который в течение пяти лет из академической лаборатории перепрыгнул в индустриальное производство. Обычно на это требуются десятки лет.

Графен – очень большая область для исследований. Это самый тонкий материал, который можно себе представить. Он также имеет наибольшее соотношение «поверхность – вес»: одним граммом графена можно охватить несколько футбольных полей. Кроме того он самый прочный, самый упругий материал и самый растягивающийся кристалл. И это неполный список его свойств, – резюмировал Гейм.

Ложка дегтя

Однако, увы, далеко не все ученые столь радужны в оценке достижений нобелевских лауреатов. К числу скептиков относится, например, профессор Ф. М. Канарев. Вот что он пишет в своей статье, посвященной молодым ученым:

«Как было объявлено, суть открытия – в получении углеродных пленок атомарной толщины методом приклеивания скотча к графиту и последующего отделения графитовых пленок, приклеившихся к скотчу, с помощью воды. Главные свойства углеродных пленок – высокая прочность и электропроводность. Новая теория микромира позволяет описать этот процесс теоретически.

Известны два природных образования, состоящих из одного и того же химического элемента –
углерода с радикально различными свойствами. Графит пишет по бумаге, а алмаз режет стекло. Почему? Новая теория микромира дает простой ответ на этот вопрос.

Углерод – шестой элемент в таблице Д. И. Менделеева. Его ядро имеет шесть протонов, а количество нейтронов может быть разное. Примерно 98,9 процента ядер атомов углерода имеют шесть нейтронов, а 1,1 процента – семь. Атомы графита имеют плоские ядра, а ядра алмаза – пространственные.

Из новой теории микромира следует, что протоны ядер атомов располагаются на поверхности ядер, а электроны атомов взаимодействуют с протонами ядер не орбитально, а линейно. В результате атом графита – плоское образование, а атом алмаза –
предельно симметричное, пространственное.

Плоский атом углерода придает слоистое строение графиту. Плоские атомы углерода, соединяясь, образуют плоские кластеры, а совокупность кластеров образует пленку. Европейским экспериментаторам удалось сфотографировать кластер С6Н6, состоящий из плоских атомов углерода и атомов водорода. Есть и фотографии углеродных пленок – графенов.

А теперь поправим нобелевских лауреатов и их экспертов. Обратим внимание на туманность лучевых выступов на внешнем контуре фотографии кластера бензола. Эти лучевые выступы –
атомы водорода. Их размеры близки к наноразмеру (10‑9 метра), и самый современный микроскоп не видит их. Атом водорода состоит из протона и электрона. Теоретический радиус электрона отличается от экспериментального в шестом знаке после запятой. Этот размер на три порядка меньше наноразмера (10‑9 метра).

Далее, на фото графена показан размер 0,14 х 10‑9 м. Этот размер относится к теоретической молекуле бензола, которая состоит из 6 плоских атомов углерода. Размер каждого атома равен примерно 10‑8 м. Размер каждой молекулы бензола, состоящей из 6 атомов углерода, равен примерно 10‑7 м. Тогда реальный размер расстояния между двумя атомами углерода, показанный на фотографии графена, примерно равен 10‑6 м. Это значит, что разрешающая способность микроскопа, сфотографировавшего графен, на три порядка меньше наноразмера.

Если бы новые нобелевские лауреаты получили углеродную пленку атомарной толщины, то в ней не было бы пространства для движения свободных электронов, обеспечивающих ее высокую электропроводность. Из этого следует, что нобелевские лауреаты отделяли от графита скотчем углеродные пленки толщиной многократно больше толщины атома. Это естественно, так как высокую проводимость этих пленок обеспечивают свободные электроны, движущиеся между слоями атомов. Так что заявление об атомарной толщине углеродной пленки, отделяемой с помощью скотча, ошибочно.

Предельная симметричность атомов углерода обеспечивает прочность электронных связей между ними, а значит – и всей графеновой пленки. Ее прочность обусловлена симметричностью связей между электронами атомов углерода, замкнутых по шестигранным контурам.

Изложенное показывает не только определенные экспериментальные достижения новых лауреатов Нобелевской премии, полученные ими методом проб и ошибок, но и слабое понимание ими физической сути своих достижений. Конечно, они молоды, и у них есть возможность углубить свои теоретические знания путем освоения новой теории микромира.

Кроме того, изложенное показывает ошибочность идеи орбитального движения электрона в атоме, и у Нобелевского комитета появляется возможность извиниться перед многими поколениями ученых за ущерб, нанесенный им серией ошибочных Нобелевских премий, выданных по физике и химии, авторитет которых калечит научный интеллект».

как использование графена изменит нашу жизнь — РТ на русском

Изобретённому российскими учёными графену находят всё новые способы применения. Так, исследователям Северо-Западного университета (США) удалось сделать на основе этой сверхтонкой модификации углерода суперстойкую краску для волос. Широко применяется графен и в других областях: на его основе делают пуленепробиваемые бронежилеты, материал используют для получения водородного топлива и в наноустройствах. О феномене графеновой революции — в материале RT.

Невидимый и прочный

 

Графен состоит из плотно соединённых атомов углерода, выстроенных в решётку наподобие пчелиных сот толщиной всего в один атом. Это делает его самым тонким материалом в мире, невидимым невооружённым глазом, но при этом очень прочным и эластичным. Впервые графен выделили в 2004 году российские учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов, которые работали тогда в Манчестерском университете. Шесть лет спустя опыты физиков были удостоены Нобелевской премии.

С тех пор исследователи со всех уголков планеты пытались найти всё новые способы применения и, что интересно, получения графена. Ведь одним из главных факторов, мешающих наладить масштабное производство этого чудо-материала, была дороговизна «оригинального» варианта получения графена с помощью сложного процесса разложения графита. Очень быстро графен научились добывать при помощи лазера, используя в качестве сырья обычную древесину, и даже путём взрыва углеродсодержащего материала.

Пока одни учёные соревнуются, чей метод получения графена проще и дешевле, другие находят ему самое необычное применение.

Красота не требует жертв

 

Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.

В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так, физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов.

Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос.

  • globallookpress.com
  • © Mari Barlow/moodboard

Американские учёные также полагают, что их краска абсолютно безвредна.

«Наружный слой ваших волос, или кутикула, выполняет защитную функцию и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы приподнять эти чешуйки и позволить молекулам краски быстро проникнуть в волосы, используются аммиак, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.

Из-за подобных манипуляций волосы постепенно истончаются. Проблему позволяет решить краска, которая покрывает волосы, но не проникает в их структуру. Однако такая краска очень быстро смывается. Как утверждают специалисты Северо-Западного университета, их изобретение позволяет справиться с обеими проблемами.

В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.

  • Платье на основе графена, Манчестер, 2017 год
  • Reuters

«Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине этого материала — в Манчестере. 

Тихая графеновая революция

 

«У графена очень много интересных физических свойств и явлений, например электронные свойства, которые позволяют использовать графен для конструирования сложных электронных наноустройств. Есть работы, в которых его используют для защиты наночастиц от окисления», — рассказал в беседе с RT старший научный сотрудник кафедры химической кинетики химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Боченков.

Также по теме


Новые свойства графена помогут создавать топливо «из воздуха»

Исследование, проведённое физиками в Университете Манчестера, показало, что открытый в 2010 году графен может быть использован в…

Кроме того, графен поможет решить одну из главных задач современности — получить недорогие, надёжные и экологически безопасные источники энергии. Так, графеновые композиты позволяют создать более эффективные солнечные панели. Учёные из Массачусетского технологического института доказали, что при помощи графена можно сделать эластичные, дешёвые и прозрачные солнечные элементы, превращающие практически любую поверхность в источник электроэнергии. Солнечные батареи из графена, по словам учёных, могут производить энергию даже в дождь.

«В графене можно делать определённые отверстия, выбивая некоторые атомы углерода, и получать регулируемые поры, которые можно использовать в качестве мембраны в батареях и топливных ячейках. Также мембраны на основе графена могут удешевить производство тяжёлой воды. Она необходима в атомной промышленности для получения относительно экологически чистой энергии. Здесь опять же уникальные свойства графена позволяют быстрее разделять субатомные частицы, делая весь процесс очень экономичным. В результате мы получаем более зелёную и дешёвую атомную энергию», — отметил Боченков.

Крупнейшие технологические компании уже приступили к созданию литийионных аккумуляторов для смартфонов с использованием графена. Инновационная технология позволяет заряжать батарею быстрее и хранить заряд дольше.

Графен можно использовать в качестве мембраны для фильтрации атомов водорода в воздухе и получить биологически чистое топливо. К такому выводу пришли первооткрыватели графена. Андрей Гейм и Константин Новосёлов выяснили, что при высоких температурах и присутствии платины в качестве ускорителя реакции графен пропускает положительно заряженные ионы водорода (протоны) и задерживает практически всё остальное. Такая технология поможет совершить прорыв в развитии зелёной энергетики.

Также по теме


«Рассеять энергию пули»: как нанотехнологии используются в военном деле

В России и мире активно ведутся разработки в области материалов, которые позволяют создавать новые средства индивидуальной бронезащиты…

Взяли на вооружение графен и производители военной продукции. Выяснилось, что материал обладает пуленепробиваемыми свойствами. Учёные из Нью-Йоркского университета получили очень прочные и почти невесомые бронежилеты. В ходе эксперимента физики запустили стеклянную микропулю в листы графена толщиной от десяти до 100 слоёв. Графен рассеял энергию пули, летящей на скорости 3000 м/с. Однако в точке удара материал вытянулся в форме конуса, а затем треснул. Появление трещин не позволяет пока поставить графеновые бронежилеты на службу полицейским. По оценкам специалистов, чтобы защитить своих обладателей, такие бронежилеты должны состоять из миллионов слоёв графена. А для этого требуется наладить его производство в промышленных масштабах.

Проник графен и в биологию. В 2016 году китайские учёные накормили шелкопрядов тутовыми листьями, которые были сбрызнуты препаратами, содержащими графен. В итоге экспериментаторы получили прочную и хорошо проводящую электричество графеновую шёлковую нить.

«Экспериментов с графеном проводится масса. Потенциал этого материала невероятно широк. Думаю, через несколько лет графен будет использоваться в создании и различных детекторов света, и контактных линз, и вообще чего угодно. Практическое применение этого материала может ограничиваться лишь фантазией учёных», — заключил Боченков.

Новосибирские ученые рассказали о новых свойствах графена

Графит и графен разделяет несколько химических манипуляций. Материалы родственные, между свойствами – пропасть. Графит в ноутбуках, смартфонах – основной элемент литий-ионных батарей. Это – сейчас, а в будущем его обязан заменить графен, настаивают учёные. Материал на голову лучше своего угольно-черного собрата.

Виктор Коротеев, научный сотрудник Института неорганической химии СО РАН: «Если заменить графит на графен, то повысится емкость, то есть количество энергии, которая хранится в такой батарейке. И, кроме того, её можно будет очень быстро зарядить».

Аккумуляторы получаются мощнее, дольше работают. Уникальных качеств у графена – на добрый список. Новосибирские ученые ценят его за сверхпрочность и сверхпроводимость. Самый тонкий материал в мире: толщина – один атом углерода. Понять его природу – работа на годы вперед.

Юлия Федосеева, старший научный сотрудник Института неорганической химии СО РАН: «Морфология, структура, строение, какие функциональные группы есть на графене – наверное, это одна из самых сложных задач, потому что графен невидим глазом».

Экземпляры литий-ионных батарей нового поколения учёные создают в лаборатории. Вот так, тонким слоем, наносят смесь графена на фольгу, потом образец высушивают и нарезают на ячейки, которые скрепляют между собой. После – проверка емкости батареи. У графеновых образцов она в два раза выше, чем у графитовых аналогов. Потенциал, уверены учёные, не исчерпан: ёмкость можно ещё увеличить.

Олеся Герасименко, корреспондент: «Благодаря тому, что графен очень тонкий и хорошо проводит ток, его можно использовать в гибких конденсаторах, батареях, сенсорных экранах. Так, в будущем наверняка товарами массового потребления станут телефоны и ноутбуки, которые легко сворачиваются в трубку, и одежда, которая преобразует энергию движения в электрический ток. И это не фантазии, а вполне реальные промышленные перспективы».

Литий-ионные аккумуляторы с применением графена сулят прорыв в производстве тех же смартфонов. Над их созданием трудятся специалисты ведущих компаний мира. Новосибирцы уже держат в руках технологии будущего, но выйдут ли они из стен лаборатории, зависит теперь не от ученых, а от инвесторов.

Что такое графен? Свойства и приложения графена

Графен — это сотовый слой из атомов углерода толщиной в атом. Это строительный блок для других графитовых материалов (поскольку типичный атом углерода имеет диаметр около 0,33 нанометра, в 1 мм графита содержится около 3 миллионов слоев графена).

Графен известен как нанографен; они предназначены для конкретных функций, и поэтому процесс их изготовления более сложен, чем у обычного графена.Нанографен получают путем селективного удаления атомов водорода из органических молекул углерода и водорода. Этот процесс называется дегидрированием.

Тверже алмаза, но эластичнее резины; прочнее стали, но легче алюминия. Графен — самый прочный из известных материалов.

Чтобы представить это в перспективе: если бы лист пищевой пленки (например, кухонной пленки) имел ту же прочность, что и чистый монослой графена, для его прокола потребовалась бы сила, приложенная массой 2000 кг или большим автомобилем. это карандашом.

Графен обладает и другими удивительными характеристиками: его высокая подвижность электронов в 100 раз быстрее, чем у кремния; он проводит тепло в 2 раза лучше, чем алмаз; его электропроводность в 13 раз лучше, чем у меди; поглощает всего 2,3% отраженного света; он непроницаем, так что даже самый маленький атом (гелий) не может пройти через бездефектный однослойный лист графена; а его высокая площадь поверхности в 2630 квадратных метров на грамм означает, что с помощью менее 3 граммов вы можете покрыть все футбольное поле (ну, практически вам потребуется 6 граммов, поскольку 2630 м2 / г — это площадь поверхности для обеих сторон поля). лист графена).

Графен является основным строительным блоком для других графитовых материалов; он также представляет собой концептуально новый класс материалов толщиной всего в один атом, так называемые двухмерные (2D) материалы (они называются 2D , потому что они простираются только в двух измерениях: длине и ширине; так как материал только толщиной один атом, третье измерение, высота, считается равным нулю).

Графен также очень привлекателен для изготовления смешанных ван-дер-ваальсовых гетероструктур, которые могут быть выполнены путем гибридизации графена с 0D квантовыми точками или наночастицами, одномерными наноструктурами, такими как нанопровода или углеродные нанотрубки, или трехмерными объемными материалами.

Ожидается, что за счет ужесточения стандартов и создания специально подобранных высококачественных материалов графен выйдет за рамки нишевых продуктов и приложений и к 2025 году получит широкое проникновение на рынок. Затем графен можно будет использовать в повсеместно распространенных товарах, таких как шины, аккумуляторы и электроника.

Графен Инфографика

Мы собрали инфографику, в которой обобщены основные свойства, факты и области применения графена. Нажмите, чтобы увеличить, и не стесняйтесь вставлять и делиться.

Что такое графен (щелкните изображение, чтобы увеличить). Скачать в формате PDF (13,9 МБ).

Необычные характеристики графена происходят от 2p-орбиталей, которые образуют полосы π-состояний, которые делокализуются по слою углерода, составляющему графен.

Графен стал одним из самых многообещающих наноматериалов из-за его уникального сочетания превосходных свойств: это не только один из самых тонких, но и самых прочных материалов; он лучше всех других материалов проводит тепло; это отличный проводник электричества; он оптически прозрачен, но настолько плотен, что непроницаем для газов — даже гелий, мельчайший атом газа, не может пройти через него.

Эти удивительные свойства и его многофункциональность делают графен пригодным для широкого спектра применений, от электроники до оптики, датчиков и биоприборов.

Исследования графена превратились в обширную область, где ежегодно публикуется около 10 000 научных работ по широкому кругу тем.

Открытие графена

Углерод

бывает разных форм (так называемый аллотроп ), от графита, который содержится в карандашах, до самых дорогих алмазов в мире.В 1980 году мы знали только три основные формы углерода, а именно алмаз, графит и аморфный углерод. Затем были открыты фуллерены и углеродные нанотрубки, а в 2004 году к клубу присоединился графен.

До того, как графен был впервые продемонстрирован Андре Геймом и Константином Новоселовым, двумя физиками из Манчестерского университета, в 2004 году (за который они получили Нобелевскую премию в 2010 году) ученые утверждали, что строго двумерные кристаллические материалы термодинамически нестабильны и не могут существовать.

В своих первоначальных экспериментах Гейм и Новоселов извлекли графен из куска графита, такого как обычные карандаши.С помощью обычного скотча удалось получить чешуйку углерода толщиной всего в один атом. Это механическое отшелушивание — самый простой из методов подготовки, и, что удивительно, именно он сделал реальностью автономный графен.

Как получают графен

Качество графена играет решающую роль, поскольку наличие дефектов, примесей, границ зерен, множественных доменов, структурных нарушений, складок в листе графена может отрицательно сказаться на его электронных и оптических свойствах.

В электронных приложениях основным узким местом является потребность в образцах большого размера, что возможно только в случае процесса CVD, но трудно получить высококачественные тонкие пленки из монокристаллического графена, обладающие очень высокой электрической и теплопроводностью, а также отличная оптическая прозрачность.

Другая проблема, вызывающая беспокойство при синтезе графена обычными методами, связана с использованием токсичных химикатов, и эти методы обычно приводят к образованию опасных отходов и ядовитых газов.Следовательно, существует необходимость в разработке экологически чистых методов производства графена, следуя экологически безопасным подходам.

В настоящее время наиболее распространенные методы, доступные для производства графена, схематически показаны ниже, которые включают микромеханическое расщепление, химическое осаждение из паровой фазы, эпитаксиальный рост на подложках SiC, химическое восстановление расслоенного оксида графена, жидкофазное расслоение (LPE) графита и расстегивание молнии углеродных нанотрубок.

Однако каждый из этих методов может иметь как свои преимущества, так и ограничения в зависимости от целевого приложения (приложений).Чтобы преодолеть эти барьеры на пути к коммерциализации графена, исследователи из различных научно-исследовательских институтов, университетов и компаний со всего мира прилагают согласованные усилия для разработки новых методов крупномасштабного производства недорогого и высококачественного графена с помощью простых и экологически чистых технологий. -дружественные подходы.

Однако — большое предостережение: мировое производство графена, похоже, страдает от серьезных проблем с качеством, и похоже, что на рынке почти нет графена высокого качества, как это определено ISO.Подробнее: Остерегайтесь поддельного графена.

Схема, показывающая традиционные методы, обычно используемые для синтеза графена, а также их ключевые особенности, а также текущие и будущие приложения. (Изображение: CKMNT) (щелкните изображение, чтобы увеличить)

Свойства графена

Электронные свойства

Одна из причин, по которой исследователи-нанотехнологии, работающие над молекулярной электроникой, так увлечены графеном, — это его электронные свойства — это один из лучших электрических проводников на Земле.Уникальное атомное расположение атомов углерода в графене позволяет его электронам легко перемещаться с чрезвычайно высокой скоростью без значительной вероятности рассеяния, экономя драгоценную энергию, обычно теряемую в других проводниках.

Ученые обнаружили, что графен остается способным проводить электричество даже на пределе номинально нулевой концентрации носителей, потому что электроны, кажется, не замедляются или не локализуются. Электроны, движущиеся вокруг атомов углерода, взаимодействуют с периодическим потенциалом сотовой решетки графена, что приводит к появлению новых квазичастиц, которые потеряли свою массу, или массы покоя (так называемые безмассовых фермионов Дирака ).Это означает, что графен никогда не перестает проводить. Также было обнаружено, что они перемещаются намного быстрее, чем электроны в других полупроводниках.

Механические свойства

Впечатляющие внутренние механические свойства графена, его жесткость, прочность и ударная вязкость — одна из причин, по которым графен выделяется как отдельный материал, так и как усиливающий агент в композитах. Они вызваны стабильностью sp2-связей, которые образуют гексагональную решетку и противостоят различным деформациям в плоскости.

Подробное обсуждение механических свойств графена и нанокомпозитов на его основе можно найти в этой обзорной статье.

Жесткость

Разрывная сила, полученная экспериментально и при моделировании, была практически идентична, а экспериментальное значение упругой жесткости второго порядка было равно 340 ± 50 Н · м-1. Это значение соответствует модулю Юнга 1,0 ± 0,1 ТПа при эффективной толщине 0,335 нм.

Прочность

Бездефектный однослойный графен считается самым прочным из когда-либо испытанных материалов с прочностью 42 Н · м-1, что соответствует внутренней прочности 130 ГПа.

Прочность

Вязкость разрушения, которая имеет большое значение для инженерных приложений, является одним из наиболее важных механических свойств графена и была измерена как критический коэффициент интенсивности напряжений 4,0 ± 0,6 МПа.
Исследовательские группы по всему миру работают над разработкой промышленно производимых листов графена, которые обладают высокой прочностью и ударной вязкостью во всех направлениях листов для разнообразных приложений, таких как композиты на основе графена для транспортных средств, оптоэлектроники и нейронных имплантатов.Недавним примером потребительского продукта, в котором используются механические свойства графена, является мотоциклетный шлем Momo Evo Graphene, разработанный итальянскими компаниями Momodesign и Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).

Это первый в мире шлем из углеродного волокна с пропиткой графеном, который использует тонкие, прочные, проводящие, гибкие и легкие характеристики материала, чтобы создать шлем, который поглощает и рассеивает удары лучше, чем обычный шлем. Кроме того, он более эффективно рассеивает тепло, поэтому он более прохладный.

Другой пример — графеновый велосипед Dassi Interceptor ™ — первый в мире графеновый велосипед. Усиление углеродного волокна графеном позволяет изготавливать более легкие и тонкие трубки, которые прочнее обычного углерода. Это означает, что рама имеет аэродинамическую форму без каких-либо обычных потерь веса. Благодаря усиленной графеном раме этот велосипед на 30% легче, но в то же время вдвое прочнее и сверхжестче.

Использование и применение графена

Накопители энергии и солнечные элементы

Исследователи также обнаружили критическую и неожиданную взаимосвязь между химической / структурной дефектностью графена как материала-хозяина для электродов и его способностью подавлять рост дендритов — отложения нитей в виде ветвей на электродах, которые могут проникать через барьер между двумя половинами батареи и потенциально могут вызвать короткое замыкание, перегрев и возгорание («Бездефектный графен может решить проблему дендритов литий-металлических батарей»).Эти примеры выделяют четыре основные области, связанные с энергетикой, на которые графен будет иметь влияние: солнечные элементы, суперконденсаторы, графеновые батареи и катализ для топливных элементов.
Благодаря своим превосходным свойствам переноса электронов и чрезвычайно высокой подвижности носителей графен и другие однослойные материалы с прямой запрещенной зоной, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC) и черный фосфор, демонстрируют большой потенциал для использования в недорогих, гибких и высокоэффективных фотоэлектрические устройства. Это наиболее перспективные материалы для современных солнечных батарей.

Авторы отмечают, однако, что до того, как наноматериалы и устройства на основе графена найдут широкое коммерческое использование, необходимо решить две важные проблемы: первая — это получение наноматериалов на основе графена с четко определенной структурой, а другая — контролируемое производство. из этих материалов в функциональные устройства.

Применение датчиков

Функционализированный графен имеет исключительные перспективы для биологических и химических сенсоров. Исследователи уже показали, что характерная двумерная структура оксида графена (GO) в сочетании с его сверхпроницаемостью для молекул воды приводит к появлению сенсорных устройств с беспрецедентной скоростью («Сверхбыстрый датчик графена контролирует ваше дыхание, пока вы говорите»).Ученые обнаружили, что химические пары изменяют спектры шума графеновых транзисторов, что позволяет им выполнять селективное обнаружение газа для многих паров с помощью одного устройства, сделанного из чистого графена — функционализация поверхности графена не требуется («Селективное определение газа с использованием чистого графена») .

Оптическое изображение беспроводного графенового сенсора, биотрансферное на поверхность зуба. (Изображение: McAlpine Group, Принстонский университет)

Чернила графеновые

Графен обладает уникальной комбинацией свойств, которая идеально подходит для электроники следующего поколения, включая механическую гибкость, высокую электропроводность и химическую стабильность.Многочисленные исследования уже продемонстрировали возможность изготовления электроники на основе графена с помощью стратегий высокопроизводительной печати чернилами. Создание графеновых чернил для струйной печати приводит к недорогому и масштабируемому пути использования свойств графена в реальных технологиях (подробнее читайте здесь: «Струйная печать графена для гибкой электроники» и здесь: «Прямая запись высокопроводящими графеновыми чернилами»).

Транзисторы и память

Некоторые из наиболее многообещающих применений графена — это электроника (в качестве транзисторов и межсоединений), детекторы (в качестве сенсорных элементов) и управление температурой (в качестве боковых теплораспределителей).Первые графеновые полевые транзисторы (FET) — с нижним и верхним затворами — уже были продемонстрированы. В то же время, чтобы любой транзистор мог использоваться для аналоговой связи или цифровых приложений, уровень электронного низкочастотного шума должен быть снижен до приемлемого уровня («графеновые транзисторы могут работать без большого шума»).

Транзисторы на основе графена считаются потенциальными преемниками некоторых кремниевых компонентов, используемых в настоящее время. Из-за того, что электрон может двигаться через графен быстрее, чем через кремний, этот материал обладает потенциалом для терагерцовых вычислений.

Графеновое устройство: оптическое изображение графенового устройства, сделанного из литографически вырезанного листа графена поверх SiO2, с золотыми электродами и задним затвором из легированного Si. (© IOP; А. Х. Кастро Нето, К. Новоселов, 2011 Rep. Prog. Phys. 74 082501)

В совершенном наноразмерном транзисторе, получившем название баллистического транзистора , электроны избегают столкновений, т. Е. Существует практически беспрепятственный ток. Баллистическая проводимость обеспечит невероятно быстрое переключение устройств.Графен может использовать баллистические транзисторы при комнатной температуре.

Эксперименты продемонстрировали преимущества графена как платформы для флэш-памяти, которые демонстрируют возможность превзойти производительность современной технологии флэш-памяти за счет использования внутренних свойств графена.

Гибкая, растягиваемая и складывающаяся электроника

Для гибкой электроники используются гибкие подложки, а для действительно складной электроники требуется складная подложка с очень стабильным проводником, способным выдержать складывание (т.е.е. край субстрата в месте сгиба, на котором появляются складки, и деформация сохраняется даже после разворачивания).

Это означает, что в дополнение к складной подложке, такой как бумага, проводник, нанесенный на эту подложку, также должен быть складным. С этой целью исследователи продемонстрировали процесс изготовления складных графеновых схем на основе бумажных подложек.

Фотографии приложений. а, б, в) Работа светодиодного чипа с графеновыми схемами на бумажной подложке при складывании на 180 ° и на 180 °.г) Массив светодиодных чипов на трехмерной печатной плате, включая сгибание под отрицательным и положительным углом. д, е, ж) Работа светодиодной микросхемы на печатной плате на бумажной основе до и после смятия. (Печатается с разрешения Wiley-VCH Verlag)

Превосходная проводимость, прочность и эластичность графена

также сделали его многообещающим выбором для растягиваемой электроники — технологии, которая направлена ​​на создание схем на гибких пластиковых подложках для таких приложений, как гибкие солнечные элементы или искусственная кожа, подобная роботам.

Ученые разработали метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) для превращения листов графена в пористую трехмерную пену с чрезвычайно высокой проводимостью. Пропитав эту пену полимером на основе силоксана, исследователи получили композит, который можно скручивать, растягивать и сгибать без ущерба для его электрических или механических свойств («Графен: вспенивание для растягиваемой электроники»).

Фотоприемники

Исследователи продемонстрировали, что графен можно использовать в телекоммуникационных приложениях и что его слабый и универсальный оптический отклик может быть использован в приложениях сверхбыстрой фотоники.Они также обнаружили, что графен потенциально может быть использован в качестве насыщающегося поглотителя с широким оптическим откликом от ультрафиолетового, видимого, инфракрасного до терагерцового («Возникновение графена в сверхбыстрой фотонике»).
Существует очень большой исследовательский интерес к использованию графена для приложений в оптоэлектронике. Фотодетекторы на основе графена были реализованы раньше, и пригодность графена для фотодетектирования с высокой пропускной способностью была продемонстрирована в оптическом канале передачи данных 10 Гбит / с («Графеновые фотодетекторы для высокоскоростной оптической связи»).

Покрытия

Покрытие объектов графеном может служить разным целям. Например, теперь исследователи показали, что можно использовать листы графена для создания супергидрофобного материала покрытия, который демонстрирует стабильную супергидрофобность как в статических, так и в динамических (удар капель) условиях, тем самым формируя чрезвычайно водоотталкивающие структуры.

Снимки капли воды, ударяющейся о поверхность графеновой пены с тефлоновым покрытием. Скорость удара непосредственно перед тем, как капля ударилась о поверхность, составляла ~ 76 см / сек.Последовательность снимков показывает историю деформации капли при ударе. Капля распространяется, затем втягивается и успешно отскакивает от поверхности. Коэффициент восстановления (то есть отношение скорости удара капли к скорости выброса) составляет ∼0,37 для пенопласта с тефлоновым покрытием. (Печатается с разрешения Wiley-VCH Verlag)

Графен также является самым тонким из известных покрытий в мире для защиты металлов от коррозии. Было обнаружено, что графен, нанесенный непосредственно на медь или никель или перенесенный на другой металл, обеспечивает защиту от коррозии.Исследователи продемонстрировали использование графена в качестве прозрачного проводящего покрытия для фотонных устройств и показали, что его высокая прозрачность и низкое удельное сопротивление делают этот двумерный кристалл идеально подходящим для электродов в жидкокристаллических устройствах (ЖКД).
Еще одно новое применение покрытия, полезное для исследователей, — это изготовление полимерных зондов АСМ, покрытых однослойным графеном, для улучшения характеристик зондов АСМ.
Прямая лазерная запись графена на кевларе делает защитную одежду «умной».Кевлар — хорошо известный высокопрочный полимер, который, благодаря своим превосходным механическим характеристикам, нашел множество важных применений для обеспечения безопасности, особенно в текстильных изделиях (например, пуленепробиваемые жилеты или защитная одежда пожарных). Будьте готовы к тому, что защитная одежда следующего поколения станет многофункциональной, то есть «умной». Эти материалы не только смогут защитить человеческое тело от травм, но также будут обладать интеллектуальными функциями, такими как мониторинг физиологических сигналов и обнаружение потенциальных опасностей, таких как газы, патогены или радиация.

Другое применение

Громкоговорители

Исключительные электрические и механические свойства графена были использованы для создания очень эффективного электрического / звукового преобразователя. Этот экспериментальный графеновый громкоговоритель без какой-либо оптимизированной акустической конструкции прост в изготовлении и уже работает сравнимо или лучше, чем коммерческие аналоги аналогичного размера, и с гораздо меньшим энергопотреблением.
Наушники Artisanphonics CB-01 Nanene® имеют диафрагменную мембрану в каждом наушнике, сделанную из графена, поэтому она намного тоньше, но имеет такую ​​же прочность и долговечность, как обычная мембрана.Однако, поскольку он гибкий, им можно лучше управлять, что позволяет улучшить высокие и низкие частоты.

Биотехнология и медицина

В ходе многолетних поисков создания искусственных мышц многие материалы были исследованы на предмет их пригодности для применения в исполнительных механизмах (срабатывание — это способность материала обратимо изменять размеры под воздействием различных стимулов). Помимо искусственных мышц, потенциальные области применения включают микроэлектромеханические системы (МЭМС), биомиметические микро- и нанороботы, а также микрожидкостные устройства.В ходе экспериментов ученые показали, что графеновые наноленты могут обеспечивать срабатывание.

Радиационная защита

Управление температурой

Из-за быстрого увеличения плотности мощности в электронике управление возникающим теплом стало одной из наиболее важных проблем при проектировании компьютеров и полупроводников. Фактически, рассеяние тепла стало фундаментальной проблемой электронного транспорта в наномасштабе.

Одним из недавних потребительских продуктов в этой области является NanoCase для iPhone X, iPhone 8/8 Plus и iPhone 7/7 Plus, который содержит графеновую пленку, которая быстро рассеивает избыточное тепло внутри телефона.

Графеновая пленка NanoGtech ™ нанесена на внутреннюю часть корпуса телефона. Поскольку материал NanoGtechô остается в контакте с задней частью устройства, он эффективно рассеивает тепло от смартфона. Температура снижается, и тесты показывают (по данным производителя), что устройство с NanoGtech ™ может работать на 20% дольше, чем устройство без NanoGtechô.

Маскировка

Концепция плазмонной маскировки основана на использовании тонкого покрытия из метаматериала для подавления рассеяния от пассивного объекта.Исследования показывают, что даже один слой атомов с потрясающими проводящими свойствами графена может обеспечить эту функциональность в плоской и цилиндрической геометриях. Это делает один слой графена самой тонкой маскировкой-невидимкой.

Смазка

За последнее десятилетие были разработаны различные твердые смазочные материалы, микро / наноразмеры и процессы обработки поверхности для эффективной работы и увеличения срока службы в приложениях MEMS / NEMS, а также для различных производственных процессов, таких как литография наноимпринтов и трансферная печать.Одним из важных соображений при нанесении твердой смазки на микро- и наноуровне является толщина смазки и совместимость процесса нанесения смазки с целевым продуктом. Графен с его атомарно тонкой и прочной структурой с низкой поверхностной энергией является хорошим кандидатом для этих приложений («Графен — самая тонкая твердая смазка»).

Очистка воды

Относительно новым методом очистки солоноватой воды является технология емкостной деионизации (CDI).Преимущества CDI в том, что он не имеет вторичного загрязнения, экономичен и энергоэффективен. Исследователи разработали приложение CDI, в котором графеноподобные наночешки используются в качестве электродов для емкостной деионизации. Они обнаружили, что графеновые электроды дают лучшие характеристики CDI, чем обычно используемые материалы из активированного угля («Опреснение воды с помощью графена»).

Маски для лица

Маски для лица стали важным инструментом в борьбе с пандемией COVID-19.Однако неправильное использование или утилизация масок может привести к «вторичной передаче». Группа исследователей успешно произвела маски для лица из графена с антибактериальной эффективностью 80%, которую можно повысить почти до 100% при воздействии солнечного света в течение примерно 10 минут.
Хорошо, пора пройти нашу викторину по графену и посмотреть, сможете ли вы ответить на все вопросы!

Введение в нанотехнологии

Нанотехнологические приложения

Свойства графена
— Графена

Структура графена

Графен — это, по сути, одиночный атомный слой графита; обильный минерал, представляющий собой аллотроп углерода, состоящий из очень тесно связанных атомов углерода, организованных в гексагональную решетку.Что делает графен таким особенным, так это его sp2-гибридизация и очень тонкая атомная толщина (0,345 нм). Эти свойства позволяют графену побить так много рекордов с точки зрения прочности, электропроводности и теплопроводности (а также многих других). Теперь давайте выясним, что делает графен таким особенным, каковы его внутренние свойства, которые отделяют его от других форм углерода и других двумерных кристаллических соединений?

Основные характеристики

До того, как в 2004 году был выделен монослойный графен, теоретически считалось, что двухмерные соединения не могут существовать из-за термической нестабильности при разделении.Однако, как только графен был выделен, стало ясно, что это действительно возможно, и ученым потребовалось некоторое время, чтобы выяснить, как именно. После того, как подвешенные листы графена были изучены с помощью просвечивающей электронной микроскопии, ученые посчитали, что причина заключается в небольшой ряби в графене, изменяющей структуру материала. Однако более поздние исследования показывают, что на самом деле это связано с тем, что углерод-углеродные связи в графене настолько малы и прочны, что не позволяют тепловым флуктуациям дестабилизировать его.

Электронные свойства

Одним из наиболее полезных свойств графена является то, что он представляет собой полуметалл с нулевым перекрытием (с дырками и электронами в качестве носителей заряда) с очень высокой электропроводностью. Атомы углерода имеют в общей сложности 6 электронов; 2 во внутренней оболочке и 4 во внешней оболочке. 4 электрона внешней оболочки в отдельном атоме углерода доступны для химической связи, но в графене каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, оставляя 1 электрон свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости.Эти высокомобильные электроны, называемые пи (π) -электронами, расположены выше и ниже графенового листа. Эти пи-орбитали перекрываются и помогают усилить углерод-углеродные связи в графене. По сути, электронные свойства графена продиктованы связью и антисвязыванием (валансная зона и зона проводимости) этих пи-орбиталей.

Совместные исследования за последние 50 лет доказали, что в точке Дирака в графене электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу. Это происходит из-за того, что зависимость энергия-движение (спектр возбуждений) линейна для низких энергий около 6 отдельных углов зоны Бриллюэна.Эти электроны и дырки известны как фермионы Дирака или графино, а 6 углов зоны Бриллюэна известны как точки Дирака. Из-за нулевой плотности состояний в точках Дирака электронная проводимость на самом деле довольно низкая. Однако уровень Ферми можно изменить путем легирования (электронами или дырками) для создания материала, который потенциально лучше проводит электричество, чем, например, медь при комнатной температуре.

Испытания показали, что электронная подвижность графена очень высока, с ранее сообщенными результатами выше 15000 см2 · В − 1 · с − 1 и теоретическим пределом потенциала 200000 см2 · В − 1 · с − 1 (ограниченным рассеянием акустические фотоны графена).Говорят, что электроны графена по своей подвижности очень похожи на фотоны из-за отсутствия массы. Эти носители заряда способны преодолевать субмикрометровые расстояния без рассеяния; явление, известное как баллистический транспорт. Однако качество графена и используемой подложки будет ограничивающими факторами. Например, при использовании диоксида кремния в качестве подложки подвижность потенциально ограничена до 40 000 см2 · В-1 · с-1.

«С точки зрения того, как далеко мы продвинулись до понимания истинных свойств графена, это лишь верхушка айсберга.Прежде чем графен будет в значительной степени интегрирован в те области, в которых, по нашему мнению, он преуспеет, нам нужно потратить гораздо больше времени на понимание того, что делает его таким удивительным материалом »

Механическая прочность

Еще одно выдающееся свойство графена — это его внутренняя сила. Благодаря прочности углеродных связей длиной 0,142 Нм графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных, с пределом прочности на растяжение 130000000000 Паскалей (или 130 гигапаскалей), по сравнению с 400000000 для конструкционной стали A36 или 375 700000 для арамида (кевлара). .Графен не только необычайно прочен, но и очень легкий — 0,77 миллиграмма на квадратный метр (для сравнения: 1 квадратный метр бумаги примерно в 1000 раз тяжелее). Часто говорят, что один лист графена (толщиной всего 1 атом), достаточный по размеру, чтобы покрыть все футбольное поле, будет весить менее 1 грамма.

Что делает это особенно особенным, так это то, что графен также обладает упругими свойствами, способными сохранять свой первоначальный размер после деформации.В 2007 г. были проведены испытания с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) на листах графена, которые были подвешены над полостями из диоксида кремния. Эти испытания показали, что графеновые листы (толщиной от 2 до 8 Нм) имеют жесткость пружины в диапазоне 1-5 Н / м и модуль Юнга (отличный от модуля трехмерного графита) 0,5 ТПа. Опять же, эти превосходные цифры основаны на теоретических перспективах использования графена, который не имеет дефектов, не содержит каких-либо дефектов, и в настоящее время очень дорог и трудно воспроизводить искусственно, хотя методы производства постоянно совершенствуются, что в конечном итоге снижает затраты и сложность.

Оптические свойства

Способность графена поглощать довольно большие 2,3% белого света также является уникальным и интересным свойством, особенно с учетом того, что его толщина составляет всего 1 атом. Это связано с его вышеупомянутыми электронными свойствами; электроны действуют как безмассовые носители заряда с очень высокой подвижностью. Несколько лет назад было доказано, что количество поглощенного белого света основано на константе тонкой структуры, а не определяется спецификой материала.Добавление еще одного слоя графена увеличивает количество поглощаемого белого света примерно на такое же значение (2,3%). Непрозрачность графена πα ≈ 2,3% соответствует универсальному значению динамической проводимости G = e2 / 4ℏ (± 2-3%) в видимом диапазоне частот.

Узнайте больше о новой линейке графеновых полевых транзисторов Graphenea для биосенсоров здесь.

Благодаря этим впечатляющим характеристикам было замечено, что как только оптическая интенсивность достигает определенного порога (известного как плотность насыщения), происходит насыщающееся поглощение (свет очень высокой интенсивности вызывает снижение поглощения).Это важная характеристика для синхронизации мод волоконных лазеров. Благодаря свойствам графена нечувствительности к длине волны сверхбыстрого насыщающегося поглощения, полнополосная синхронизация мод была достигнута с использованием диссипативного солитонного волоконного лазера с эрбием, способного настраивать длину волны до 30 нм.

С точки зрения того, насколько далеко мы продвинулись к пониманию истинных свойств графена, это лишь верхушка айсберга. Прежде чем графен будет в значительной степени интегрирован в те области, в которых, по нашему мнению, он преуспеет, нам нужно потратить гораздо больше времени на понимание того, что делает его таким удивительным материалом.К сожалению, хотя у нас много воображения, чтобы придумывать новые идеи для потенциальных приложений и применений графена, требуется время, чтобы полностью понять, как и что на самом деле представляет собой графен, чтобы воплотить эти идеи в реальность. Однако это не обязательно плохо, поскольку это дает нам возможность наткнуться на другие ранее недостаточно исследованные или недооцененные суперматериалы, такие как семейство двумерных кристаллических структур, рожденных графеном.

Обзор свойств графена

Графен представляет собой тонкий двумерный слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке.Это основной строительный блок графита (который, помимо прочего, используется в наконечниках карандашей). Графен — замечательное вещество с огромным количеством удивительных свойств, за которые он получил титул «чудо-материал».

Среди замечательных свойств графена — уникальные механические, термические, электрические и оптические свойства. Обратите внимание, что большинство этих функций относятся к идеальным, нетронутым листам графена. Дефекты в графене (некоторые из которых связаны с производственными процессами или, например, с точками соединения нескольких более мелких чешуек графена, «сшитых вместе») могут сделать графен более слабым и с совершенно другими свойствами.Однако дефекты могут приводить к появлению новых и других свойств, которые делают графен более подходящим для определенных приложений!

Физические / механические свойства

Графен — один из самых тонких материалов в мире — его толщина составляет всего один атом углерода (около 0,34 нм). Он также признан самым жестким 2D-материалом — намного тверже стали или алмаза того же размера. Графен имеет предел прочности на растяжение (максимальное напряжение, которое материал может выдержать при растяжении или растяжении перед разрушением или разрушением) более 1 ТПа.Есть только один материал, который может быть прочнее графена — карбин, который представляет собой цепочку атомов углерода, в основном графеновую ленту шириной в один атом. Однако карбин синтезировать очень сложно.

Графен легкий — он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один двухмерный лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов. Когда они предоставлены сами себе, графеновые листы складываются в стопку и образуют графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.

Листы графена гибкие, и на самом деле графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от первоначального размера, не сломав его. Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него.

Электронные свойства

Графен имеет чрезвычайно высокую плотность электрического тока (в миллион раз больше, чем у меди) и собственную подвижность (в 100 раз больше, чем у кремния). Графен имеет более низкое удельное сопротивление, чем любой другой известный материал при комнатной температуре, включая серебро.Есть также несколько способов превратить его в сверхпроводник (он может переносить электричество со 100% эффективностью).

Хотя все это делает графен самым быстрым и эффективным проводником, его нелегко использовать для изготовления транзисторов, поскольку он не имеет запрещенной зоны. Существует несколько методов, позволяющих восполнить пробел, и некоторые из них находятся в стадии разработки.

Чтобы узнать последние новости о графеновой электронике, щелкните здесь

Теплопроводность

Графен является идеальным проводником тепла — он обладает рекордной теплопроводностью — выше, чем у углеродных нанотрубок, графита и алмаза (более 5000 Вт / м / К).Графен проводит тепло во всех направлениях — это изотропный проводник.

Для получения дополнительной информации о теплопроводности графена щелкните здесь

Оптические свойства

Графен чрезвычайно тонкий, но все же является видимым материалом, поскольку он поглощает около 2,3% белого света (что довольно много для 2D-материала. ). Объедините это с удивительными электронными свойствами графена, и выяснится, что графен теоретически можно использовать для создания очень эффективных солнечных элементов.

Дополнительно поглощающий 2.3% видимого света по-прежнему делают графен очень прозрачным для человеческого глаза, что может иметь различное применение; его можно использовать, например, для изготовления прозрачных проводов.

Чтобы узнать последние новости о фотонике графена, щелкните здесь

Химические свойства

Несмотря на то, что все атомы графена подвергаются воздействию окружающей среды, это инертный материал, который не вступает в реакцию с другими атомами. Однако графен может «поглощать» различные атомы и молекулы. Это может привести к изменению электронных свойств, а также может быть использовано для изготовления датчиков или других приложений.

Графен также может быть функционализирован различными химическими группами, что может привести к образованию различных материалов, таких как оксид графена (функционализированный кислородом и гелием) или фторированный графен (функционализированный фтором).

Дополнительная литература

Механические свойства графена и нанокомпозитов на его основе

Abstract

В этом обзоре рассматривается текущее состояние внутренних механических свойств материалов семейства графена, а также получение и свойства объемного графена. нанокомпозиты на основе тщательно изучены.Ясно продемонстрирована полезность рамановской спектроскопии для характеристики и изучения механических свойств графеновых чешуек и их композитов. Кроме того, обсуждаются стратегии получения объемных нанокомпозитов на основе графена и анализируются механические свойства нанокомпозитов, описанные в литературе. В частности, путем анализа нескольких сотен литературных работ по графеновым композитам мы обнаружили уникальную корреляцию между модулем наполнителя, полученным из правила смесей, и композитной матрицей.Обнаружено, что эта корреляция сохраняется для широкого диапазона полимерных матриц и, таким образом, предполагает, что общее предположение о том, что модуль упругости наполнителя не зависит от матрицы, неверно, что объясняет очевидные низкие характеристики графена в некоторых системах. Присутствие графена даже при очень низких нагрузках может обеспечить значительное усиление конечного материала, в то время как параметры, которые сильно влияют на нанокомпозит, тщательно изучены. Наконец, обсуждаются потенциальные приложения и будущие перспективы в отношении возможностей увеличения масштабов и возможных разработок нанокомпозитных материалов на основе графена.

Ключевые слова

Графен

Нанокомпозиты

Механические свойства

Рамановская спектроскопия

Микромеханика

Армирование

Сокращения

ABS

акрилонит, бутадиен, стирол, полиакрилонитриды

, полиамид

, CTBN, бутадиен, стирол,

, полиамид

, CTBN,

, бутадиен, концевые группы, акрилон,

, CTBN,

(этиленвиниловый спирт)

fGNP

функционализированные нанопластинки графена

fMWCNT

функционализированные многослойные углеродные нанотрубки

frGO

функционализированный восстановленный оксид графена

GNP

графеновые нанопластинки

HDPE

сополимер

-полиэтилен

-II LLDPE

линейный полиэтилен низкой плотности

MVQ

метил-винил-силикон (силиконовый каучук)

MWCNT

многослойные углеродные нанотрубки

OPBI

поли [2,2 ‘- (п-оксидифенилен) -5,5’-бибензимидазол]

PBS

поли (бутилен сукцинат) 900 06 ПЭТ

поли (этилентерефталат)

ПММА

поли (метилметакрилат)

ПТФЭ

политетрафторэтилен

ПТТ-ПТМО

сополимер поли (триметилентерефталат-блок-тетраметиленоксид)

ПВДФ-

поли (винилфтор)

фтор поли (ПВДФ

) (винилиденфторид- co -гексафторпропилен)

RGO

восстановленный оксид графена

SBR

бутадиен-стирольный каучук

TPU

термопластичный полиуретан

UHMWPE

-WPU сверхвысокомолекулярный полиуретан

-бортовой полиэтилен

-бор VMQ полиэтилен

VMQ

XNBR

Карбоксилированный акрилонитрилбутадиеновый каучук

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Просмотреть аннотацию

© 2017 Авторы.Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

Свойства графена и его применение

Технологический прогресс зависел от открытия новых материалов и реализации их приложений. С тех пор, как человек открыл металл, началась гонка за открытием или синтезом более прочных и прочных материалов для использования. Начиная с открытия бронзы, затем переходя к железу и, наконец, к стали, до настоящего времени у нас было несколько чрезвычайно революционных открытий.Однако ни одно из этих открытий, возможно, не имело такого большого влияния, как открытие Graphene .

Что такое графен?

Проще говоря, графен — это форма углерода, основная структура которого состоит из одного листа атомов углерода, организованных в виде сот. Он классифицируется как полуметалл и образует базовую структуру для нескольких веществ на основе углерода, включая алмаз, графит, углеродные нанотрубки, древесный уголь и фуллерены.

Вы можете представить графен как одну большую молекулу с неопределенным числом атомов углерода, расположенными в гексагональной решетке.

У графена есть несколько уникальных свойств, которые не наблюдаются вместе ни в одном другом известном человеку материале. Графен не только значительно прочнее самой прочной промышленной стали, но также обладает превосходной проводимостью для тепла и электричества и демонстрирует замечательную способность выдерживать высокие температуры, давление и электричество. Несмотря на все эти сильные свойства, материал практически настолько тонкий (всего 1 атом толщиной), что кажется совершенно прозрачным невооруженным глазом.

Как выглядит графен?

Графен можно лучше всего представить как однослойный лист атомов углерода, где каждый атом присоединен к точно 3 соседним атомам углерода с помощью sp²-гибридизированной связи. Каждый отдельный атом углерода в этой структуре имеет всего 4 связи — 1 σ-связь с 3 соседними атомами углерода и 1 π-связь, ограниченная одной плоскостью.

Это образует идеальную шестиугольную решетку, очень похожую на соты, которые мы видим. Это полностью двумерная структура, что делает ее чрезвычайно тонкой и полностью прозрачной.

Какие бывают типы графена?

Благодаря впечатляющим и уникальным свойствам графена у нас есть ноу-хау для разработки различных типов графена сегодня. Подлинный графен обычно существует в виде однослойного листа атомов углерода. Его можно использовать в его первоначальной форме, или его также можно легко снять с подложки и достаточно легко перенести на другой материал или подложку.

Некоторые из наиболее распространенных типов графена включают:

Как создается графен?

Графен не встречается в исходной форме, но его необходимо синтезировать искусственно.Для синтеза материала обычно используются 3 метода, а именно:

  • Механическое отщепление от природного графита
  • Химическая / плазменная эксфолиация из природного графита
  • Химическое осаждение из паровой фазы

Каковы свойства графена?

Графен обладает невероятно уникальными свойствами, которых нет ни в одном другом известном нам сегодня материале.

Давайте проверим впечатляющие свойства графена и узнаем, что делает этот материал поистине революционным для развития современного материаловедения и технологий:

Электронные свойства графена

Графен считается полупроводником с нулевой запрещенной зоной, хотя он демонстрирует впечатляющую подвижность электронов при средней температуре.Движение электронов внутри материала невероятно плавное и свободное, поскольку весь материал обладает делокализованной системой пи-электронных связей для своих атомов углерода.

Кроме того, поскольку отсутствуют запрещенные зоны, так как пи-электроны перекрывают друг друга, это дополнительно облегчает свободное и плавное движение электронов в графене без необходимости добавления дополнительной энергии в систему. Эти впечатляющие электронные свойства графена заставляют электроны внутри него действовать почти как фотоны в том, что касается их движения.

Термические свойства графена

Графен, помимо впечатляющих электронных свойств, также демонстрирует отличные тепловые свойства. Благодаря своей однородной и хорошо связанной структуре графен может превосходно проводить тепловую энергию в одной плоскости. Хотя межплоскостная теплопроводность изначально оказалась проблемой, вскоре ее удалось преодолеть путем простого добавления других наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки, чтобы повысить теплопроводность между двумя разными плоскостями.

Механические свойства графена

Это впечатляющие механические свойства графена, которые дали ему название «чудесный материал»:

Прочность

Графен обладает невероятной прочностью и является самым прочным материалом, известным человеку в настоящее время. Он обладает замечательной прочностью на разрыв и чрезвычайно легким.

Это превосходно проявляется при использовании графена в качестве средства для значительного усиления любого другого композитного материала.

Эластичность

Графен обладает исключительной гибкостью благодаря повторяющимся sp²-гибридным связям, соединяющим его одиночные атомы углерода друг с другом в идеальную гексагональную решетку. Несмотря на свою чрезвычайно гибкую природу, он имеет достаточную жесткость и достаточно стабилен, чтобы противостоять изменениям в его образовании и добавлению других ионов вокруг него.

Каковы применения графена?

Вот некоторые из наиболее актуальных и потенциальных применений графена, благодаря впечатляющим и уникальным свойствам графена:

  • Датчики — Одноатомная плоскость графена позволяет обнаруживать даже самые незначительные изменения в окружающей среде. , что делает его чрезвычайно полезным для использования в датчиках.
  • Батареи — Использование графена для замены обычных анодов и катодов в обычных устройствах накопления энергии может значительно улучшить распознавание технологии накопления энергии из-за его различной электропроводности и оптимально открытой площади поверхности.
  • Композиты — Использование графена для улучшения обычных структурных композитов не только делает их более прочными, но и значительно снижает их вес.

Свойства графена и их применение в наноэлектронике

  • Acheson, E.Г .: Производство графита. Город Мононгахела, Пенсильвания (1896 г.)

    Google Scholar

  • Albaugh, K.B .: Электродные явления при анодном связывании кремния с боросиликатным стеклом натрия. J. Electrochem. Soc. 138 (10), 3089–3094 (1991)

    ADS

    Google Scholar

  • Аль-Захрани, А.З., Шривастава, Г.П .: Графен на графит: электронные изменения в расчетах методом DFT.Braz. J. Phys. 39 (4), 694–698 (2009)

    Google Scholar

  • Авурис, П .: Графен: электронные и фотонные свойства и устройства. Nano Lett. 10 , 4285–4294 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Бадами Д.В .: Графитизация α-карбида кремния. Природа 193 (4815), 569–570 (1962)

    ADS

    Google Scholar

  • Банхарт, Ф., Котакоски, Дж., Крашенинников, А.В .: Структурные дефекты в графене. АСУ Нано 5 (1), 26–41 (2011)

    Google Scholar

  • Биль, Б., Блазе, X., Триозон, Ф., Рош, С.: аномальные эффекты легирования на перенос заряда в графеновых нанолентах. Phys. Rev. Lett. 102 , 096803 (2009)

    ADS

    Google Scholar

  • Бонаккорсо, Ф., Сан, З., Хасан, Т., Ferrari, A.C .: Графеновая фотоника и оптоэлектроника. Nature Photonics 4 , 611–622 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Бонаккорсо, Ф., Ломбардо, А., Хасан, Т., Сан, З., Коломбо, Л., Феррари, А.К .: Производство и обработка графена и 2D кристаллов. Матер. Сегодня 15 (12), 564–589 (2012)

    Google Scholar

  • Боровиков В., Зангвилл А.Ступенчатая нестабильность при эпитаксиальном росте графена из SiC (0001). Phys. Rev. B pp 1–4 (2009)

  • Cai, J., Ruffieux, P., Jaafar, R., Bieri, M., Braun, T., Blankenburg, S., Muoth, M., Seitsonen , А.П., Салех, М., Фен, X., Фазель, Р.: Изготовление графеновых нанолент снизу вверх с атомарной точностью. Природа 466 , 470–473 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Казираги, К., Хартшу, А., Лидорикис, Э., Цянь, Х., Арутюнян, Х., Гокус, Т., Новоселов, К.С., Феррари, А.К .: Рэлеевское построение изображений графена и графеновых слоев. Nano Lett. 7 (9), 2711–2717 (2007)

    ADS

    Google Scholar

  • Селис, А., Наир, М.Н., Талеб-Ибрахими, А., Конрад, Э.Х., Бергер, К., де Хеер, В.А., Техеда, А.: Графеновые наноленты: изготовление, свойства и устройства. J. Phys. D Прил. Phys. 49 (143001), 1–17 (2016)

    Google Scholar

  • Чан, К.Т., Нитон, Дж. Б., Коэн, М. Л .: Изучение адсорбции адатомов металлов на графене из первых принципов. Phys. Ред. B 77 , 235430 (2008)

    ADS

    Google Scholar

  • Чен, Ю.С., де Отейза, Д.Г., Педрамрази, З., Чен, К., Фишер, Ф.Р., Кромми, М.Ф .: Настройка запрещенной зоны графеновых нанолент, синтезированных из молекулярных предшественников. САУ Нано 23 (7), 6123–6128 (2013)

    Google Scholar

  • Ченг, М., Ян, Р., Чжан, Л., Ши, З., Ян, В., Ван, Д., Т.е., Г., Ши, Д., Чжан, Г.: Восстановление графена из оксида графена путем ремонта дефектов. . Углерод 50 , 2581–2587 (2012)

    Google Scholar

  • Chhowalla, M., Teoa, KBK, Ducati, C., Rupesinghe, NL, Amaratunga, GAJ, Ferrari, AC, Roy, D., Robertson, J., Milne, WI Условия процесса выращивания вертикально ориентированного углерода нанотрубки с использованием плазменного химического осаждения из газовой фазы.Инженерный факультет Кембриджского университета, Кембридж CB PZ, Великобритания. J. Appl. Phys. 90 , 10 (2001)

  • Чо, А.Ю., Артур, Дж. Р.: Молекулярно-лучевая эпитаксия. Прог. Solid State Chem. Sci. Прямой. 10 (3), 157–219 (1975)

    Google Scholar

  • Криси Д., Хаблер Г .: Импульсное лазерное осаждение тонких пленок. Wiley-VCH (2003)

  • Ci, L., Song, L., Jin, C., Джаривала, Д., Ву, Д., Ли, Ю., Шривастава, А., Ван, З.Ф., Сторр, К., Баликас, Л.: Атомные слои гибридизированных доменов нитрида бора и графена. Nat. Матер. 9 , 430–435 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Крету, О., Крашенинников, А.В., Родригес-Манзо, Дж.А., Сан, Л., Ниеминен, Р.М., Банхарт, Ф .: Миграция и локализация атомов металлов на деформированном графене. Phys. Rev. Lett. 105 , 196102 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Куонг, Т.В., Фам В.Х., Тран, К.Т., Чуанг, Дж.С., Шин, Э.В., Ким, Дж.С., Ким, Э.Дж .: Оптоэлектронные свойства тонких пленок графена, полученных термическим восстановлением оксида графена. Матер. Lett. 64 , 765–767 (2010)

    Google Scholar

  • Диес-Паскуаль, А.М., Санчес, Дж.А.Л., Капилла, Р.П., Диас, П.Г .: Последние разработки в области нанокомпозитов графен / полимер для применения в полимерных солнечных элементах. Полимеры 10 , 217 (2018)

    Google Scholar

  • Драгоман, М.: Наноэлектроника на одном атомном листе. ПЗУ. Rep. Phys. 65 (3), 792–804 (2013)

    Google Scholar

  • Дрессельхаус, М.С., Дрессельхаус, Г .: Интеркаляционные соединения графита: достижения в области физики. Adv. Phys. 51 (1), 1–186 (2002)

    ADS

    Google Scholar

  • Феррари А.К., Робертсон Дж .: Интерпретация спектров комбинационного рассеяния неупорядоченного и аморфного углерода.Phys. Ред. B. 61 , 14095–14107 (2000)

    ADS

    Google Scholar

  • Гарг Р., Наба К., Датта С., Чоудхури Н.Р .: Разработка рабочих функций графена. Наноматериалы 4 , 267–300 (2014)

    Google Scholar

  • Халдар, С., Саньял, Б .: Дефекты в графене и его производных. В: Nayak, P.K. (ред.) Последние достижения в исследованиях графена, гл.10. С. 215–230. Риека, Хорватия, InTech (2016)

    Google Scholar

  • Хаскинс, Дж., Кинак, А., Севик, К., Севинчли, Х., Куниберти, Г., Чагин, Т .: Управление тепловым и электронным переносом в графеновых нанолентах, созданных с использованием дефектов. АСУ Нано 5 , 3779–3787 (2011)

    Google Scholar

  • Хазра, А., Басу, С .: Графеновая нанолента как потенциальный материал для межсоединений микросхемы — обзор.J. Carbon Res. 4 (49), 1–27 (2018)

    Google Scholar

  • He, H., Klinowski, J., Forster, M., Lerf, A .: Новая структурная модель оксида графита. Chem. Phys. Lett. 287 , 5356 (1998)

    Google Scholar

  • Эрнандес, Ю., Николози, В., Лотия, М., Блиге, FM, Сан, З., Де, С., Макговерн, ИТ, Холланд, Б., Бирн, М., Гун’Ко , Ю.К., Боланд, Дж.Дж., Нирадж, П., Дюсберг, Г., Кришнамурти, С., Гудхью, Р., Хатчисон, Дж., Скардачи, В., Феррари, А.С., Коулман, Дж. фазовое расслоение графита. Nat. Nanotechnol. 3 , 563–568 (2008)

    ADS

    Google Scholar

  • Эрнандес, Ю., Николози, В., Лотя, М., Блиге, FM, Сан, З., Де, С., Макговерн, ИТ, Холланд, Б., Бирн, М., Гунько , Ю.К .: Высокопроизводительное получение графена жидкофазным расслоением графита.Nat. Nanotechnol. 3 , 563–568 (2008)

    ADS

    Google Scholar

  • Хуа-Цян, В., Чанг-Ян, Л., Хун-Мин, Л., Хэ, К .: Применение графена в электронных и оптоэлектронных устройствах и схемах. Подбородок. Phys. Б. 22 , 9 (2013)

    Google Scholar

  • Хуанг, Х., Вэй, Д., Сан, Дж., Вонг, С.Л., Фэн, Ю.П., Нето, А.Х.К., Ви, А.Т.С.: Пространственно-разрешенные электронные структуры кресельных графеновых нанолент с атомарной точностью.Sci. Док. 2 (983), 1–7 (2012)

    Google Scholar

  • Hwang, WS, Zhao, P., Tahy, K., Nyakiti, LO, Wheeler, VD, Myers-Ward, RL, Eddy, CR, Gaskill, DK, Робинсон, JA, Haensch, W., Xing , Х.Г., Сибо, А., Йена, Д.: Полевые транзисторы с графеновой нанолентой на эпитаксиальном графене в масштабе пластины на подложках SiC. APL Mate Mater. 3 (011101), 1–9 (2015)

    Google Scholar

  • Инагаки, М.: Применение соединений интеркаляции графита. J. Mater. Res. 4 , 6 (1989)

    Google Scholar

  • Jing, N., Xue, Q., Ling, C., Shan, M., Zhang, T., Zhou, X., Jiao, Z .: Влияние дефектов на модуль Юнга графеновых листов: a моделирование молекулярной динамики. RSC Adv. 2 , 9124–9129 (2012)

    ADS

    Google Scholar

  • Калхор, Н., Боден, С.А., Мизута, Х .: Формирование рисунка размером менее 10 нм с помощью сфокусированного ионно-гелийного пучка для изготовления уменьшенных графеновых наноустройств. Микроэлектрон. Англ. 114 , 70–77 (2014)

    Google Scholar

  • Кан, Э., Ли, З., Янг, Дж. Графеновые наноленты: геометрические, электронные и магнитные свойства в физике и приложениях теории графена. В кн .: Михайлов С. (ред.), С. 331–348. InTech 16 (2011)

  • Каруи, С., Амара, Х., Бичара, К., Дюкастель, Ф .: Заживление дефектного графена с помощью никеля. ACS (Американское химическое общество) Nano 10 , 6114–6120 (2010)

    Google Scholar

  • Кацнельсон, М.И .: Графен: углерод в двух измерениях. Материалы сегодня 10 (1–2), 20–27 (2007)

    Google Scholar

  • Керн, В., Шнабл, Г.Л .: Химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении для очень крупномасштабной интегрированной обработки — обзор.IEEE Trans. Электрон Дев. 26 (4), 647–657 (1979)

    ADS

    Google Scholar

  • Клирос, Г.С.: Феноменологическая модель квантовой емкости однослойных и двухслойных графеновых устройств. Греческая военно-воздушная академия (2011)

  • Кон, В., Шам, Л.Дж .: Самосогласованные уравнения, включая эффекты обмена и корреляции. Phys. Ред. 140 , 1133–1138 (1965)

    ADS
    MathSciNet

    Google Scholar

  • Ковтун, А., Treossi, E., Mirotta, N., Scidà, A., Liscio, A., Christian, M., Valorosi, F., Boschi, A., Young, RJ, Galiotis, C., Kinloch, IA, Morandi , В., Палермо, В.: Сравнительный анализ материалов на основе графена: реальные коммерческие продукты по сравнению с идеальным графеном. 2D Mater. 6 , 25006 (2019)

    Google Scholar

  • La, D.D., Nguyen, T.A., Nguyen, T.T., Ninh, H.D., Thi, H.P.N., Nguyen, T.T., Nguyen, D.A., Dang, T.D., Rene, E.R., Chang, S.W., Thi, H.T., Nguyen, D.D .: Поглощающее поведение графеновых нанопластин по отношению к маслам и органическим растворителям в загрязненной воде. Устойчивое развитие 11 , 7228 (2019)

    Google Scholar

  • Ли, Дж. Х., Парк, С. Дж., Чой, Дж. У .: Электрические свойства графена и его применение в электрохимическом биосенсоре. Наноматериалы 9 , 297 (2019)

    Google Scholar

  • Li, X., Цай, В., Ан, Дж., Ким, С., На, Дж., Янг, Д., Пинер, Р., Веламаканни, А., Юнг, И., Тутук, Э .: Синтез большой площади качественных и однородных графеновых пленок на медных фольгах. Наука 324 , 1312–1314 (2009)

    ADS

    Google Scholar

  • Ли, Н., Ченг, Ю., Сун, К., Цзян, З., Тан, М., Ченг, Г.: Графен встречается с биологией. Подбородок. Sci. Бык. 59 (13), 1341–1354 (2014)

    Google Scholar

  • Ли, М., Дэн, Т., Чжэн, Б., Чжан, Ю., Ляо, Ю., Чжоу, Х .: Влияние дефектов на механические и термические свойства графена. Наноматериалы 9 , 347 (2019)

    Google Scholar

  • Липсон, Х., Стокс, А.Р .: Структура графита. 984. Proc. R. Soc. А. 181 , 101 (1942)

    ADS

    Google Scholar

  • Лю, Л., Цин, М., Ван, Ю., Чен, С.: Дефекты в графене: образование, заживление и их влияние на свойства графена: обзор. J. Mater. Sci. Technol. 31 , 599–606 (2015)

    ADS

    Google Scholar

  • Magda, GZ, Jin, X., Hagymasi, I., Vancso, P., Osvath, Z., Nemes-Incze, P., Wang, C., Biro, LP, Tapaszto, L .: Room -температурный магнитный порядок на зигзагообразных краях узких графеновых нанолент. Природа 514 , 608–616 (2015)

    ADS

    Google Scholar

  • Маркано, Д.К., Косынкин, Д.В., Берлин, Дж. М., Синицкий, А., Сан, З., Слесарев, А., Алемани, Л.Б., Лу, В., Тур, Дж. М .: Улучшенный синтез оксида графена. АСУ Нано 4 , 4806–4814 (2010)

    Google Scholar

  • Марков, С., Квок, Ю., Ли, Дж., Чжоу, В., Чжоу, К.Г .: Фундаментальный предел масштабирования полевых кремниевых транзисторов из-за прямого туннелирования исток-сток. IEEE Trans. Электрон Дев. 66 (3), 1167–1173 (2019)

    ADS

    Google Scholar

  • Мартини, Л., Chen, Z., Mishra, N., Barin, GB, Fantuzzi, P., Ruffieux, P., Fasel, R., Feng, X., Narita, A., Coletti, C., Müllen, K., Кандини, A .: Структурно-зависимые электрические свойства устройств из графеновых нанолент с графеновыми электродами. Углерод 146 , 36–43 (2019)

    Google Scholar

  • Мартино, С., Д’Анджело, Ф., Арментано, И., Кенни, Дж. М., Орлаккио, А .: Взаимодействие стволовых клеток и биоматериалов для регенеративной медицины. Biotechnol.Adv. 30 (1), 338–351 (2012)

    Google Scholar

  • Мин Ф., Зангвилл А .: Модель и моделирование эпитаксиального роста графена на неплоских поверхностях 6H – SiC. J. Phys. D Прил. Phys. 45 (15), 1–6 (2012)

    Google Scholar

  • Миямото, Й., Чжан, Х., Томанек, Д .: Фотоэксфолиация графена из графита: исследование Ab initio.Phys. Rev. Lett. 104 , 20–21 (2010)

    Google Scholar

  • Молдт, Т., Экманн, А., Клар, П., Морозов, С.В., Жуков, А.А., Новоселов, К.С., Казираги, Ч .: Производство и перенос хлопьев графена, полученных анодным соединением, с высоким выходом. АСУ Нано 5 (10), 7700–7706 (2011)

    Google Scholar

  • Нарита, А., Чен, З., Чен, К., Мюллен, К.: Решение и синтез на поверхности структурно определенных графеновых нанолент как нового семейства полупроводников. R. Soc. Chem. 10 , 964–975 (2019)

    Google Scholar

  • Норимацу В., Кусуноки М .: Процесс образования графена на SiC (0 0 0 1). Phys. E Низкое измерение. Syst. Наноструктура. 42 (4), 691–694 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Новоселов, К.С., Цзян, Д., Щедин, Ф., Бут, Т.Дж., Хоткевич, В.В., Морозов, С.В., Гейм, А.К .: Двумерные атомные кристаллы. PNAS 102 (30), 10451–10453 (2005)

    ADS

    Google Scholar

  • Новоселов, К.С., Гейм, А.К., Кастро Нето, А.Х., Гвинея, Ф., Перес, Н.М.Р .: Электронные свойства графена. Ред. Мод. Phys. 81 , 109–162 (2009)

    ADS

    Google Scholar

  • Новоселов, К.С., Фалько, В.И., Коломбо, Л., Геллерт, П.Р., Шваб, М.Г., Ким, К .: Дорожная карта для графена. Природа 490 , 192–200 (2012)

    ADS

    Google Scholar

  • Огава, Ю., Комацу, К., Кавахара, К., Цудзи, М., Цукагоши, К., Аго, Х .: Структура и транспортные свойства границы раздела между доменами графена, выращенными методом CVD. Дополнительные электронные материалы (ESI) для наномасштаба 6 , 7288–7294 (2014)

    Google Scholar

  • Охха, К., Анджанеюлул, О., Гангули, А.К .: Гибридные материалы на основе графена: синтетические подходы и свойства. Curr. Sci. 107 (3), 397–418 (2014)

    Google Scholar

  • Perdereau, J., Rhead, G .: E. Surf. Наука 24 (551), 272 (1971)

    Google Scholar

  • Фам, Т.А., Ким, Дж.С., Ким, С., Чжон, Ю.Т .: Одностадийное восстановление оксида графена с l-глутатионом.Colloids Surf. Физ. Англ. Asp. 384 , 543–548 (2011)

    Google Scholar

  • Пинто, A.M., Гонсалвес, I.C., Magalhães, F.D .: Биосовместимость материалов на основе графена: обзор. Colloids Surf. B Био-интерфейсы. 111 , 188–202 (2013)

    Google Scholar

  • Qi, Z.J., Rodriguez-Manzo, J.A., Botello-Mendez, A.R., Hong, S.J., Stach, E.A., Парк, Ю.В., Шарлье, Дж. К., Дрндич, М., Джонсон, A.T.C .: Корреляция атомной структуры и транспорта в суспендированных графеновых нанолентах. Nano Lett. 14 (8), 4238–4244 (2014)

    ADS

    Google Scholar

  • Радамсон, HH, He, X., Zhang, Q., Liu, J., Cui, H., Xiang, J., Kong, Zh., Xiong, W., Li, J., Gao, J., Yang, H., Gu, S., Zhao, X., Du, Y., Yu, J., Wang, G .: Миниатюризация CMOS. Микромашины 10 (293), 1–52 (2019)

    Google Scholar

  • Радсар, Т., Халези, Х., Годс, В., Изадбахш, А. Влияние размера канала и концентрации примеси на контактах истока и стока на характеристики полевого транзистора. Silicon, Springer Nature B.V. (2020)

  • Radsar, T., Khalesi, H., Ghods, V. Повышение эффективности полевых транзисторов с графеновой нанолентой с использованием алюмината лантана в качестве диэлектрика затвора. J. Comput. Электрон. (2020)

  • Разавие, А., Зейтцофф, П., Новак, Э.Дж .: Проблемы и ограничения масштабирования CMOS для FinFET и других архитектур.IEEE Trans. Nanotechnol. 18 , 999–1004 (2019)

    ADS

    Google Scholar

  • Ри, К.Ю .: Электронные и тепловые свойства графена. Наноматериалы 10 (926), 1-2 (2020)

    Google Scholar

  • Рибейро, Р., Пумироль, Дж. М., Крести, А., Эскофье, В., Гойран, М., Брото, Ж.-М., Рош, С., Раке, Б.: Раскрытие магнитной структуры графеновых нанолент.Phys. Rev. Lett. 107 , 8 (2011)

    Google Scholar

  • Richter, N., Chen, Z., Tries, A., Prechtl, T., Narita, A., Müllen, K., Asadi, K., Bonn, M., Kläui, M .: Charge транспортный механизм в сетях кресельных графеновых нанолент. Sci. Rep. Nat. Res. 2020 (10), 1–8 (1988)

    Google Scholar

  • Родригес, С.Т., Гросу, И., Крисан, М., Ифреа, Т .: Термоэлектрические транспортные свойства в соединенных графеном молекулярных контактах. Phys. E Низкое измерение. Syst. Наноструктура. Прямой. 96 , 1–5 (2018)

    ADS

    Google Scholar

  • Сато С. Применение графена в электронных устройствах. В: IEEE, 24th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Display and Devices (AM-FPD), pp. 90–93 (2017)

  • Sato, S., Harado, N., Kondo, D., Ohfuchi, М.: Графен — новый материал для наноэлектроники. FUJITSU Sci. Tech. J. 46 (1), 103–110 (2010)

    Google Scholar

  • Сато, С., Харада, Н., Кондо, Д., Офучи, М .: Графен — новый материал для наноэлектроники. FUJITSU Sci. Tech. J. 46 (1), 103–110 (2010)

    Google Scholar

  • Саху, С.С., Самантара, А.К., Моханта, Дж., Бикаш, Дж. К., Си, С.: Графен: свойства синтеза и применение, стр. 139–193. Wiley (2015)

  • Сантош, К., Тивари, А., Суманта Саху, Б., Наннан Ван, А., Хучко, А.: Исследования графена и их результаты: состояние и перспективы. J. Sci. Adv. Матер. Dev. 5 , 10–29 (2020)

    Google Scholar

  • Шелтон, Дж. К., Патил, Х. Р., Блейкли, Дж. М .: Равновесная сегрегация углерода на поверхности никеля (111): поверхностный фазовый переход.Серфинг. Sci. 43 (2), 493–520 (1974)

    ADS

    Google Scholar

  • Шенде, П., Августин, С., Прабхакар, Б .: Обзор графеновых нанолент для передовых биомедицинских приложений. Carbon Lett. 30 , 465–475 (2020)

    Google Scholar

  • Сингх Р., Кумар Д., Трипати К.К .: Графен: потенциальный материал для приложений наноэлектроники.Индийский J. Pure Appl. Phys. 53 , 501–513 (2015)

    Google Scholar

  • Skoda, M., Dudek, I., Jarosz, A., Szukiewicz, D .: Графен: один материал, много возможностей трудности применения в биологических системах. J. Nanomater. 2014 , 1–14 (2014)

    Google Scholar

  • Солдано, К., Талапатра, С., Кар, С .: Углеродные нанотрубки и графеновые наноленты: потенциалы для электрических межсоединений в наномасштабе.Электроника 2 , 280–314 (2013)

    Google Scholar

  • Suntola, T., Riihel, D., Ritala, M., Matero, R., Leskelä, M .: Введение в атомно-слойную эпитаксию для осаждения тонких оптических пленок. Матер. Sci. Rep. Sci. Прямой 289 (1–2), 250–255 (1996)

    Google Scholar

  • Сур, Великобритания: Графен: восходящая звезда на горизонте материаловедения.Int. J. Electrochem. 2012 , 1–12 (2012)

    Google Scholar

  • Тапасто, Л., Добрик, Г., Ламбин, П., Биро, Л.П .: Настройка атомной структуры графеновых нанолент с помощью литографии на сканирующем туннельном микроскопе. Nat. Nanotechnol. 7 , 397–401 (2008)

    Google Scholar

  • Табита, П., Шарина, Д., МакШан, Д., Дасмахапатра, А.К., Пол, Б.: Чоунву, обзор наноматериалов на основе графена в биомедицинских приложениях и рисков для окружающей среды и здоровья. Nano-Micro Lett. 10 , 53 (2018)

    ADS

    Google Scholar

  • Тиан, В., Ли, В., Ю, В., Лю, X .: Обзор дефектов решетки в графене: типы, поколение. Эфф. Regul. Микромах. 8 , 163 (2017)

    Google Scholar

  • Вакабаяси, А., Сасаки, К.И., Наканиши, Т., Эноки, Т .: Электронные состояния графеновых нанолент и аналитических растворов. Sci. Technol. Adv. Матер. 11 , 1–18 (2010)

    Google Scholar

  • Ван Б., Пантелидес С.Т. Управляемое заживление дефектов и легирование графена азотом молекулами CO и NO. Phys. Rev. B 83 (2011)

  • Ван, Й., Шао, Ю., Матсон, Д. У., Ли, Дж., Лин, Ю.: Графен, допированный азотом, и его применение в электрохимическом биосенсоре.АСУ Нано 4 , 1790–1798 (2010)

    Google Scholar

  • Вэй, З., Ван, Д., Ким, С., Ким, С.Ю., Ху, Ю., Якс, М.К., Ларакуенте, АР, Дай, З., Мардер, С.Р., Бергер, К., King, WP, Heer, WAC, Sheehan, PE, Riedo, E .: Наномасштабное настраиваемое восстановление оксида графена для графеновой электроники. Наука 328 (5984), 1373–1376 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Ву, Дж., Pisula, W., Müllen, K .: Химический обзор, 718. Graphenes Potential Mater. Электрон. 107 (3), 718–747 (2007)

    Google Scholar

  • Ву, З.С., Рен, В., Гао, Л., Лю, Б., Цзян, Ч., Ченг, Х.М.: Синтез высококачественного графена с заранее определенным количеством слоев. Углерод 47 , 493–499 (2009)

    Google Scholar

  • Сюй, Т., Сунь, Л.Структурные дефекты графема. В: Дефекты в передовых электронных материалах и новых низкоразмерных структурах (2018)

  • Сюй, З., Сюэ, К .: Разработка графена путем окисления: исследование из первых принципов. Нанотехнологии 21 , 045704 (2010)

    ADS

    Google Scholar

  • Ядав, Р., Тирумали, М., Ван, X., Наэбе, М., Кандасубраманян, Б.: Полимерный композит для антистатического применения в аэрокосмической отрасли.Def. Technol. 16 , 107–118 (2020)

    Google Scholar

  • Ян, Г., Ли, Л., Ли, У. Б., Чунг Нг, М .: Структура графена и ее нарушения: обзор. Sci. Technol. Adv. Матер. 19 (1), 613–648 (2018)

    Google Scholar

  • Юнг К.С., Ву В.М., Пирпойнт М.П., ​​Кусмарцев Ф.В.: Введение в графеновую электронику — новую эру цифровых транзисторов и устройств.Contemp. Phys. 54 , 233–251 (2013)

    ADS

    Google Scholar

  • Зандиаташбар, А., Ли, Г.-Х., Ан, С.Дж., Ли, С., Мэтью, Н., Терронес, М., Хаяши, Т., Пику, ЧР, Хоун, Дж., Кораткар, Н .: Влияние дефектов на внутреннюю прочность и жесткость графена. Nat. Commun. 3186 , 1–9 (2014)

    Google Scholar

  • Чжан, Дж., Ли, Дж.Состояние и перспективы применения о новых материалах, графене. В: MATEC Web of Conferences (2017)

  • Zhang, Y., Nayak, T.R., Hong, H., Cai, W.: Graphene: универсальная наноплатформа для биомедицинских приложений. Наномасштаб 4 (13), 3833–3842 (2012a)

    ADS

    Google Scholar

  • Чжан, Ю.Ю., Ченг, Ю., Пей, Q.X., Ван, К.М., Сян, Ю.: Теплопроводность дефектного графена. Phys. Lett. 376 , 3668–3672 (2012b)

    Google Scholar

  • Чжао, Дж., Пей, С., Рен, В., Гао, Л., Ченг, М .: Эффективная подготовка листов оксида графена большой площади для создания прозрачных проводящих пленок. АСУ Нано 4 , 5245–5252 (2010)

    Google Scholar

  • Чжао, В.С., Фу, К., Ван, Д.В., Ли, М., Ван, Г., Инь, У.Й .: Моделирование и анализ характеристик наноуглеродных межсоединений.Прил. Sci. 2174 , 1–21 (2019)

    ADS

    Google Scholar

  • Чжун, Д., Тиммер, А., Агдасси, Н., Франке, Дж. Х., Чжан, Х., Фенг, X., Мюлен, К., Фукс, Х., Чи, Л., Захариас, З. Электронная структура пространственно ориентированных графеновых нанолент на Au (788). Phys. Rev. Lett. 108 (2012)

  • Чжоу, З., Яп, Ю.К .: Двумерная электроника и оптоэлектроника: настоящее и будущее. Электроикс 6 , 53 (2017)

    Google Scholar

  • Свойства графена | Британника

    Представьте себе чашку кофе, по которой в режиме реального времени транслируются заголовки новостей; или кастрюля повара, которая обнаруживает присутствие E.бактерии coli до того, как они вызовут у вас заболевание или экран телевизора, тонкий и гибкий, как лист бумаги. Все это может стать реальностью, если чудо-материал под названием графен оправдает ожидания.

    Он проводит электричество так же, как медь, и проводит тепло лучше, чем любой другой известный материал. Толщина всего один атом, это также самый тонкий из известных материалов. И он прочнее стали. Графен сделан из простого старого углерода, одного из самых распространенных и знакомых нам элементов. Поэтому ученые были удивлены, обнаружив, что эта новая форма углерода обладает такими удивительными свойствами.

    Углерод бывает во многих кристаллических формах, называемых аллотропами. Наиболее известны алмаз и графит. Аллотропы — это разные формы одного и того же элемента с различным расположением связей между атомами, в результате чего структуры имеют разные химические и физические свойства. То, как атомы соединяются друг с другом в твердых материалах, оказывает огромное влияние на их общие свойства.

    Алмаз и кусок угля настолько разные, что вы никогда не догадаетесь, что они оба сделаны из одного и того же элемента — углерода.В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода. Это очень прочное расположение, которое делает алмазы одним из самых твердых известных материалов. В графите каждый атом углерода связан с тремя другими слоями шестиугольной формы, которые выглядят как проволочная сетка. Связи внутри гексагональных листов сильны, но каждый слой слабо притягивается к следующему, что позволяет слоям скользить друг относительно друга.

    В 2004 году два химика из Манчестерского университета в Великобритании использовали это свойство для создания образцов графена, которые помогли выявить его замечательные характеристики.Они использовали липкую ленту для разделения слоев углерода в графите. Чтобы получить представление о том, как работала их техника, представьте, как прижать липкую ленту к куску графита и оттянуть ее, оставив липкую поверхность, покрытую хлопьями графита. Затем прижмите липкую ленту к себе и разорвите ее. После нескольких повторений чешуйки на ленте будут иметь толщину всего в один атом — чистый графен. Поскольку графен имеет толщину всего один атом, он считается двухмерным материалом.

    Несмотря на то, что это самый тонкий из известных материалов, это также самый прочный материал из когда-либо испытанных, в сто раз прочнее стали.Давайте посмотрим на некоторые возможные варианты применения этого удивительного материала в будущем. Графен почти прозрачен для света. Еще это отличный проводник электричества. В результате графен может использоваться в сочетании с другими фотоэлектрическими устройствами для создания солнечных панелей, которые будут тонкими, гибкими и дешевыми. Эти легкие и гибкие солнечные панели могут покрывать внешнюю часть зданий, изготавливаться, чтобы соответствовать кузову автомобиля, или быть обернутыми вокруг мебели и одежды. Это может привести к появлению нового поколения экологически чистых домов и продуктов на солнечной энергии.

    Сегодня большинство сотовых телефонов и планшетов имеют сенсорные экраны. Эти сенсорные экраны несут электрический заряд. Когда ваш палец касается сенсорного экрана, часть заряда передается вам, поэтому заряд на экране уменьшается. Это уменьшение измеряется датчиками, расположенными в каждом углу экрана, и информация передается на процессор, который определяет, какие действия следует предпринять.

    Сенсорные экраны, сделанные с использованием графена в качестве проводящего элемента, можно печатать на тонком пластике вместо стекла.Так что они будут похожими и гибкими, что сделает сотовые телефоны тонкими, как лист бумаги. Кроме того, из-за невероятной силы графена эти сотовые телефоны практически невозможно сломать. Многие ученые ожидают, что этот тип сенсорного экрана станет первым графеновым продуктом, который появится на рынке.

    Поскольку графен тонкий и гибкий, его можно интегрировать в бионические устройства, которые можно имплантировать в живую ткань. Графен очень устойчив к солевым ионным растворам внутри живых тканей.Итак, бионические устройства из графена могут прослужить долго.

    Графен проводит электрические сигналы, поэтому он может быть связан с нейронами. Нейроны — это клетки, которые посылают слабые электрические сигналы от клетки к клетке тела. Представьте себе прокладку транзисторов из графена вдоль поврежденного спинного мозга. Эти нити графена могут доставлять нервные импульсы от неповрежденного участка спинного мозга мимо повреждения к нервам и мышцам. Если бы это сработало, это могло бы позволить людям снова использовать руки и ноги, потерянные для них из-за травм позвоночника.

    Эти потенциальные применения делают графен действительно интересным материалом, но предстоит еще долгий путь, прежде чем любой из этих продуктов станет реальностью. Главное препятствие — сделать листы графена достаточно большими и чистыми, чтобы их можно было использовать. Любые неуглеродные атомы могут нарушить идеальный гексагональный узор для графена. Многие образцы, изготовленные для исследований, имеют размер всего несколько квадратных миллиметров.

    Оставьте комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *