Структура графена: Подробнее описание строения и свойств графена

Содержание

Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении

https://ria.ru/20191218/1562539511.html

Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении

Ученые выяснили, что происходит с графеном при плавлении

РИА Новости, 18.12.2019

2019-12-18T16:24

2019-12-18T16:24

2019-12-18T16:24

наука

физика

химия

российский научный фонд

открытия — риа наука

курчатовский институт

российская академия наук

москва

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn23.img.ria.ru/images/104563/49/1045634943_93:0:1871:1000_1920x0_80_0_0_4bbdfd67f833ad25b988ddc93f94fc88.jpg

МОСКВА, 18 дек — РИА Новости. Российским ученым впервые удалось построить кривые плавления графита и графена — двух самых тугоплавких материалов в мире. Оказалось, что графен не плавится в прямом смысле этого слова, а сразу переходит из твердого состояния в газообразное, то есть «плавление» графена на самом деле является возгонкой. Результаты опубликованы в журнале Carbon.Несмотря на широкое применение графита в самых различных сферах, где имеют место сверхвысокие температуры, детали процесса его плавления до последнего времени оставались неясными. Практически неисследованным был и процесс плавления графена.Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования построили кривые плавления этих важных для промышленности и инновационных технологий материалов.Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе в металлургии и для тепловой защиты космических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при сверхвысоких температурах очень важны. Плавление графита начали изучать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в качестве температуры плавления называли цифры в диапазоне от 3000 до 7000 градусов Кельвина. Понятно, что при таком огромном разбросе результаты экспериментов не вызывали доверия. Самые разные значения температур плавления давали и компьютерные модели.Идея авторов исследования, Юрия Фомина и Вадима Бражкина заключалась в том, чтобы сравнить результаты нескольких компьютерных моделей, построенных с помощью двух различных методов: классической молекулярной динамики и первопринципных расчетов, учитывающих квантово-механические эффекты.Дело в том, что первый метод дает неточности из-за неучета квантовой механики, а второй — из-за того, что учитывает взаимодействие только небольшого количества атомов и на коротком промежутке времени. Сравнение результатов, полученных из разных теоретических моделей, позволило авторам найти объяснение экспериментальным результатам.Еще в 1960-е годы было предсказано, что на кривой плавления графита должен существовать максимум — структурный переход, в котором происходит плавное изменение структуры. Потом существование этого структурного перехода то подтверждали, то опровергали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графита претерпевает изменения, а значит, максимум существует. Вторая часть работы была посвящена исследованию процесса плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Компьютерные модели дают температуру плавления от 4500 до 4900 градусов Кельвина.Расчеты авторов исследования показывают, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита, но сам процесс имеет одну особенность.»В нашей работе мы обратили внимание на то, что «плавление» графена происходит неким странным образом — посредством образования линейных цепочек. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка», — приводятся в пресс-релизе института слова Юрия Фомина, доцента кафедры общей физики МФТИ.Результаты исследования позволяют лучше понять природу фазовых переходов в углеродных наноматериалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых технологий — от электроники до медицины.Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт».

https://ria.ru/20190513/1553328815.html

https://ria.ru/20191017/1559897092.html

москва

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn25.img.ria.ru/images/104563/49/1045634943_315:0:1648:1000_1920x0_80_0_0_bc927a9efb9e8443185890e0382392f5.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected] ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

физика, химия, российский научный фонд, открытия — риа наука, курчатовский институт, российская академия наук, москва

МОСКВА, 18 дек — РИА Новости. Российским ученым впервые удалось построить кривые плавления графита и графена — двух самых тугоплавких материалов в мире. Оказалось, что графен не плавится в прямом смысле этого слова, а сразу переходит из твердого состояния в газообразное, то есть «плавление» графена на самом деле является возгонкой. Результаты опубликованы в журнале Carbon.

Несмотря на широкое применение графита в самых различных сферах, где имеют место сверхвысокие температуры, детали процесса его плавления до последнего времени оставались неясными. Практически неисследованным был и процесс плавления графена.

Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования построили кривые плавления этих важных для промышленности и инновационных технологий материалов.

Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе в металлургии и для тепловой защиты космических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при сверхвысоких температурах очень важны. Плавление графита начали изучать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в качестве температуры плавления называли цифры в диапазоне от 3000 до 7000 градусов Кельвина. Понятно, что при таком огромном разбросе результаты экспериментов не вызывали доверия. Самые разные значения температур плавления давали и компьютерные модели.

13 мая 2019, 09:00Наука»От графена до максена»: ученые создают новые двумерные материалы

Идея авторов исследования, Юрия Фомина и Вадима Бражкина заключалась в том, чтобы сравнить результаты нескольких компьютерных моделей, построенных с помощью двух различных методов: классической молекулярной динамики и первопринципных расчетов, учитывающих квантово-механические эффекты.

Дело в том, что первый метод дает неточности из-за неучета квантовой механики, а второй — из-за того, что учитывает взаимодействие только небольшого количества атомов и на коротком промежутке времени. Сравнение результатов, полученных из разных теоретических моделей, позволило авторам найти объяснение экспериментальным результатам.

Еще в 1960-е годы было предсказано, что на кривой плавления графита должен существовать максимум — структурный переход, в котором происходит плавное изменение структуры. Потом существование этого структурного перехода то подтверждали, то опровергали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графита претерпевает изменения, а значит, максимум существует.

Вторая часть работы была посвящена исследованию процесса плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Компьютерные модели дают температуру плавления от 4500 до 4900 градусов Кельвина.

Расчеты авторов исследования показывают, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита, но сам процесс имеет одну особенность.

«В нашей работе мы обратили внимание на то, что «плавление» графена происходит неким странным образом — посредством образования линейных цепочек. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка», — приводятся в пресс-релизе института слова Юрия Фомина, доцента кафедры общей физики МФТИ.

17 октября 2019, 14:42НаукаУченые превратили морскую губку в графит

Результаты исследования позволяют лучше понять природу фазовых переходов в углеродных наноматериалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых технологий — от электроники до медицины.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт».

Представлен сверхпроводящий транзистор из графена

Сказано немного громко, но учёные действительно смогли поставить эксперимент, в котором структура из графена способна переключаться из одного фазового состояния в другое под воздействием управляющего напряжения. Сразу уточним, что поставленный в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли эксперимент лишь подтвердил представленные ранее теоретические обоснования, что говорит о предельно раннем этапе исследований. Учёным ещё предстоит пройти длинный путь, чтобы транзистор из графена стал коммерческим продуктом.

Экспериментальная структура под электронным микроскопом (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Статья, посвящённая исследованию, опубликована в журнале Nature. Имитирующая транзистор структура представляет собой три слоя графена, каждый из которых толщиной в один атом, и два слоя нитрида бора по одному сверху и снизу графенового пакета. Также к слоям нитрида бора подведены электроды для создания управляющего поля. Для работы структуру пришлось охладить до температуры около 5 К. Поскольку теория для сверхпроводимости при высоких температурах имеет массу белых пятен, подбирать значения управляющих напряжений и температуру охлаждения пришлось экспериментально, с чем учёные успешно справились.

При одном значении напряжения (силе вертикального электромагнитного поля) «транзистор» прекращал проводить электрический ток ― находился в закрытом состоянии, а при повышении мощности или при дальнейшем снижении температуры (ниже 40 милликельвин) превращался в сверхпроводник и проводил электричество. Физика процесса при этом следующая. Строение нитрида бора шестиугольное, которое напоминает строение графена, но из-за разницы расстояний между атомами совпадает с ним только на определённых участках. При наложении структур (листов) образуется так называемая муаровая сверхрешётка с регулярно чередующимися (примерно через 10 нм) участками почти полного совпадения. «Транзисторные переходы» возможно создавать как раз в таких зонах.

Муаровая сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)

При температуре около 5 К и до определённого значения напряжения структура представляет собой моттовский диэлектрик. В теории она должна проводить электроны, но из-за сильного взаимодействия электронов этого не происходит. Нарушить равновесие и перевести структуру в режим сверхпроводимости можно либо с помощью сильного электромагнитного поля, либо в случае дальнейшего охлаждения структуры. Тогда создадутся условия, при которых электроны локально перестанут удерживать друг друга и устремятся в «колодцы» в зонах совпадения кристаллических решёток, а «транзистор» перейдёт в открытое состояние.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Графен как пример квантового материала



April 03, 2017 3:40pm

Химик Александр Слесарев об открытии графена, туннельном эффекте и дираковских носителях заряда


Графен — это материал, который известен человечеству, возможно, с самых ранних этапов человеческого развития, но вышел на сцену только сейчас. Сначала надо было его найти, понять, что он собой представляет, и осталось придумать, что с ним делать. Потому что если мы обратимся к современному рынку, то, несмотря на все достижения, несмотря на то, что за графен уже дали Нобелевскую премию и название всем известно, какие-то продукты с ним пока что купить не получается, кроме самого графена. 

 

Что собой представляет графен? Это отдельный слой графита, известного всем со школы, — это пластинки из чистого углерода, связанного в шестиугольники, а графен — одна такая пластинка. В чем заключается проблема: одну пластинку из графита достаточно тяжело достать. Они друг к другу хорошо прилипли, и, даже несмотря на то, что расколоть графит на тонкий пирожок из нескольких пластинок просто, чем тоньше становится пирожок, тем сложнее становится его расколоть. Это первое проявление квантовой природы графена: с уменьшением толщины кристаллика его становится все труднее расколоть, потому что увеличивается связь между слоями.

Это очень занятная история с интерпретацией и значением личности и субъективности в науке, потому что в 1920–1930-е годы Ландау посчитал теоретическую структуру графена, у него получились результаты, и люди интерпретировали их долгое время как то, что графен как таковой существовать не должен, что он нестабилен, его структура должна сама коллапсировать. А позже взяли его и получили. В чем причина? В том, что графен — отдельный слой тоненького одноатомного материала. Чтобы его себе наглядно представить, надо взять на кухне пищевую пленку и на нее посмотреть. Когда пищевая пленка намотана в рулон и рядом лежит много слоев, она прекрасно себя чувствует. А когда мы ее размотаем, отрежем и попробуем подбросить в воздухе, она превратится в некрасивый комок. Но если мы возьмем и натянем пленку на тарелку или другую поверхность, то она будет лежать. Так и с графеном: как только его положили на поверхность, все сразу стало в порядке, он перестал коллапсировать. Графену нужна поддержка, тут ничего удивительного, никакой квантовой черной магии нет, все соответствует обыденным, интуитивным представлениям.

Первой задачей было получить графен в разумных количествах и понять, что он есть, потому что отдельные чешуйки графена можно было получить, взяв графит и нарисовав черту. Там будет несколько листов графена, но, во-первых, мало, а во-вторых, откуда мы узнаем, что это графен? Нужно было, чтобы развилась микроскопия, поверхностные методы, появилось понимание поверхностной науки, и тогда мы смогли посмотреть на графен. В первой работе по графену интересней даже не то, что получили графен, поскольку как такового однослойного графена, по уверениям самих авторов, там не было ― там был малослойный графен. Работа интересна тем, что они ожидали его увидеть, они знали, что там должно быть, как оно должно быть устроено, что они должны увидеть, и они смогли донести это до всего остального мира. Они смогли показать, что материал есть и от него можно ожидать интересные свойства.

Какие свойства от него можно ожидать? Среди людей достаточно широко известно, благодаря средствам массовой информации, что он является отличным проводником, полупроводниковым материалом, что он сверхпрочный. В нем достаточно много интересных свойств, которые уникальны и неуникальны одновременно. Прочность графена превосходит многие материалы, но она сравнима по порядку величины с прочностью таких вещей, как углеродные нанотрубки, молекула белка, молекула ДНК, если ее развернуть в полную линию, как высокомолекулярный полиэтилен. Прочность графена обусловлена тем, что все связи в этом материале ковалентны, а это наиболее прочные возможные связи в природе. Подобная ситуация наблюдается во многих полимерных материалах, во многих цепях.

Если говорить о более интересных электронных свойствах графена, то с ними ситуация в достаточной мере уникальная. Электронные свойства полупроводниковых материалов — это, с одной стороны, просто свойства того, как в них перемещаются носители заряда, то есть электроны. С другой стороны, рассматривать сами электроны зачастую неудобно, поэтому вводится такая абстрактная фигура, как носитель заряда. Это может быть электрон, может быть вакансия, то есть дырка, место, где электрона нет, это может быть более сложная структура. С графеном ситуация такая, что для него можно математически записать движение носителя заряда в таком виде, что уравнение получится по форме своей похожим на уравнение движения света в вакууме с точностью до множителей. Получается, что, как и у света, как у фотонов, у носителей заряда (которых на самом деле не существует ― это математическая абстракция), в графене двигаются всего-навсего электроны и их вакансии, причем далеко не с той скоростью и не в том порядке, как носители заряда. У носителей заряда отсутствует масса, они при приложении любой минимальной силы должны сразу достигать максимально возможной, единственной для них скорости, которая эквивалентна скорости света в вакууме, только это скорость носителя заряда в графене.

Что из этого следует? Это вопрос, который далеко не всегда понятен. Что это значит с точки зрения приложений? Мы не можем сделать аналогичные вещи с фотонами, не можем взять и разогнать фотон или остановить его, просто прикладывая к нему какую-то силу. Фотоны могут менять свою скорость в твердом теле. Эти носители заряда называются дираковскими ― в честь уравнения, которое их описывает, и для них скорость не меняется и не зависит ни от чего. Это означает, что носители заряда пришли в движение ― достаточно удобная интерпретация, что какая-то их доля пришла в движение, какая-то нет, но это одна из возможных моделей. Не всем исследователям понятно, как дело в графене обстоит на самом деле. Но это в целом соответствует ситуации во многих других полупроводниковых материалах, где есть действительно несколько моделей, которые немного противоречат друг другу, но описывают одно и то же вполне адекватно, чтобы работали компьютеры, мобильные телефоны и прочая современная электроника.

Что означает то, что носители заряда не имеют массы и приходят в движение мгновенно? Если мы возьмем кристалл полупроводника и приложим к нему электрическое поле, то пройдет какое-то время между моментом, когда носители заряда придут в движение, и моментом, когда они разгонятся до своей финальной скорости. Если мы будем менять поле достаточно быстро (например, построим процессор и сделаем его тактовую частоту выше), наступит такой момент, когда они просто не будут успевать сдвинуться с места. И проводник, по сути, превратится в диэлектрик для этого эксперимента.

Благодаря тому, что у графена такая интересная статистика движения носителей зарядов, он должен бы оставаться проводящим до намного более высоких частот. Получается, что мы должны быть способны из этого материала сделать более быстрые полупроводниковые устройства. Мы должны сделать высокочастотные, почти что оптические приборы, которые будут работать как обычные полупроводниковые приборы. Но когда мы об этом говорим, должны иметь в виду особенность графена, которая уникальна, но которая неразрывно связана с тем, что у него такая статистика носителей заряда. В нем нет так называемой запрещенной зоны ― области энергии, в которой носители заряда не могут существовать. В нем нет того, что дает нам, простыми словами, p-n-переход в полупроводниках. Нет этой энергетической дырки между уровнями, благодаря которой мы можем получить полупроводник. Он является не очень хорошо проводящим металлом.

Достаточно сложно задачей было и до сих пор является решить сделать из графена ― из проводника ― полупроводник, ведь он быстро и отлично реагирует. В чем заключается проблема? Как только мы пытаемся это сделать, то должны смотреть на аналогию с дираковскими частицами, которые ведут себя как фотоны. Для фотонов в вакууме нет и быть не может никакой запрещенной зоны. Как только мы создаем запрещенную зону, мы меняем структуру. Когда мы поменяли электронную структуру, у наших носителей заряда появилась масса. Но это не единственное уникальное свойство графена. Даже без запрещенной зоны можно сделать очень много интересных вещей для электроники и оптики.

Другая вещь, связанная с такой интересной статистикой носителя заряда, ― это туннелирование, то есть процесс, когда частица может переходить через потенциальный квантово-механический барьер, не теряя при этом своей энергии. Для обычных частиц есть законы, которые в значительной мере ограничивают подобные переходы, а для дираковских частиц вероятность туннелирования не зависит от того, какая энергия у барьера, ― они могут перепрыгивать через любые из них. К чему это приводит? Если сравнивать с обычным полупроводниковым кристаллом: через него движется носитель заряда, он видит какую-то преграду, допустим тепловое колебание, ударяется об нее и рассеивается. Траектории носителя заряда получаются достаточно короткими. А здесь носитель заряда движется, встречает преграду, она для него как потенциальный барьер неизвестной высоты, он просто перескакивает через него на ту сторону. Получается, что при какой угодно температуре, пока электронная структура остается дираковской, частицы должны путешествовать внутри этого материала по сколь угодно длинным траекториям. Это позволяет нам рассматривать квантовые эффекты при комнатной температуре.

Но здесь есть одна маленькая проблема, которая связана с тем, что стоит положить графен на подложку, стоит его как-то исказить, приложить к нему большой потенциал ― его зонная структура меняется, электроны начинают двигаться вверх или вниз по своей энергетической шкале, все меняется. Он теряет эти свойства, электроны начинают рассеиваться, то есть графен — материал, который трудно использовать. У него есть отличные свойства, но в действительности применить их во многих случаях непросто.

Это привело к тому, что есть интересные работы по применению графена в квантовых устройствах. Был сделан быстрый транзистор, устройства, которые позволяют смешивать две радиоволны, были сделаны какие-то нелинейные приборы. Были сделаны попытки создать зону в графене путем того, что его дополнительно квантовали. Графен тонкий в одном направлении, а его делали тонким в другом направлении, делали из него ленточки, как нанотрубка, только не завернутая в трубочку. Получались ленточки, в которых появляются зоны, и это можно видеть, но статистика зарядов портится. Нам надо помнить о том, что это не только интересные квантово-механические свойства, а это еще и плоский материал, которого можно очень много поместить в очень маленький объем, и это хороший путь для электроники, хоть он и близок к тупику.

Придумывать для графена применение в электронных областях достаточно трудно. Но есть достаточно много альтернативных применений. Если мы вспомним, графен — это плоский лист из атомов, которые довольно близко друг к другу расположены, мы получим мембрану, через которую не проходят газы. Если мы не хотим, чтобы из пластиковой бутылки пива улетала карбонация, то можно забить в пластик немного графена, и газ будет храниться дольше. Еще материал можно окислить, химически модифицировать, и это будет огромная область для химии, для катализа, для батареек, для экологии. Но это очень длинная другая история, про которую я могу рассказывать бесконечно.

 

Александр Слесарев
PhD in Chemistry, научный сотрудник Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий

    

Источник: postnauka.ru

О результатах ученых НИЯУ МИФИ в исследовании графена

Графен – квазидвумерный монослой атомов углерода – привлекает внимание не только уникальными электронными характеристиками (аномально подвижные электроны в графене являются дираковскими фермионами с линейным законом дисперсии), но также необычайной прочностью, сочетающейся с упругостью и гибкостью. Для разрыва каждой sp2-связи C-C в графене требуется затратить довольно большую энергию ~ 5 eV, вследствие чего графен очень устойчив к механическим и термическим воздействиям, являясь, по-видимому, самым тугоплавким из известных материалов. Плавление графена можно рассматривать как последнюю стадию термического разложения графита, который расщепляется на графеновые слои при T ~ 3000 K. Насколько нам известно, в литературе к настоящему времени отсутствуют экспериментальные данные о плавлении собственно графена (а не графита). Результаты численных расчетов существенно зависят от размеров модельного образца графена и используемой вычислительной методики. В ряде теоретических работ для температуры плавления графена сделана оценка Tm ~ 4900 К, а образование зародышей жидкой фазы начинается при Tm = 4510 К. При этом было обнаружено, что плавление графена начинается с перехода в фазу квазидвумерной жидкости, которая затем становится трехмерной вследствие поперечных смещений атомов. Наиболее интересный результат заключается в том, что расплавленный графен представляет собой не обычную жидкость, а трехмерную сетку перепутанных углеродных цепочек, то есть что-то типа полимерного геля. По мнению авторов ряда работ, формирование такой сетки инициируется дефектами Стоуна-Уэльса (Stone-Wales, SW), которые образуются в результате термоактивированных поворотов связей С-С на угол 900.

В отсутствие единого мнения о специфике плавления графена важное значение приобретает любая дополнительная информация о тех или иных аспектах процесса плавления. Основной целью проведенной нами работы являлось численное моделирование процесса образования зародышей трехмерной “жидкой” фазы при плавлении графена. После детального изучения структуры дефектов, предшествующих появлению таких зародышей, нами показано, что они представляют собой не отдельные дефекты SW и/или их скопления, как это полагалось в предшествующих работах а большие кольца из ~ 20 атомов или группы из нескольких смежных колец.

Интерес представляет также исследование влияния дефектов на свойства графена в случае, когда концентрация дефектов сравнительно мала, и порог плавления не достигнут. Дефекты и примеси оказывают существенное влияние на механические, электрические, оптические и пр. свойства твердых тел. При этом несовершенства кристаллической структуры могут играть как отрицательную, так и положительную роль. Например, в полупроводниках изовалентные примеси замещения приводят к рассеянию электронов и уменьшению электрической проводимости, а неизовалентные (доноры и акцепторы) – напротив, намеренно вводятся в образец, чтобы повысить его проводимость при низких температурах. В сверхпроводниках при увеличении количества дефектов критическая температура, как правило, уменьшается, тогда как критический ток может резко возрастать. Большинство кристаллов при увеличении концентрации вакансий nv становятся менее жесткими, что выражается в уменьшении их модуля упругости Y, но бывают и исключения: в графене на зависимости жесткости которого имеется максимум при nv ~ 0. 2 %.

С точки зрения дефектности структуры графен интересен тем, что в нем, в отличие от трехмерных кристаллов, могут существовать так называемые топологические дефекты, возникающие в результате перегруппировки межатомных связей, без удаления атомов из решетки и добавления в нее новых. Элементарным точечным дефектом такого типа является упомянутый ранее дефект Стоуна-Уэльса, образующийся при трансформации SW – повороте связи С-С (кора дефекта) на угол 900. Как и в упомянутых выше примерах, дефекты SW в графене могут играть двоякую роль. С одной стороны, они (наравне с другими структурными неоднородностями) рассеивают электронные волны, приводя тем самым к деградации уникальных характеристик графена, обусловленных наличием в нем дираковских фермионов с высокой подвижностью. С другой стороны, дефекты SW индуцируют в электронном спектре графена энергетическую щель, что расширяет диапазон возможных применений графена в наноэлектронике.

Так как для разрыва одной связи С-С в графене нужно затратить энергию ~ 5 eV, а в процессе образования дефекта SW происходит последовательный разрыв двух таких связей, то высота потенциального барьера, препятствующего формированию этого дефекта, составляет Uf ~ 10 eV . Чтобы преодолеть столь высокий барьер за счет термической активации, требуются исключительно высокие температуры, поэтому наиболее вероятным представляется образования дефектов SW под воздействием облучения или механических напряжений на стадии синтеза. Как бы то ни было, дефекты SW в графене наблюдаются экспериментально, и детальное изучение структурных свойств этих дефектов может быть необходимым при прогнозирования электронных свойств дефектного графена.

Недавно было показано, что дефект SW в графене не остается плоским: существует конфигурация с более низкой энергией, в которой атомы повернутой связи С-С (кора дефекта) смещаются перпендикулярно монослою на ~ 0.3 Å в противоположных направлениях, что влечет за собой соответствующие смещения большого количества других атомов и приводит к волнообразному синусоподобному искажению монослоя с амплитудой ~ 1 Å, распространяющемуся на несколько нанометров в стороны от кора. Нами было показано, что такие волнообразные искажения приводят к тому, что дефекты Стоуна-Уэльса в графене взаимодействуют на сравнительно больших расстояниях. Взаимодействие дефектов Стоуна-Уэльса в графене исследовано нами посредством компьютерного моделирования. Показано, что дефекты могут как отталкиваться, друг от друга, так и притягиваться – в зависимости от их взаимной ориентации и расстояния между ними. Определяющую роль в механизме притяжения играет сильная анизотропная деформация графена дефектами. Конструктивная интерференция создаваемых дефектами волнообразных искажений структуры монослоя приводит к большим поперечным смещениям атомов, что может быть одной из причин экспериментально наблюдаемой “помятой” текстуры графена.

Информация подготовлена Алексеем Игоревичем Подливаевым (каф.77) и Леонидом Артуровичем Опеновым (каф.67)

Положением листов внутри многослойного графена научились управлять — Наука

ТАСС, 4 декабря. Нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов вместе с коллегами разработали методику, благодаря которой можно точно управлять положением листов графена или других плоских материалов, наложенных друг на друга. Это открывает дорогу для применения «муарового» графена в электронике, пишут ученые в статье для научного журнала Science Advances.

Графен – это материал из одиночного слоя атомов углерода, которые соединены между собой структурой химических связей, напоминающих структуру пчелиных сот. За получение и изучение первых образцов графена присудили Нобелевскую премию по физике 2010 года – награду получили выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм.

Изучение графена показало, что и у отдельных его листов, и многослойных конструкций из этого двумерного материала и других веществ с похожей структурой, есть экзотические свойства. К примеру, два года назад физики из США склеили два кусочка графена под определенным углом, получив узор, похожий на муаровый, и случайно превратили графен в экзотический изоляторо-сверхпроводник.

При таком положении листов графена атомы углерода начинают сильно влиять на то, как электроны движутся внутри всей этой конструкции. Поэтому если повернуть один из листов графена на определенный угол, то 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. Такое вещество физики называют «изолятором Мотта».

«Прищепка» для графена

Все эти формы «муарового» графена можно использовать для решения множества практических задач. Но пока этому мешает одна простая проблема. Дело в том, что все подобные структуры приходится собирать вручную. Чтобы правильно совместить друг с другом слои графена или других двумерных материалов, приходится проходить через множество проб и ошибок.

Это не мешает экспериментам, но сильно их замедляет. При этом промышленное использование муарового графена остается очень дорогим или просто невозможным. Гейм, Новоселов и их коллеги решили эту проблему. Они разработали технологию, с помощью которой листы графена можно вращать уже после их соединения друг с другом.

Ученые выяснили, что этого можно добиться, если использовать три очень простых ингредиента – стеклянную пластинку, соединенную с ней полусферу из желеобразного кремнийорганического полимера полидиметилсилоксана, а также пленку из оргстекла, нанесенную на поверхность графенового «бутерброда» при помощи электронного микроскопа.

Чтобы управлять положением верхнего слоя графена или любого другого плоского материала, достаточно поднести стекло к образцу и приложить его к пленке из оргстекла. В результате полусфера сцепится с пленкой подобно вакуумной присоске или прищепке, после чего она поменяет свой цвет, что можно легко заметить при помощи микроскопа или любых других оптических инструментов.

Когда это произойдет, положением верхней прослойки «муарового» материала можно легко управлять, сдвигая стекло в стороны или поворачивая на произвольный угол. Как показали первые опыты физиков, подобным образом можно менять положение листов графена и поворачивать их неограниченное число раз. Благодаря этому производством муарового графена можно гораздо проще управлять. 

Чтобы показать, что этот подход работает, Гейм, Новоселов и их коллеги склеили случайным образом три листа из двух разных двумерных материалов, графена и нитрида бора. После этого они прикрепили к ним оргстекло и идеально совместили их друг с другом, получив уникальный двойной муаровый узор. Природу и свойства этого материала физикам еще предстоит изучить.

«Благодаря этой методике мы можем управлять физическими свойствами подобных конструкций прямо на месте. То есть мы можем использовать их для создания наноустройств с экзотическими характеристиками. К примеру, мы предполагаем, что ее можно будет использовать в изучении двумерных квазикристаллов, а также сверхпроводящих и изолирующих свойств «муарового» графена», – заключил один из авторов работы, профессор Манчестерского университета Артем Мищенко.

Графен: необычный потенциал весьма обычного материала

Генеральная Ассамблея ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии. Кристаллография — это наука, вклад которой практически во все новые технологии трудно переоценить. Одним из самых интересных научных открытий последних лет является графен — новая форма кристаллического углерода, которая в отличие от алмаза формирует невероятно тонкую кристаллическую сетку атомов. По своей прочности она в 200 раз крепче стали. В 2010 г. двое российских ученых — Андрей Гейм и Константин Новоселов — получили Нобелевскую премию по физике за свои передовые опыты с графеном. Профессор Росица Якимова из Линкьопинского университета в Швеции считает, что в течение ближайшего десятилетия графен может революционизировать сферу новых технологий. С ней побеседовал Никола Крастев.

*****

РЯ: Об этом материале уже написано много, с большой скоростью появляются новые статьи. В основе всего этого интереса лежат необычайные свойства графена — это совершенно новый класс материала.

НК: В чем его инновационность?

Дело в том, что графен — первый двумерный материал, он существует всего лишь в двух измерениях, поскольку толщина кристаллической сетки углерода составляет всего лишь один атом. Графен, так сказать, растет только в ширину и длину, это невероятно тонкий слой. На сегодня графен — самый тонкий материал, который когда-либо был изолирован, толщина, как я уже сказала — всего лишь один атом углерода. Это первое.

Второе, графен — исключительно крепкий материал, его трудно разорвать, он в 200 раз крепче, чем сталь, Именно по причине невероятной своей прочности, предполагается, что у графена огромный потенциал для применения в самых разных технологических направлениях. Графен прекрасно проводит электричество и обладает такими свойствами своей электронной сетки, которые очень интересны для создания новых приборов.

Возможное приложение графена находится пока на теоретической стадии, потому что производство этого материала весьма сложно и не достигло уровня массового производства. Однако в силу большой подвижности электронов в графене можно с уверенностью предсказать создание сверхскоростных транзисторов, которые могут заменить существующие в компьютерах транзисторы на кремниевой основе.

Это даст возможность уменьшить размеры и в то же время увеличить плотность этих приборов, и, что самое интересное, — уменьшить на порядок потребление энергии. Графен — очень многообещающий материал.

НК: С чем это связано и как были обнаружены необычайные свойства графена?

РЯ: Это связано, прежде всего, с его кристаллической структурой: атомы углерода расположены в виде решетки, напоминающей медовые соты. Такое расположение обеспечивает исключительно прочную атомную структуру.

НК: Профессор Якимова, для меня, как обычного человека, довольно необычно выглядит сам факт, что это форма самого обычного вещества — углерода. Почему эта форма углерода была обнаружена так поздно — менее 10 лет назад?

РЯ: На самом деле о существовании графена теоретически стало известно еще в 1947 г. Энергетическая структура графена была предсказана и рассчитана канадским ученым Филиппом Уоллесом. В то время активно проводились исследования свойств разных форм графита. Тот же углерод может образовать обычный графит, из него созданы также алмазы, а в определенных своих модификациях тот же углерод превращается в графен. Все зависит от термодинамических условий, при которых одни и те же атомы образуют связь между собой разными способами.

НК: Расскажите, пожалуйста, в чем состоят трудности практического приложения этого материала?

РЯ: Несмотря на то, что теоретически графен был предсказан еще в 1947 году, в то время он не был разработан. Ученые в то время считали, что такой исключительно тонкий, двумерный материал не может существовать в природе по причине того, что он был бы нестабильным. Предполагалось, что в таком тонком состоянии графен будет распадаться под влиянием окружающей среды. Поэтому никто и не пытался его создать.

Однако в 2004 году графен был впервые изолирован при помощи обычной клейкой ленты, которую прижимали к обычному блоку графита. То, что оставалось на ленте, было один или два слоя графита, который приобретал уже совершенно другие, отличные от графита физические свойства. Это и есть графен.

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».

Что такое графен?

Графен — это обычный двумерный материал из углерода. Сложенный слоями, он известен как графит, темное вещество, с которым большинство людей сталкивается в смеси с глиной в так называемых «свинцовых» карандашах.

Благодаря уникальному сочетанию структурных, тепловых и электромагнитных свойств графен привлек большое внимание благодаря своей потенциальной роли в разнообразных технологиях будущего.

Каждый атом углерода в листе графена прочно связан с тремя другими атомами под одинаковыми углами, образуя плоскую сотовую структуру.Подобно алмазу, который представляет собой трехмерный кристалл углерода, каждый атом которого связан с четырьмя соседями, эти прочные связи придают структуре значительную устойчивость.

В частности, графен обладает невероятной прочностью на разрыв, особенно в малых масштабах. Это означает, что по сравнению с тонкой нитью кристаллизованной стали всего в несколько микрометров в поперечнике, графен более чем в шесть раз труднее разорвать на части. Тесты с другими, менее идеальными формами стали ранее показали, что она может быть в сотни раз прочнее.

Основная гексагональная форма графена образует основу фуллеренов, которые представляют собой полую молекулярную структуру, состоящую из 60 или более молекул углерода, подобных тем красивым углеродным сферам, которые называются «бакиболлы». Наноразмерная сетка на этих структурах настолько гибкая, что ее можно свернуть в полые цилиндры, что делает их потенциально полезными контейнерами в молекулярном масштабе.

Слои графена, бакки-шар и нанотрубка (mstroeck / Wikimedia commons / GFDL)

Поскольку элемент углерод имеет четыре доступных электрона для связывания, каждый атом в листе графена вносит в молекулу как минимум один несвязанный электрон.Этот холостой отрицательный заряд придает материалу невероятные проводящие и сверхпроводящие свойства, что делает его пригодным для использования в современной электронике.

Добавьте к этим талантам его непроницаемость для многих жидкостей и газов и способность отталкивать воду, а также невероятную прозрачность, и легко понять, почему графен был описан как «чудо-материал», на который следует обращать внимание.

Как был открыт графен?

В то время как основные структурные свойства графита были определены экспериментально в начале 20-го века, первая реальная теория уникального химического состава графена не была разработана до 1947 года, когда канадский физик-теоретик Филип Рассел Уоллес попытался найти способы объяснить свойства графита. электрические свойства.

Каким бы интересным ни казался материал, заставить графит проливать более нескольких отдельных листов за раз было непросто.

В 2004 году исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Костя Новоселов разработали знаменитый способ получения достаточного количества для исследования путем отделения графена от графита с помощью всего лишь липких пленок скотча. С тех пор они получили Нобелевскую премию за свои новаторские исследования этого материала.

В будущем использование графена будет зависеть от гораздо более эффективных методов производства, что вдохновит исследователей на поиск новых инновационных способов изготовления обширных листов плоской двумерной углеродной сетки.

Все тематические статьи определяются проверкой фактов как правильные и актуальные на момент публикации. Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.

Графен | химия | Британника

Графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо один слой атомов углерода, образующий сотовую (гексагональную) решетку, либо несколько связанных слоев этой сотовой структуры. Слово графен , когда используется без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен), обычно относится к однослойному графену. Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных слоев графена; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и бакиболлы, сферические молекулы из графена, в которых некоторые шестиугольные кольца заменены пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретические исследования графена были начаты в 1947 году физиком Филипом Р.Уоллес как первый шаг к пониманию электронной структуры графита. Термин графен был введен химиками Ханнсом-Питером Боем, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , относящегося к углероду в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , относящегося к до полициклических ароматических углеводородов, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики из Манчестерского университета Константин Новоселов и Андре Гейм с коллегами выделили однослойный графен с помощью чрезвычайно простого метода отслаивания от графита.В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита и последующего нанесения слоев на материал подложки. После снятия ленты на подложке осталось немного графена в однослойном виде. Фактически, получение графена само по себе не является сложной задачей; Каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы было не только изолировать хлопья графена, но и изучить их физические свойства.В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен может быть использован в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.

В этих первых экспериментах подложкой для графена служил кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым под стандартным оптическим микроскопом.У этой видимости есть две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают цвета радуги в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства очень своеобразны.Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать электронную или дырочную (область, в которой отсутствует электрон, который действует как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников есть определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, для определенных напряжений затвора и типов химического легирования полупроводник действует как изолятор.С другой стороны, графен не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, включая нулевое. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая — разительное отличие графена от обычных полупроводников. Состояния электронов и дырок в графене, имеющие отношение к транспорту носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (предельная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена на самом деле состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например,ж., электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет всего около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным полигоном для физики высоких энергий: некоторые квантовые релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, поскольку их более низкой скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры. Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

Свойства графена

Листы графена состоят из атомов углерода, соединенных гексагональной

формы, как показано на следующем рисунке, с каждым атомом углерода

ковалентно связан с тремя другими атомами углерода. Каждый лист графена

толщиной всего один атом, и каждый лист графена считается одним

молекула.Графен имеет такую ​​же структуру атомов углерода, связанных в

гексагональной формы для образования углеродных нанотрубок, но графен скорее плоский

чем цилиндрический.

Из-за прочности ковалентных связей между атомами углерода,

графен имеет очень высокую прочность на разрыв. (В основном, растяжение относится

насколько вы можете растянуть что-либо, прежде чем оно сломается.)

Кроме того, графен, в отличие от букибола или нанотрубки, не имеет внутренней

потому что он плоский. Бакиболлы и нанотрубки, в которых находится каждый атом.

поверхность, может взаимодействовать только с окружающими их молекулами.За

графена, каждый атом находится на поверхности и доступен с обоих

сторон, поэтому больше взаимодействия с окружающими молекулами.

Наконец, в графене атомы углерода связаны только с тремя другими

атомы, хотя они обладают способностью связываться с четвертым атомом. Этот

способность в сочетании с большой прочностью на разрыв и большой поверхностью

Отношение площади к объему графена может сделать его очень полезным в композитных материалах.

материалы, которые обсуждаются в главе 5. Исследователи сообщили

что смешивание графена с эпоксидной смолой привело к тому же количеству

повышенная прочность материала, как было обнаружено, когда они использовали десять

раз больше веса углеродных нанотрубок.

Лист графена

Ключевым электрическим свойством графена является его подвижность электронов (

скорость, с которой электроны движутся внутри него при приложении напряжения).

Электронная подвижность графена выше, чем у любого известного материала, и

исследователи разрабатывают методы создания транзисторов на графене, которые

будет намного быстрее, чем транзисторы, построенные в настоящее время на кремнии

вафли.

Еще одно интересное приложение, разрабатываемое для графена, принимает

Преимущество в том, что лист толщиной всего с атом углерода.Исследователи обнаружили, что они могут использовать нанопоры для быстрого анализа

структура ДНК, как обсуждалось в главе 9. Когда молекула ДНК

проходит через нанопору, к которой приложено напряжение,

исследователи могут определить структуру ДНК по изменениям в

электрический ток. Поскольку графен такой тонкий, структура ДНК

молекула появляется с более высоким разрешением, когда она проходит через

нанопора, вырезанная в листе графена.

Выдержка из статьи «Нанотехнологии для чайников» (2-е издание), из публикации Wiley Publishing

(PDF) Структура графена и ее нарушения: обзор

[182] Чен С. , Браун Л., Левендорф М. и др.Окисление

Сопротивление

покрытых графеном Cu и сплава Cu / Ni.

САУ Nano. 2011; 5: 1321–1327.

[183] ​​Борн М., Хуанг К. Динамическая теория кристаллической решетки.

Динамическая теория кристаллической решетки Oxford: Clarendon

Press. 1954.

[184] Мермин Н.Д., Вагнер Х. Отсутствие ферромагнетизма

или антиферромагнетизма в одно- или двумерных

изотропных моделях Гейзенберга. Phys Rev Lett.

1966; 17: 1133–1136.

[185] Венейблс Дж. А., Спиллер ГДТ, Ханбукен М.

Зарождение и рост тонких пленок. Rep Prog.

1984; 47: 399–459.

[186] Зинке-Аллманг М., Фельдман Л.С., Грабов М.Х.

Кластеризация на поверхностях. Surf Sci Rep., 1992; 16: 377–463.

[187] Evans JW, Thiel PA, Bartelt MC. Морфологическая

эволюция во время роста эпитаксиальной тонкой пленки: образование 2D-островков и 3D-холмов. Surf Sci Rep.

2006; 61: 1–128.

[188] Fasolino A, Los JH, Katsnelson MI. Собственная рябь

в графене.Nat Mater. 2007. 6: 858–861.

[189] Xu P, Neek-Amal M, Barber SD, et al. Необычные ультра-

низкочастотные колебания в отдельно стоящем графене.

Nat Commun. 2014; 5: 3720.

[190] Шеной В.Б., Редди С.Д., Рамасубраманиам А. и др.

Деформация листов графена и

нанолент под действием краевых напряжений. Phys Rev Lett. 2008; 101: 245501.

[191] Carlsson JM. Графен: изгиб или разрыв. Nat Mater.

2007; 6: 801–802.

[192] Дэн С., Берри В.Морщинистый, волнистый и мятый

графен: обзор механизма образования,

электронных свойств и приложений. Mater

Сегодня. 2016; 19: 197–212.

[193] Сюй К., Цао П, Хит-младший. Сканирующая туннельная микро-

скопическая характеристика электрических свойств

морщин в монослоях расслоенного графена. Nano

Lett. 2009; 9: 4446–4451.

[194] Лю Н., Пан З., Фу Л. и др. Происхождение морщин на

перенесенном графене. Nano Res. 2011; 4: 996–1004.

[195] Zhu WJ, Low T, Perebeinos V, et al. Структура и

Электронный транспорт в морщинах графена. Nano

Lett. 2012; 12: 3431–3436.

[196] Chae SJ, GüneşF, Kim KK, et al. Синтез слоев графена с большой площадью

на поликелевой подложке методом химического осаждения из паровой фазы

: образование морщин. Adv

Mater. 2009; 21: 2328–2333.

[197] Серда Э., Махадеван Л. Геометрия и физика складок

.Phys Rev Lett. 2003; 90: 4.

[198] Bao W, Miao F, Chen Z, et al. Контролируемая рябь

текстурирование суспендированного графена и ультратонких гра-

фитовых мембран. Nat Nanotechnol. 2009. 4: 562–566.

[199] Захарченко К.В., Кацнельсон М.И., Фасолино А. Конечная температура

решеточные свойства графена за пределами

квазигармонического приближения. Phys Rev Lett.

2009; 102: 046808.

[200] Скарпа Ф., Адхикари С., Сриканта Фани А.Эффективные

Упругие механические свойства однослойного графена

листов. Нанотехнологии. 2009; 20: 065709.

[201] Zang J, Ryu S, Pugno N, et al. Многофункциональность

и контроль смятия и разворачивания графена большой площади

. Nat Mater. 2013; 12: 321–325.

[202] Луо Дж., Джанг HD, Сан Т. и др.

и

агрегации устойчивых к сжатию частиц мятых мягких

листов. ACS Nano. 2011; 5: 8943–8949.

[203] Ma X, Zachariah MR, Zangmeister CD.Мятая нанобумага

из оксида графена. Nano Lett.

2012; 12: 486–489.

[204] Флигентхарт Г.А., Гомппер Г. Принудительное смятие

самоускользающих эластичных листов. Nat Mater. 2006; 5: 216–

221.

[205] Прочтите У. Т., Шокли У. Дислокационные модели границ зерен кристалла

. Phys Rev. 1950; 78: 275–289.

[206] Хирт Дж. П., Лоте Дж., Мура Т. Теория дислокаций

(2-е изд.). J Appl Mech. 1983; 50: 476.

[207] Языев О.В., Луи С.Г.Топологические дефекты в фене gra-

: дислокации и границы зерен. Phys Rev

B Condens Matter Mater Phys. 2010; 81: 195420.

[208] Лахири Дж, Лин И, Бозкурт П. и др. Протяженный дефект

в графене как металлической проволоке. Nat Nanotechnol.

2010; 5: 326–329.

[209] Хуанг П.Й., Руис-Варгас К.С., Ван Дер Занде А.М.,

et al. Зерна и границы зерен в однослойных лоскутных одеяниях с атомами графена

. Природа.

2011; 469: 389–392.

[210] Ким К., Ли З., Реган В. и др. Отображение границ зерен

в поликристаллическом графене. ACS Nano.

2011; 5: 2142–2146.

[211] Kim DW, Kim YH, Jeong HS и др. Прямая визуализация

доменов и границ графена большой площади

методом оптического двулучепреломления. Nat Nanotechnol.

2012; 7: 29–34.

[212] Duong DL, Han GH, Lee SM, et al. Зондирование границ зерен фена gra-

с помощью оптической микроскопии.

Природа.2012; 490: 235–239.

[213] Fei Z, Rodin AS, Gannett W, et al. Электронные

и

плазмонные явления на границах зерен графена.

Nat Nanotechnol. 2013; 8: 821–825.

[214] Meyer JC, Kisielowski C, Erni R, et al. Прямое изображение атомов решетки и топологических дефектов в мембранах из гра-

фена. Nano Lett. 2008. 8: 3582–3586.

[215] Liang Z, Xu Z, Yan T, et al. Атомистическое моделирование

и

механизма аморфизации графена под действием

электронного облучения.Наноразмер. 2014; 6: 2082.

[216] Крашенинников А.В., Лехтинен П.О., Фостер А.С. и др.

Встраивание атомов переходных металлов в графен:

Структура, связь и магнетизм. Phys Rev Lett.

2009; 102: 126807.

[217] Луо З, Ю Т., Ким К. Дж. И др. Зависимое от толщины

обратимое гидрирование графеновых слоев. ACS

Nano. 1781–1788; 3 (2009): 1781-1788.

[218] Робинсон Дж. Т., Берджесс Дж. С., Юнкермайер К. Э. и др.

Свойства пленок фторированного графена.Nano Lett.

2010; 10: 3001–3005.

[219] Liu HY, Hou ZF, Hu CH, et al. Электронные и

магнитные свойства фторированного графена с различным покрытием фтора

. J. Phys Chem C.

2012; 116: 18193–18201.

[220] Fan L, Zhang H, Zhang P, et al. Одностадийный синтез хлорированного графена

методом плазменного химического осаждения

из паровой фазы. Appl Surf Sci. 2015; 347: 632–635.

[221] Bousa D, Luxa J, Mazanek V, et al.К хлориду графена

: хлорирование графена и оксида графена

. RSC Adv. 2016; 6: 66884–66892.

[222] Гао В. Химия оксида графена.Графен

Оксид .Cham: Springer. 2015: 61–95.

[223] Ли Б, Чжоу Л., Ву Д. и др. Фотохимическое хлорирование

графена. ACS Nano. 2011; 5: 5957–5961.

[224] Бухвалов Д.В., Кацнельсон М.И., Лихтенштейн А.И.

Водород на графене: электронная структура, общая

энергия, структурные искажения и магнетизм из

расчетов из первых принципов.Phys Rev B Condens

Matter Mater Phys. 2008; 77: 035427.

[225] Сан X, Ли Б., Лу М. Ковалентная модификация графена

адамантановыми группами посредством двухэтапной

Sci. Technol. Adv. Mater. 19 (2018) 644 G. YANG et al.

8.7: Характеристика графена с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния

Графен представляет собой квазидвумерный материал, состоящий из слоев атомов углерода, расположенных в шестичленные кольца (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). С момента открытия Андре Геймом и его соавторами из Манчестерского университета графен стал одной из самых захватывающих тем исследований из-за его характерной зонной структуры и физических свойств, таких как наблюдение квантового эффекта Холла при комнатной температуре. настраиваемая запрещенная зона и высокая подвижность несущих.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) Идеализированная структура одиночного листа графена. Авторское право: Chris Ewels (www.www.ewels.info).

Графен может быть охарактеризован многими методами, включая атомно-силовую микроскопию (АСМ), просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) и рамановскую спектроскопию. АСМ можно использовать для определения количества слоев графена, а изображения ПЭМ могут показать структуру и морфологию листов графена. Однако во многих отношениях рамановская спектроскопия является гораздо более важным инструментом для характеристики графена.Прежде всего, рамановская спектроскопия — простой инструмент, требующий небольшой подготовки образца. Более того, рамановскую спектроскопию можно использовать не только для определения количества слоев, но и для определения того, идеальна ли структура графена и успешна ли функциональность азотом, водородом или другими способами.

Рамановский спектр графена

В то время как спектроскопия комбинационного рассеяния является полезным методом для характеристики sp2- и sp3-гибридизированных атомов углерода, в том числе в графите, фуллеренах, углеродных нанотрубках и графене.Однослойные, двухслойные и многослойные графены также различаются по их рамановским отпечаткам пальцев.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан типичный спектр комбинационного рассеяния однослойного графена, легированного азотом. D-мода появляется примерно при 1350 см-1, а G-мода появляется примерно при 1583 см-1. Другие режимы комбинационного рассеяния составляют 1620 см-1 (D’-режим), 2680 см-1 (2D-режим) и 2947 см-1 (D + G-режим).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) Рамановский спектр с длиной волны возбуждающего лазера 514,5 нм для однослойного графена, легированного азотом.

Группа G

G-мода составляет около 1583 см-1 и возникает из-за моды E2g в Γ-точке. G-полоса возникает из-за растяжения связи C-C в графитовых материалах и является общей для всех углеродных систем sp2. G-полоса очень чувствительна к эффектам деформации в sp2-системе и, таким образом, может использоваться для исследования модификации на плоской поверхности графена.

Диапазоны D и D, вызванные расстройством

D-мода вызвана неупорядоченной структурой графена. Присутствие беспорядка в sp2-гибридизированных углеродных системах приводит к резонансным рамановским спектрам и, таким образом, делает рамановскую спектроскопию одним из наиболее чувствительных методов для характеристики беспорядка в sp2-углеродных материалах. Как показывает сравнение рисунков \ (\ PageIndex {2} \) и \ (\ PageIndex {3} \), в спектрах комбинационного рассеяния графена с идеальной структурой нет пика D.

Рис. \ (\ PageIndex {3} \) Рамановский спектр с длиной волны возбуждающего лазера 514,5 нм для чистого однослойного графена.

Если в графене есть случайно распределенные примеси или поверхностные заряды, G-пик может разделиться на два пика: G-пик (1583 см-1) и D’-пик (1620 см-1). Основная причина заключается в том, что локализованные колебательные моды примесей могут взаимодействовать с расширенными фононными модами графена, что приводит к наблюдаемому расщеплению.

2D-диапазон

Все виды углеродных материалов sp2 имеют сильный пик в диапазоне 2500 — 2800 см-1 в спектрах комбинационного рассеяния. В сочетании с полосой G этот спектр является рамановской сигнатурой графитовых материалов sp2 и называется 2D-полосой. 2D-полоса представляет собой двухфононный процесс второго порядка и имеет сильную частотную зависимость от энергии возбуждающего лазера.

Более того, двухмерную полосу можно использовать для определения количества слоев графена. Это в основном связано с тем, что в многослойном графене форма 2D-полосы сильно отличается от формы в однослойном графене.Как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), двумерная полоса в однослойном графене намного интенсивнее и резче по сравнению с двумерной полосой в многослойном графене.

Рис. \ (\ PageIndex {4} \) Рамановский спектр с длиной волны возбуждающего лазера 514,5 нм для чистого однослойного и многослойного графена.

Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики Стэнфордского университета

Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики,
Стэндфордский Университет

Пол Лим

(Представлено как курсовая работа для AP272, Стэнфорд
Университет, зима 2007 г.)

Фиг. 1: Атомная структура графена.

В последние годы было много ажиотажа
генерируется материалом под названием графен. Графен — одинарный планарный
лист из sp2-связанных атомов углерода, плотно упакованных в соты
кристаллическая решетка. Он образует базовую структуру для всех остальных графитовых
материалы, включая графит, углеродные нанотрубки и фуллерены. Что
возбуждение в графене — это открытие его превосходного
свойство электронного транспорта, о котором мы поговорим здесь.Высота
подвижность носителей в графене делает его отличным материалом для использования в качестве
канал в сверхбыстрых электронных транзисторах. Фактически, оценки утверждают
что такие грпахеновые транзисторы могут работать примерно в тысячу раз быстрее
чем обычные кремниевые транзисторы, используемые сегодня. Как использование
кремний в электронных устройствах быстро приближается к своему физическому
ограничений, поиск альтернативных материалов, таких как графен, получил
некоторая срочность.

Структура графена

Графен — это в основном один атомный слой
графит, а значит, и двухмерная структура.В 1930-х годах Ландау и Пайерлс
показали, что строго двумерные кристаллы термодинамически нестабильны и
поэтому не существует. Они объяснили, что расходящийся вклад
тепловые флуктуации в низкоразмерных кристаллических решетках приведут к
смещения атомов, чтобы они стали сравнимыми с межатомными
расстояния при любой конечной температуре. Позднее Мермин расширил это
аргумент, который подтверждается экспериментальными результатами. Таким образом, это
предполагается, что любая отдельно стоящая двумерная кристаллическая структура будет нестабильной.
и быстро разлагаются.

Существование графена представляет собой проблему
к этому аргументу. Кажущаяся стабильность двумерной структуры
графен можно объяснить, утверждая, что двумерные кристаллиты
закалены в метастабильном состоянии, потому что они извлечены из 3-D
материал. Еще один аргумент в пользу его существования — то, что графен становится
внутренне стабильный благодаря мелкому сминанию в третьем измерении
для компенсации тепловых колебаний. Это смятие действительно
наблюдается в листах графена.

Электронные свойства графена

В большинстве материалов перенос электронов может быть
точно описывается с помощью нерелятивистского уравнения Шредингера.
Однако графен ведет себя как бесщелевой полупроводник. При низких энергиях
вблизи вершин гексагональной зоны Бриллюэна графена E-k
отношение примерно линейное

, где vf — скорость Ферми, около 1000000 м / с.
Это все еще в 300 раз медленнее скорости света, но намного
быстрее, чем скорости носителей в обычных полупроводниках.Потому что
линейности зависимости E-k в этих областях электроны ведут себя как
безмассовые релятивистские частицы. Поэтому эти электроны лучше
описывается уравнением Дирака для частиц со спином 1/2. Это прямой
следствие симметрии кристалла графена. Его сотовая решетка
состоящий из двух эквивалентных углеродных подрешеток и косинусоподобной энергии
полосы, связанные с подрешетками, пересекаются в нуле E вблизи краев
зоны Бриллюэна, дающей начало коническим сечениям энергии
спектр для | E |

Экспериментальные измерения показали, что электрон
подвижность в графене при комнатной температуре чрезвычайно высока, около
15000 квадратных сантиметров на вольт-секунду, по сравнению с несколькими
тысячи для большинства полупроводников.

Графеновые транзисторы и наноленты

Обладая такими превосходными свойствами электронного транспорта,
графен определенно активно исследуется для использования в электронных
транзисторы. Проблема в том, что из-за его ближнего баллистического электрона
транспортные свойства, графен все еще достаточно проводящий даже с
наличие всего нескольких электронов. Итак, хотя графен все еще может быть
переключены между различными состояниями электропроводности (
так называемые состояния включения / выключения в электронных транзисторах), соотношение
электрический ток между этими двумя состояниями невелик.Графен
Было обнаружено, что транзисторы имеют отношение включения / выключения только 30. По сравнению
к кремниевым транзисторам, выключенное состояние которых близко к идеальному
изолятор, графеновые транзиторы будут продолжать проводить электроны даже
когда «выключили». Это приводит к утечке электрического тока и
трата огромного количества энергии. Таким образом, графен
непрактично для такого использования.

Текущие исследования в этой области применения
сосредотачиваясь на уменьшении этого отношения включения / выключения. Текущая тенденция — вырезать
листы графена в очень узкие ленты, которых всего несколько
нанометров шириной.Литографические методы обычно используются для изготовления этих
нано-ленты. Профессор Хунцзе Дай с кафедры химии в
Стэнфордский университет использует другой подход, используя решения, основанные на
техника, которая разбивает графен на длинные тонкие ломтики. Транзисторы
сделанные из этих лент имели отношение включения / выключения порядка 100000.

© 2007 Пол Лим. Эта работа распространяется под
условия лицензии Creative Commons. Автор дает разрешение
копировать, распространять и отображать произведение в неизменном виде, с
ссылка на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные
права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Новоселов К. С. и др. , «Электрическое поле»
Эффект в атомно тонких углеродных пленках, Science 306 , 666
(2004).

[2] Новоселов К.С. и др. , «Двумерный
Газ безмассовых фермионов Дирака в графене, Nature 438 , 197
(2005).

[3] Н. Д. Мермин, «Кристаллический порядок в двух»
Размеры, Физ.Ред. , 176, , 250 (1968).

[4] H. Dai, et al. , «Химического происхождения,
Сверхгладкие графеновые полупроводники с нанолентой, Science 319 ,
1229 (2008).

Графен в самолетах — журнал молодых ученых

Вскоре мир вступает в новую эру технологий, которую продвигает разработка графена. Этот новый материал состоит из атомов углерода, соединенных в сотовую структуру. Графен привлек внимание многих ученых и инженеров во всем мире.Исследователи пытались понять этот материал и его применение с 2004 года, когда профессора Манчестерского университета извлекли один слой графена из графита [1] . С тех пор огромный объем исследований графена привел к появлению огромного количества идей и инноваций, разрабатываемых во многих секторах, включая авиационную промышленность.

Свойства графена

Рисунок 1: Слой атомов углерода в графене

Графен — это один атомный слой графита, состоящий из атомов углерода, каждый из которых ковалентно связан с тремя другими атомами в сотовой решетке.Графен имеет структуру, превосходящую графит. Это связано с тем, что графит состоит из нескольких слоев графена, которые связаны друг с другом за счет сил лондонской дисперсии в качестве p-орбиталей, площадь вокруг атома, где наиболее вероятно расположены электроны, атомов углерода в слое близка к электроны другого слоя, электроны на этих орбиталях должны быть делокализованы и могут перемещаться между слоями.

Хотя сами слои содержат внутри себя сильные ковалентные связи, межслоевые силы Лондона по сравнению с ними слабее, и поэтому они создают структурное слабое место в материале. Этого дефекта нет в структуре графена [2] .

Графен также обладает невероятной проводимостью электричества. Его плотность тока (сколько тока проходит через единицу площади) в 1 миллион раз больше, чем у меди, а его собственная подвижность (мера того, насколько быстро электрон может двигаться через материал) в 1 тысячу раз больше, чем у кремния [3] . Каждый атом углерода в графене имеет четыре электрона во внешней оболочке, три из которых используются для связи. Четвертый электрон, однако, может свободно перемещаться вдоль слоя графена и течь в виде тока с небольшим сопротивлением на пути электрона [4] .

Сверхлегкие самолеты

Основной принцип механики полета состоит в том, что вес самолета определяет, сколько топлива потребляется для создания достаточной подъемной силы, чтобы поднять его над землей и, следовательно, позволить ему подняться на большую высоту. Это потому, что подъемная сила противодействует весу самолета; когда она превышает силу веса, подъемная сила заставляет самолет взлетать вверх.

Рисунок 2: Силы на самолете во время полета

Подъемная сила вызывается взаимодействием между крыльями и линиями тока воздуха, проходящего мимо крыльев, когда самолет движется вперед с достаточной скоростью, которая, в свою очередь, достигается за счет поступательной тяги, создаваемой топливом [5] .

Если бы графен был материалом, используемым для создания ключевых частей самолета, таких как интегрированные в крылья, общий вес самолета был бы намного меньше, чем если бы он был сделан из других материалов (например, алюминия). Это потому, что графен намного прочнее и легче алюминия; следовательно, для достижения тех же значений прочности требуется меньше [6] .

Значительно меньший вес, который несет самолет, впоследствии приводит к меньшему расходу топлива, что является важным преимуществом по сравнению с другими конструкциями.А именно:

  • Можно сэкономить деньги на поездках, так как для обеспечения подъемной силы во время полета потребуется меньше топлива.
  • На единицу топлива преодолевается большее расстояние, что означает, что самолет с улучшенным графеном может летать дольше с определенным количеством топлива по сравнению с другими конструкциями.
  • Меньший расход топлива означает, что будет производиться меньше выбросов, что повысит устойчивость авиационной промышленности.

Движение вперед с электрическими самолетами

Достижения в области электротехники и их применения в автомобильной промышленности привели к тому, что все больше автомобилей становятся электрическими.Эта новая концепция электрического транспорта может, наконец, применяться в авиационной отрасли.

Рисунок 3: Электрический самолет

Инновация в области электрических самолетов дает определенные преимущества, такие как уменьшение загрязнения и более комфортные полеты. [7] .

Однако отрасли придется подождать, пока эта мечта станет реальностью, поскольку в настоящее время существует несколько фундаментальных проблем проектирования электрических самолетов. Летательный аппарат с полностью батарейным питанием потребует огромного количества электроэнергии, а батареи, необходимые для хранения такого количества энергии, слишком тяжелые.Включение тяжелых батарей в конструкцию может значительно увеличить общий вес самолета, что в свою очередь требует более тяжелых батарей для обеспечения достаточной подъемной силы; таким образом не может быть достигнута эффективная конструкция [8] .

Рис. 4. Электрический пилотажный автомобиль 330 Extra с разработанной компанией Siemens электромоторной технологией

Тот факт, что тяжелые самолеты имеют высокие требования к мощности, а сами батареи тяжелые, создает цикл, в котором конструкция самолета становится все тяжелее и тяжелее, создавая непреодолимое препятствие для инженеров.

Вот где графен решает проблему. Как уже упоминалось, использование графена в конструкции самолета могло бы минимизировать вес самолета, тем самым уменьшая количество энергии, необходимой для того, чтобы оставаться в воздухе. Для этого потребуются батареи меньшего размера, которые могут открыть двери для новых конструкций электрических самолетов. Концепция эффективных электрических самолетов становится более реальной, когда инженеры рассматривают возможность интеграции использования графена в настоящие батареи.

Кроме того, батареи содержат углеродное покрытие (часто на электродах) для обеспечения проводимости.Это покрытие из углерода может быть в форме графена, которого требуется меньше для обеспечения того же уровня проводимости, что и у обычных покрытий.

Эти графеновые батареи имеют множество преимуществ:

  • Зажигалка
  • Более высокая емкость хранения
  • Более короткое время зарядки [9]

Более легкие батареи еще больше уменьшают вес. Более высокая энергоемкость аккумуляторов также является огромным преимуществом в авиационной промышленности, поскольку это означает, что аккумуляторы могут накапливать достаточно электроэнергии для поддержания подъемной силы при относительно длительных полетах, которые в противном случае потребляли бы дорогое топливо и приводили бы к значительному загрязнению.

Крылья

Углеродное волокно можно использовать для изготовления крыльев, если оно вплетено в другой материал, обычно пластик. Этот метод можно улучшить, если в качестве среды использовать графен, а не пластик. Графен — более легкая и прочная альтернатива пластику, который обычно используется для удержания углеродного волокна.

Манчестерский университет построил самолет с крылом с графеновой обшивкой, а не с крыльями из обычного углеродного волокна; Летные испытания показали, что новая конструкция с графеном имеет на 60% большую ударопрочность [11] .Также недавно была разработана программа Juno, разработанная Университетом Центрального Ланкашира. На Juno оболочка из предварительно пропитанного материала с улучшенным графеном, который потенциально может быть использован на фюзеляже (основной части самолета) и крыльях крупномасштабных самолетов [12] .

Будущее

Рис. 5. Prospero, первая в мире модель самолета, в которой используется крыло с графеновой оболочкой.

Графен постепенно становится все более коммерческим, поскольку инженеры и исследователи преодолевают проблему массового производства.Он уже используется в «Биоинженерия, композитные материалы, энергетические технологии и нанотехнологии» [13] . Это означает, что весьма вероятно, что этот увлекательный материал может быть использован в новых самолетах.

Мир вступает в новую эру аэрокосмических технологий и уходит от эпохи зависимости от алюминия. В интервью BBC World News профессор Андре Гейм из Манчестерского университета сказал: «Это действительно так удивительно богато, потому что мы получаем этот новый мир материалов, о котором раньше не знали».Из-за сложности массового производства графена это вещество, вероятно, будет использоваться для улучшения самолетов, а не для их строительства. Однако эти усовершенствования могут оказать серьезное влияние на характеристики летательных аппаратов и могут помочь промышленным лидерам решить растущую озабоченность по поводу воздействия полета на окружающую среду, поскольку мир сталкивается с растущей чрезвычайной климатической ситуацией.

Список литературы

  1. «Открытие графена», Манчестерский университет. [Доступ 18 ноября 2019 г.].https://www.graphene.manchester.ac.uk/learn/discovery-of-graphene/
  2. Амая Зурутуза, «Графен и графит — как они соотносятся?», Graphenea, по состоянию на 21 марта 2020 г., https://www.graphenea.com/pages/graphene-graphite#.XnZTm4j7SUk
  3. «Графен: золотая лихорадка, которая изменит мир… но когда?» Investorintel, 26 августа 2013 г., https://investorintel.com/sectors/technology-metals/technology-metals- intel / graphene-the-wonder-material-that-is-going-to-change-the-world-but -когда /
  4. Клифф Кертис, Джейсон Мургатройд и Дэйв Скотт, Edexcel AS / A level Chemistry 1 , (Лондон: Pearson Education Limited, 2015), 2.
  5. Дэвид Ф. Андерсон и Скотт Эберхардт. Understanding Flight, (Соединенные Штаты Америки: McGraw-Hill, 2010), 2.
  6. «Graphene, Explain That Stuff», последнее изменение — 1 декабря 2018 г. , https://www.explainthatstuff.com/graphene.html
  7. Том Меткалф, «Электрические самолеты обещают большие преимущества для авиапассажиров и планеты», NBC News, 4 апреля 2018 г., https://www.nbcnews.com/mach/science/electric-planes-promise-big-benefits- Воздушные пассажиры-планета-NCNA862001
  8. Эндрю Дж.Хокинс, «Электрический рейс приближается, но батареи еще не готовы», The Verge, 14 августа 2018 г., https://www.theverge.com/2018/8/14/17686706/electric-airplane-flying-car. -батарея-вес-зеленая энергия-путешествия
  9. «Графеновые батареи: введение и новости рынка», Graphene-info. Последнее изменение: 24 января 2019 г., https://www.graphene-info.com/graphene-batteries
  10. «Запущена аэрокосмическая стратегия Graphene», Манчестерский университет, 13 марта 2018 г., https://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-aerospace-strategy-launched/
  11. Якуб Куреши, «Ученые впервые увидели самолет, сделанный с использованием ультратонкого графена», Manchester Evening News, 12 июля 2016 г. , https: // www.manchestereveningnews.co.uk/news/greater-manchester-news/scientists-graphene-aeroplane-university-lancashire-11602615
  12. «Хейдейл поставляет графен из первого в мире самолета с графеновой оболочкой», Composites UK, 12 августа 2018 г., https://compositesuk.co.uk/communication/news/haydale-supplies-graphene-world%E2%80%99s-first -графен-кожа-плоскость
  13. Хесус де ла Фуэнте, «Применение и использование графена», Graphenea, по состоянию на 18 ноября 2019 г., https://www.graphenea.com/pages/graphene-uses-applications#.XCU_jFX7TIU
  14. Андре Гейм, «Графеновая революция», интервью Дэвида Шукмана, Impact с Мишалом Хуссейном , BBC World News, 15 января 2013 г., www.youtube.com/watch?v=sugmA-pll4k.

Ссылка на рисунок

Заглавное изображение. URL-адрес источника: https://netcomposites.com/news/haydale-supplies-graphene-for-juno-uav/ [доступ 18 ноября 2019 г.]

Рисунок 1. URL-адрес источника: http://www. understandingnano.com/graphene%20sheet.jpg [доступ 20 марта 2019 г.]

Рис. 2. URL-адрес источника: https://i0.wp.com/ateworks.net/wp-content/uploads/2017/06/how-paper-plane-works.png?ssl=1 [Доступно 27 декабря . 2018]

Рисунок 3. URL-адрес источника: https://cdn.theatlantic.com/assets/media/img/sponsored/2014/11/Flight_final_master/resp-feature.jpg?1415737253 [доступ 27 декабря 2018 г.]

Рис. 4. URL-адрес источника: https://www.flyer.co.uk/wp-content/uploads/2016/04/Extra-Electric-Aircraft-330LE-1000×666.jpg [доступ 18 ноября 2019 г.]

Рис. 5. URL-адрес источника: https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2016/flyingstartf.jpg [по состоянию на 27 декабря 2018 г.]

Об авторе

Ахамад — студент аэрокосмического факультета Саутгемптонского университета, который проявляет большой интерес к пилотируемым полетам. Он работал над отраслевыми проектами с BRE и Airbus и хотел бы в будущем вести инженерные исследования.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *