Графен

Физикч эрдэмтэд шинэ материал гарган авчээ

Нийтэлсэн Я.Оюунсүрэн - 2012.01.27 | Сэтгэгдэл бичих

2010 оны 10-р сарын 5-ны  өдөр Шведийн Вангийн Шинжлэх  ухааны Академийн шийдвэрээр  орос гаралтай, Манчестерийн их  сургуулийн профессор Андрей  Гейм, Константин Новосёлов нарт  Нобелийн шагнал хүртээжээ. Энэ хоёр физикч эрдэмтэн “графен” хэмээн нэрлэгдсэн урьд өмнө огт байгаагүй шинэ материалыг гарган авсан юм.

Тэгвэл графен гэж юу юм бэ? Графен гэдэг бол хамгийн нимгэн, хамгийн бат бөх нүүрстөрөгчийн нимгэн хавтгай юм. Энэ нимгэн хавтгай цахилгаан ба дулааныг зэсээс илүү сайн дамжуулна. Бараг тунгалаг мөртлөө маш нягт бүтэцтэй, дотуур нь хийн хамгийн жижиг хэсэг болох гелийн атом ч нэвтрэн гарч чадахгүй. Дэлхий ертөнц дээр оршин тогтнож байгаа амьдралын эх үүсгэвэр болсон нүүрстөрөгч энэ удаа бас л биднийг гайхшралд орууллаа. Гейм ба Новосёлов нар ердийн харандааны гол бал чулуунаас наалдамхай хальсыг ашиглан нэг атомын хэмжээний зузаантай графены нимгэн хальсыг гарган авчээ. Олонх эрдэмтэд кристаллын ийм нимгэн хальс тогтвортой байж чадахгүй гэж үзэж байлаа. Гэтэл ийм нимгэн хальс тогтвортойгоор барахгүй, эдүгээ эрдэмтэд графены нимгэн хальсыг хэрэглэн хоёр хэмжээстэй кристаллын гайхамшигтай шинж чанарыг судлах өргөн хүрээтэй ажлыг эхлүүлж байна.

Графеныг нээснээр квант  физикийн үзэгдлүүдийг судлах шинэ чиглэлүүдийг буй болголоо. Түүнийг ашиглан өмнө байгаагүй шинэ материалыг гарган авч электроникт ашиглах хэтийн практик төлөв нээгдэж байна. Судалгааны анхны үр дүнгээс авч үзвэл  графеныг хэрэглэж үйлдсэн транзистор бүхий компьютерийн хурд, цахиуртай компьютерийнхээс хавьгүй их байх ажээ. Бараг тунгалаг мөртлөө дамжиц сайтай графеныг хэрэглэн тунгалаг мэдрэмтгий дэлгэц, гэрэлтэгч самбар ба нарны батарей үйлдвэрлэх хэтийн ирээдүй байна. Графеныг пластмасстай хольж гарган авсан композит материалын цахилгаан дамжиц сайжирахаас гадна, дулаанд тэсвэртэй, бат бөх, нимгэн мөртлөө хөнгөн, уян байна. Ирээдүйд автомашин, онгоц, хиймэл дагуул зэргийг энэ материалыг ашиглан үйлдвэрлэх байж магадгүй.

 

 

 

 

Национальный  исследовательский

«Томский  политехнический университет»  

                                           Институт  физики высоких технологий

Кафедра наноматериалов и  нанотехнологий 

 

 

  

 

 

  

 

Реферат на тему: 

 

«Графен»  

 

 

 

Выполнил:

Студент  

 

Проверил:

Доцент каф. НМНТ

Дата  сдачи работы:

«» января 2011г. 

 

 

  

 

 

                                                                          Томск, 2011 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Введение 3

Общая характеристика графена и методы его получения 4

Cвойства графена 6

Сферы применения графена 7

Заключение 10

Список литературы 11  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

 

 

 Введение 

 

Есть мнение, что графен может сильно изменить жизнь человека в XXI веке. Это не только самый тонкий материал, но он также примерно в 200 раз прочнее стали и проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал, известный человечеству. 

 

Потенциальные области  применения включают замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных  самолетов и спутников; замена кремния  в транзисторах; внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности; датчики на основе графена могут  обнаруживать опасные молекулы; использование  графеновой пудры в электрических  аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности; оптоэлектроника; более  крепкий, прочный и легкий пластик; герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить  в нем еду, и она будет оставаться свежей; прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для  мониторов; более крепкие ветряные двигатели; более устойчивые к механическому  воздействию медицинские имплантаты; лучшее спортивное снаряжение; суперконденсаторы; улучшение проводимости материалов; высокомощные высокочастотные электронные  устройства; искуственные мембраны для  разделения двух жидкостей в резервуаре; улучшение тачскринов; ЖКД (жидкокристаллические дисплеи); дисплей на органических светодиодах; графеновые наноленты позволят создать  баллистические транзисторы; нанобреши  в графене могут позволить  создать новые техники скоростного  секвенирования ДНК. 

 

Задачей реферата явяется более подробное объяснение методов получения графена и  сфер производства, где он применяется  или будет применяться в ближайшем  будущем. Свойства графена описаны с общей точки зрения и менее подробно, т.к. рассматривались только значимые отличия свойств графена от других двумерных структур. 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

Общая характеристика графена  и методы его получения

Рис. 1 Кристаллическая структура графена. (изображение взято с http://www.portalnano.ru) 

 

 

 

Графен –  это планарная 2D-структура макроскопического размера и атомарной толщины, составленная из атомов углерода, в которой атомы углерода располагаются в узлах двумерной гексагональной решетки так, что каждый атом связан с тремя соседними ковалентными химическими связями с sp2-гибридизацией, а четвертый валентный электрон включен в сопряженную Пи-систему графена [1].

 

 

 

Некоторые характеристики графена:

Структура:

Кристаллическая структура  – кристаллическая решетка

Постоянная решетки  – 0,246 нм

Электронные свойства:

Эффективная масса электронов – 0 me

Эффективная масса дырок – 0 me

Зонная структура:

Ширина запрещенной  зоны – 0 эВ [1,2,3]

Рис.2 Листы графена (ПЭМ). Длина метки

200 нм

 

Графен обладает большой механической жёсткостью и  хорошей теплопроводностью. Он впервые был получен в 2004 году, и поэтому ещё недостаточно хорошо изучен. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза — из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства [2, 3].

 

Рис. 2 Графен

Главный из существующих в настоящее время  способов получения графена состоит  в механическом отщеплении или отшелушивании  слоёв графита [2, 3]. Этот способ позволяет получать самые качественные образцы. Но данный метод не предполагает массового производства, так как это трудная ручная работа. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.  

 

Существует  также множество других способов получения графена, в том числе  довольно необычные: как оказалось, микроскопическое расслоение графита  удается сделать также с помощью  обычной липкой ленты –

Рис. 3 Графен, полученный методом пиролиза продукта сольвотермального  синтеза.

 

скотча. Для этого тонкую пластинку графита помещают между двумя скотч-лентами и, последовательно разъединяя их, отщепляют раз за разом тонкие пленки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой. После этого  скотч прижимают к подложке окисленного кремния. При этом на подложке среди многих пленок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес [1]. 

 

 

  

 

Значительный  прогресс в последнее время произошел  с развитием методов выращивания  графена эпитаксиально (дорогостояшая методика), а также различных химических методов получения графена (данные методы вызывают ухудшенние электрических характеристик материала), а также с химическим осаждением его из газовой фазы на Ni-подложку с ее последующим растворением (полученные пленки имеют большую площадь, но неоднородны по толщине на масштабе длин ~ 5 мкм), а также некоторые альтернативные способы, например утонение кристалов графита в кислородном разряде [4].  

 

В завершении хотелось бы упомянуть еще два  метода получения графена: 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. [1] 

 

 

 

Cвойства графена

 

 

Графен является двумерной системой, и на данный момент теоретические и экспериментальные исследования свойств графена сосредоточены на изучении именно стандартных для двумерных систем свойств, т.е. исследовании кристаллической решетки, проводимости и эффекта Холла.  

 

 

 

Рис 4. Схема кристаллической решетки графена

Кристаллическая решётка графена (см. Рис.4) представляет собой плоскость , состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках составляет 0.142 нм.  

 

Самым интересным свойством графена (так  же как и ультратонкого графита), которое удалось обнаружить на данный момент, которое отличает его от других аллотропных модификаций  углерода и дающим ему большие  перспективы применения в электронике, является возможность управлять  проводимостью тонких пленок с помощью  внешнего электрического поля. Исследования показали, что при таком воздействии данные материалы стабильны, в отличие от других модификаций углерода [3].  

 

Так как графен является полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, то под действием электрического поля можно изменять концентрацию носителей зарядов. Экспериментально это делается следующим образом. Графеновый листок находится на кремниевой подложке, покрытой диэлектрическим слоем из SiO². Достаточно сильно легированный кремний можно использовать в качестве обратного затвора. При приложении к нему положительного напряжения в графене увеличивается концентрация свободных электронов, а при отрицательном – дырок. Концентрация носителей тока может достигать величины 1013 см^-2. Во всем диапазоне этих концентраций сохраняется высокая подвижность электронов и дырок вплоть до 2*104 см² В^-1с^-1 [1]. 

 

Впервые именно у графена удалось наблюдать  эффект Холла [1,5] при комнатной температуре благодаря высокой подвижности носителей. Так же, он является природным двумерным газом [1,5]. 

Сферы применения графена

 

 

Необычные электронные  свойства этого материала и возможность  химической модификации сделали  графен многообещающим кандидатом для  будущего повсеместного использования  в микроэлектронике. Достаточно упомянуть первые реализованные прототипы будущих устройств на его основе.  

 

Это полевые  транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор [6], жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи (в качестве прозрачного проводящего электрода), спиновый транзистор и многое другое [1,7]. 

 

В частности, графен рассматривают как материал, который может заменить кремний  в микросхемах. В 2008 году IBM сообщила о создании транзистора на основе графена.

Ближайшим конкурентом полевому транзистору  на графене является кремниевый полевой  транзистор с тонким слоем кремния. Обладая высокой подвижностью (10 000 см²/В с) и скоростью носителей (10⁸см/с) полевой транзистор на графене потенциально может в 10 раз превзойти кремниевый по быстродействию. То есть, если кремниевые транзисторы могут работать только в гигагерцовом диапазоне, то графеновые транзисторы позволяют выйти на терагерцовый. Однако отсутствие запрещенной зоны не позволяет такому транзистору иметь достаточно малый ток в закрытом состоянии, чтобы его можно было использовать в сверхбольших интегральных схемах.

Именно это обстоятельство вызвало  интерес к двойным слоям и  узким (10 нм и меньше) слоям графена (nanoribbons). В них уже есть запрещенная зона, но она все же меньше, чем у кремния, а минимальный размер транзистора определяется именно шириной запрещенной зоны. Длина канала кремниевого полевого транзистора ограничена 5–10 нанометрами. При меньшей длине наступает прямое туннелирование между истоком и стоком, транзистор перестает попросту закрываться. Поэтому, в этой области пока существуют проблемы, которые на данный момент пока не позволяют выпустить транзисторы на основе графена в массовое производство и говорить о полной замене кремния графеном пока еще очень рано.  

 

Хорошо известно, что графит является химически инертным материалом, а вот графен, как оказалось, можно достаточно легко химически модифицировать. Добавление атомов водорода к графену позволит получать на нем локальные области графана. Подобным образом можно, например, разделить лист исходного материала на множество проводящих полос.

Ранее в качестве одного из вариантов решения проблемы получения проводящих контуров предлагалось использовать метод нанолитографии.  

 

Что касается графана – он может найти применение и в водородной энергетике. Как оказалось, нагрев графана приводит к высвобождению атомарного водорода. Известно, что одной из основных проблем водородной энергетики является создание эффективных способов хранения водорода. Графан можно рассматривать как аккумулятор водорода. 

 

Примеры соединений углерода с фтором хорошо известны. Одним из них является политетрафторэтилен, или тефлон, который применяется в качестве защитного покрытия. Продукт реакции фтора и углерода – фторид