Что такое графен простыми словами: Графен — Что такое Графен?

Графен как пример квантового материала

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

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь. Что такое графен простыми словами его применение

Содержание

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от UV до far-IR,

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

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

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

Что такое графен и чем он так уникален?

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

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

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

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

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

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

Графен – это пластина, представляющая собой кристаллическую решётку из двухмерных кристаллов углерода. Автором нового материала, учёным Уоллесом, в 1947 году были замечены необычные свойства графена. Он утверждал, что вещество по своим характеристикам аналогично металлам.

Что такое графен

Графен является аллотропной модификацией углерода. Такое состояние людям известно давно. Например, тот же самый алмаз является углеродом, но с особой кристаллической структурой. Аналогично этой ситуации – монослой графита представляет собой графен.

Долгое время считалось, что получить графен невозможно. Теоретические расчеты, сделанные в 30-х годах прошлого века, показывали, что монослой графита не может быть стабильным. Физическим аналогом графена является обычная пищевая пленка. Если вы возьмете ее кусочек, то она будет стремиться непременно скомкаться. Точно также ведет себя графен. В свободном пространстве он стремится собраться в комок, после чего превращается, по сути, в графит.

В 2004 году двое ученых – Андрей Гейм и Константин Новоселов нашли способ получения графена. Метод оказался настолько прост, что его может повторить любой в домашних условиях с помощью скотча. Ученые получили за свое открытие Нобелевскую премию.

Получение графена методом скотча

Чтобы повторить эксперимент Нобелевских лауреатов, понадобится скотч и кусочек графита. Скотч нужно приклеить на графит. Когда вы отдерете пленку от материала, на ней останется слой вещества. Но, он будет еще недостаточно тонким, чтобы называться графеном и получить уникальные свойства. Этот слой нужно еще несколько раз снять другой лентой скотча, пока не останется слой вещества толщиной в 1 атом, рассмотреть который можно лишь в микроскоп.

Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

Графен в России

В России собственная графеновая индустрия пока только складывается.

Причастные крупные корпорации, например «Росатом», «Ростех», «Роснефть», «Газпром», пока не афишируют тему графеновых материалов, испытывая готовые продукты, например уплотнители от АО «НП «Унихимтех»» (Подольск) на основе графеносодержащих мультислойных структур, графеновые смазки от ООО «ПКФ Альянс» (Санкт-Петербург), корозионно-стойкие покрытия от ООО «Глобал АКЗ».

Интервью профессора, доктора химических наук Дарьи Андреевой

«Сейчас одно из наиболее востребованных применений графена — это теплоотвод в электронных устройствах. В нашей лаборатории сейчас есть проект, направленный на решение этой задачи. Мы разрабатываем теплопроводную пасту для микроэлектроники на основе наших графеновых нанопластин»,— рассказал нам генеральный директор ООО «Русграфен» (Протвино) Максим Рыбин. Кроме того, в ООО «Русграфен» совместно с ООО «ГрафенОкс» (Черноголовка) научились делать различные виды графеновых красок и чернил для гибкой электроники. «Мы можем наносить тонким слоем чернила в качестве активного элемента сенсора и электропроводящие краски в качестве электродов»,— пояснил Максим Рыбин.

По словам генерального директора ООО «Актив-нано» (Санкт-Петербург) Галины Черник, компания разработала тонкорасщепленный графит (few-layer graphene, малослойный графен). Продукт изготавливают с помощью механических методов, без химических реагентов и высоких температур. Окисления углеродного материала не происходит. Удельная площадь поверхности малослойного графена составляет 250–500 кв. м/г, что соответствует средней толщине в пять-десять слоев атомов углерода. Удельная электропроводность материала достигает 100–200 сименс на сантиметр, что в несколько раз выше, чем у электропроводящих саж. Порошок малослойного графена можно применять в электропроводящих и теплопроводящих материалах и в качестве твердой смазки в порошковой металлургии.

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

Описание графена. Открытие графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp 2 -связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань .

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит , известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах. Предполагается, что графен может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности, и другим химическим элементам.

Графен был получен двумя британскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера. За «передовые опыты с двумерным материалом – графеном» Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии. Для получения графена ученые использовали подручные материалы – кусок графита и обычный скотч. Ученые нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали ленту, каждый раз разделяя (отшелушивая) вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний – прозрачный слой – графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена именуется методом “отшелушивания”.

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали . Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

– благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

– графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния . Так, подвижность зарядов графена составляет более 1 000 000 см 2 /В∙с. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с,

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы ,

– обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди. Его теплопроводность составляет около 5000 Вт/м∙К,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от UV до far-IR,

– графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

– инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

– благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект),

– графен является гидрофобным и абсолютно непроницаем (за исключением воды) материалом для жидкостей и газов, в том числе агрессивных соединений,

Что такое графен? | Graphene-Info

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в гексагональной решетке. Это строительный блок графита (который используется, среди прочего, в кончиках карандашей), но графен сам по себе является замечательным веществом — с множеством удивительных свойств, которые неоднократно приносили ему звание «чудо-материал». .

Свойства графена

Графен — самый тонкий из известных человеку материалов толщиной в один атом, а также невероятно прочный — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями к поглощению света. Это действительно материал, который может изменить мир, с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.

Для получения дополнительной информации о свойствах графена нажмите здесь

Потенциальные области применения

Графен — чрезвычайно разнообразный материал, который можно комбинировать с другими элементами (включая газы и металлы) для получения различных материалов с превосходными свойствами. Исследователи во всем мире продолжают постоянно исследовать и патентовать графен, чтобы изучить его различные свойства и возможные применения, в том числе:

• батареи
• транзисторы
• Компьютерные чипы
• Выработка энергии
• SuperCapacitors
• Секвенирование ДНК
• Водные фильтры
• Antennas
• с сенсорным экраном (для LCD OR OLED-дисплеев)
• Solar Solar Slar Claftren
. захватывающий материал, привлекающий большое внимание, особенно после того, как Нобелевская премия по физике 2010 г. была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову, которые впервые выделили графен в 2004 г.

Производство графена

Графен действительно очень интересен, но производство высококачественных материалов по-прежнему остается сложной задачей. Десятки компаний по всему миру производят различные типы и сорта графеновых материалов — от высококачественного однослойного графена, синтезированного с помощью процесса на основе CVD, до графеновых чешуек, производимых из графита в больших объемах.

Высококачественные графеновые листы в основном используются в исследованиях и разработках или в экстремальных приложениях, таких как датчики, но графеновые чешуйки, производимые в больших объемах и по более низким ценам, используются во многих приложениях, таких как спортивный инвентарь, бытовая электроника, автомобили и многое другое. .

Изделия из графена

Несколько компаний предлагают графен и изделия на основе графена. Вы можете проверить наш список компаний, связанных с графеном, чтобы найти компанию, которая предлагает продукты, которые вам нужны.

В декабре 2011 года компания Vorbeck Materials сообщила, что началось поставки противоугонного упаковочного устройства Siren, в котором используется схема Vor-Ink на основе графена (показана ниже), и это был первый в мире коммерчески доступный продукт на основе графена.

Сегодня на рынке появилось еще несколько изделий из графена. Спортивная индустрия была одной из первых, и уже в 2013 году HEAD начала поставлять теннисные ракетки с улучшенным графеном (серия YouTek Graphene Speed). Сегодня можно купить усиленные графеном шлемы, лыжное снаряжение и даже снаряжение для лакросса.

Графен также появился на рынке бытовой электроники — например, в некоторых флагманских смартфонах Huawei используется технология охлаждения графеновой пленкой для управления теплом. Еще одна известная компания, использующая графен, — это Ford, которая в 2019 году использует пенопластовые покрытия, армированные графеном, для шумных компонентов.Машины F-150 и Мустанг. Ford использует графен, смешанный с компонентами пенопласта, в результате чего детали становятся на 17% тише, на 20% прочнее и на 30% более термостойкими

Интересным рынком для графена является рынок сенсоров. Например, в 2016 году компания Nanomedical Diagnostics из Сан-Диего (теперь называется Cardea) начала поставлять свои датчики на основе графена и систему AGILE R100, которая позволяет обнаруживать малые молекулы в режиме реального времени. Графеновый датчик обеспечивает более быструю обработку образцов, большую точность, портативность и экономию средств.

Дополнительная литература

• Подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку, чтобы быть в курсе последних новостей о графене
• Узнайте о лучших способах инвестирования в графеновую революцию
• Не пропустите The Graphene Handbook, наш собственный справочник по рынок графена
• Прочитайте эту захватывающую статью о потенциале графена на рынке аккумуляторов
• Узнайте, как графен может произвести революцию в производстве солнечных панелей
• Получите обзор текущего состояния графеновых продуктов

Графен и графит – Graphenea

“ Свойства графена – прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость, сопротивление и способность генерировать химические реакции с другими веществами – таят в себе потенциал развязать новую технологическую революцию более грандиозных масштабов, чем это привело к появлению электричества в 19 веке и появлению Интернета в 1990-х годах. ” — LarrainVial

В самых общих чертах графен можно описать как единый слой толщиной в один атом обычно встречающегося минерального графита; графит по существу состоит из сотен тысяч слоев графена. На самом деле структурный состав графита и графена, а также метод создания одного из другого немного отличаются.

Графит

Когда-то давно, когда вы учились в школе, вполне вероятно, что вы сталкивались с термином «грифель карандаша», относящимся к центральному стержню карандаша, который способен оставлять следы на бумаге и другом материале. На самом деле, вместо того, чтобы относиться к химическому элементу и тяжелому металлу, свинцу, это центральное ядро ​​чаще всего делается из графита, смешанного с глиной. Ошибка возникла, когда он был впервые обнаружен, и в этот момент, поскольку он является формой углерода и имеет молекулярный состав, аналогичный другим членам углеродной группы (хотя в первую очередь из-за визуального сходства), он считался формой свинца.

Графит — это минерал, который в природе встречается в метаморфических породах на разных континентах мира, включая Азию, Южную Америку и некоторые части Северной Америки. Образуется в результате восстановления осадочных соединений углерода при метаморфизме. Вопреки распространенному мнению, химические связи в графите на самом деле прочнее, чем в алмазе. Однако то, что определяет разницу в твердости двух соединений, — это структура решетки атомов углерода, содержащихся внутри; алмазы, содержащие связи в трехмерной решетке, и графит, содержащие связи в двумерной решетке (слои углеродных листов). Хотя в каждом слое графита атомы углерода содержат очень прочные связи, слои могут скользить друг относительно друга, что делает графит более мягким и податливым материалом.

Обширные исследования в течение сотен лет доказали, что графит является впечатляющим минералом, демонстрирующим ряд выдающихся и превосходных свойств, включая его способность хорошо проводить электричество и тепло, обладая высочайшей естественной жесткостью и прочностью даже при температурах, превышающих 3600 градусов по Цельсию, и он также очень устойчив к химическому воздействию и самосмазывающийся. Однако, несмотря на то, что он был впервые обнаружен более тысячи лет назад и впервые назван в 1789 году, промышленности потребовалось некоторое время, чтобы реализовать весь потенциал этого удивительного материала.

Графит является одним из трех встречающихся в природе аллотропов углерода (другими являются аморфный углерод и алмаз). Разница между тремя встречающимися в природе аллотропами заключается в структуре и связи атомов внутри аллотропов; алмаз с кристаллической структурой алмазной решетки, графит с сотовой структурой решетки и аморфный углерод (такой как уголь или сажа) не имеют кристаллической структуры.

Хотя существует множество различных форм углерода, графит имеет исключительно высокое качество и является наиболее стабильным в стандартных условиях. Поэтому он обычно используется в термохимии как стандартное состояние для определения теплообразования соединений, состоящих из углерода. Он встречается в природе в трех различных формах: кристаллический чешуйчатый, аморфный и глыбовый или прожилковый графит, и в зависимости от его формы используется для ряда различных применений.

Как упоминалось ранее, графит имеет плоскую слоистую структуру; каждый слой состоит из атомов углерода, связанных вместе в гексагональной решетке. Эти связи, или ковалентные связи, как их называют более технически, чрезвычайно прочны, а атомы углерода разделены всего на 0,142 нанометра. Атомы углерода связаны друг с другом очень прочными sp2-гибридными связями в один слой атомов, двумерно. Каждый отдельный двумерный слой атомов углерода, связанных sp2-связями, толщиной в один атом в графите разделен на 0,335 нм. По сути, кристаллическая чешуйчатая форма графита, как упоминалось ранее, представляет собой просто сотни тысяч отдельных слоев связанных атомов углерода, сложенных вместе.

«»Свойства графена — прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость, сопротивление и способность генерировать химические реакции с другими веществами — таят в себе потенциал, чтобы развязать новую технологическую революцию более грандиозных масштабов, чем та, которая началась благодаря электричеству в 19 веке и развитию Интернета в 1990-х». — LarrainVial»

Графен

Итак, графен — это, по сути, один слой графита; слой sp2-связанных атомов углерода, расположенных в сотовой (гексагональной) решетке. Однако графен обладает некоторыми впечатляющими свойствами, превосходящими свойства графита, поскольку он изолирован от своего «материнского материала». Графит, естественно, является очень хрупким соединением и не может использоваться в качестве конструкционного материала сам по себе из-за его отвесных плоскостей (хотя он часто используется для армирования стали). Графен, с другой стороны, является самым прочным из когда-либо зарегистрированных материалов, более чем в триста раз прочнее конструкционной стали A36, при 130 гигапаскалях и более чем в сорок раз прочнее алмаза.

Из-за плоской структуры графита его тепловые, акустические и электронные свойства сильно анизотропны, а это означает, что фононы гораздо легче перемещаются по плоскостям, чем при попытке путешествовать по плоскостям. С другой стороны, графен, представляющий собой единый слой атомов и обладающий очень высокой подвижностью электронов, предлагает фантастические уровни электронной проводимости благодаря наличию свободного пи (π) электрона для каждого атома углерода.

GFET-S10
(размер матрицы 10 мм x 10 мм)
для зондирования применения
380,00 $




Высококонцентрированный оксид графена (концентрация 2,5 мас.%) для реализации этого высокого уровня электронной проводимости должно происходить легирование (электронами или дырками), чтобы преодолеть нулевую плотность состояний, которую можно наблюдать в точках Дирака графена. Высокий уровень электронной проводимости объясняется наличием квазичастиц; электроны, которые ведут себя так, как будто у них нет массы, подобно фотонам, и могут перемещаться на относительно большие расстояния без рассеяния (поэтому эти электроны известны как безмассовые фермионы Дирака).

Создание или выделение графена

Существует несколько способов, которыми ученые могут производить графен. Первым успешным способом получения однослойного и малослойного графена было механическое расслоение (метод клейкой ленты). Тем не менее, многие исследовательские институты по всему миру в настоящее время стремятся найти лучший, наиболее эффективный и действенный способ производства высококачественного графена в больших масштабах, который также является экономически эффективным и масштабируемым.

Ученые чаще всего создают однослойный или несколько слоев графена с помощью метода, известного как химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Это метод, который извлекает атомы углерода из источника, богатого углеродом, путем восстановления. Основная проблема этого метода заключается в поиске наиболее подходящей подложки для выращивания графеновых слоев, а также в разработке эффективного способа удаления графеновых слоев с подложки без повреждения или модификации атомной структуры графена.

Другими методами создания графена являются: выращивание из твердого источника углерода (с использованием термоинженерии), обработка ультразвуком, разрезание открытых углеродных нанотрубок, восстановление диоксидом углерода, а также восстановление оксида графита. Этот последний метод использования тепла (с помощью атомно-силового микроскопа или лазера) для восстановления оксида графита до графена в последнее время получил широкую огласку из-за минимальной стоимости производства. Однако качество производимого в настоящее время графена не соответствует теоретическому потенциалу, и на его совершенствование неизбежно потребуется некоторое время.