Graphene. Графен: революционный материал будущего — свойства, производство и применение

Что такое графен и почему он считается материалом будущего. Какими уникальными свойствами обладает графен. Как производят графен и с какими сложностями сталкиваются. Где уже применяется графен и каковы его перспективы.

Что такое графен и его уникальные свойства

Графен — это двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке. Он обладает рядом уникальных свойств:

• Высочайшая прочность — в 200 раз прочнее стали
• Отличная электро- и теплопроводность
• Гибкость и эластичность
• Оптическая прозрачность
• Химическая стабильность
• Непроницаемость для газов

Благодаря сочетанию этих свойств графен называют «материалом будущего» и «чудо-материалом». Но какова история его открытия?

История открытия и изучения графена

Первый образец графена был получен в 2004 году учеными Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Метод получения графена оказался на удивление простым — ученые использовали обычную клейкую ленту для отщепления тончайших слоев от графита. Этот метод получил название «метод отшелушивания».

С момента открытия началось активное изучение свойств графена и поиск методов его массового производства. Какие способы производства графена используются сегодня?

Современные методы производства графена

На сегодняшний день существует несколько основных методов получения графена:

1. Механическое отшелушивание от графита
2. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
3. Восстановление оксида графена
4. Эпитаксиальный рост на подложках
5. Жидкофазная эксфолиация графита

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Основная проблема — сложность получения качественного графена в промышленных масштабах. Над решением этой задачи работают ученые по всему миру.

Применение графена в электронике

Одно из самых перспективных направлений применения графена — электроника. Графен может произвести революцию в этой области благодаря своим уникальным свойствам:

• Высокая подвижность носителей заряда позволяет создавать сверхбыстрые транзисторы
• Прозрачность и гибкость дают возможность производить гибкие дисплеи
• Отличная теплопроводность решает проблему отвода тепла
• Возможность создания сверхтонких и емких аккумуляторов

Уже сейчас ведутся разработки графеновых процессоров, дисплеев, аккумуляторов. В будущем это может привести к появлению гибких смартфонов, сверхбыстрых компьютеров и долговечных батарей.

Графен в энергетике

Графен открывает новые возможности и для энергетики. Основные направления применения:

• Солнечные батареи — графен повышает их эффективность
• Суперконденсаторы — накопители энергии нового поколения
• Топливные элементы — графен улучшает их характеристики
• Ядерная энергетика — графен может использоваться для очистки воды от радиоактивных элементов

Использование графена позволит создать более эффективные и экологичные источники энергии. Как еще может применяться этот материал?

Другие области применения графена

Потенциал применения графена огромен. Вот лишь некоторые перспективные направления:

• Медицина — адресная доставка лекарств, биосенсоры, искусственные мышцы
• Строительство — сверхпрочные и легкие конструкционные материалы
• Очистка воды — высокоэффективные мембраны для опреснения
• Спорт — сверхлегкая и прочная экипировка
• Авиация и космос — защитные покрытия, легкие конструкции

По мере совершенствования технологий производства сфера применения графена будет только расширяться. Какие проблемы стоят на пути массового внедрения?

Проблемы и перспективы внедрения графена

Несмотря на огромный потенциал, массовое внедрение графена сталкивается с рядом проблем:

• Сложность производства качественного графена в промышленных масштабах
• Высокая стоимость производства
• Отсутствие стандартов качества и методов характеризации
• Недостаточная изученность влияния на здоровье и экологию
• Необходимость адаптации существующих технологий

Тем не менее, ученые и инженеры активно работают над решением этих проблем. Многие эксперты считают, что в ближайшие 10-20 лет графен начнет активно внедряться в различные сферы, произведя настоящую технологическую революцию.

Graphene — Digital production

Санкт-Петербург

Стогар Павел
Генеральный директор ООО «ОРЦ»

Наше партнерство продолжается год, за который мы убедились в высоких профессиональных компетенциях вашей команды. Мы реализовали несколько проектов в сфере UX/UI дизайна и результаты полностью оправдали наши ожидания. Во всех случаях команда быстро включалась в работу и глубоко погружалась в детали проекта. Отдельно хотелось бы отметить проактивную позицию, гибкий подход к реализации задач и позитивный настрой.

Тампа, штат Флорида

Пантелеев А.С.
Генеральный директор Aurinko

От компании Aurinko благодарим ООО «Студия Графен» за создание сайта. Нам было необходимо разработать web-сервис, который поможет сформировать образ бренда и донести преимущества нашего продукта. Команда digital-студии полностью оправдала ожидания: мы получили ресурс с привлекательным дизайном, который позволяет нам выделиться среди других компаний на рынке США. Но самое главное, что сайт уже начал работать на привлечение клиентов, о чем свидетельствует наша последняя статистика.

Москва

Капранова Ольга
Директор по маркетингу Vileda

К Graphene обращались с целью создания UX/UI дизайна десктопного приложения для Windows. Все пожелания и требования из ТЗ были учтены и успешно реализованы. На протяжении всего проекта сотрудники были на связи, еженедельные встречи позволяли оставаться в курсе происходящих событий. Работы были выполнены в срок и в рамках первоначальной оценки, что особенно ценно

Чебоксары

Комаров И.В.
Директор ООО «Автофургон»

При разработке сайта вашими экспертами учитывались все наши пожелания и требования по оптимизации платформы, навигации, имиджевому оформлению, дизайну. Разработанный ресурс полностью соответствует нашим ожиданиям и задачам бизнеса в части расширения сети продаж ООО «Автофургон». По завершению работ мы получили современный и интуитивно понятный имиджевый сайт с качественно проработанным функциональным каталогом.

Москва

Завражнева К.И.
Генеральный директор ООО «Репорт Дизайн»

Руководство ООО «Репорт Дизайн» выражает огромную благодарность компании ООО «Студия Графен» за оперативное включение в наши задачи и качественную реализацию проекта по разработке сайта годовой отчетности для одной из крупнейших телекоммуникационных компаний страны. Было необходимо в экстремально сжатые сроки выполнить огромный объем работ и ваши специалисты прекрасно справились с задачей…

Нижний Новгород

Свинцов Андрей
Исполнительный директор ООО «Моризо Диджитал»

Главной и наиболее ценной чертой ООО «Студия Графен» является организованность сотрудников и способность качественно выполнять поставленные задачи даже в условиях экстремально сжатых сроков. Нам требовалось реализовать проект для ведущей энергетической компании страны к строго определенному дедлайну и благодаря команде ООО «Студия Графен» мы смогли выполнить свои обязательства перед конечным заказчиком.

Москва

И.о. настоятеля Московского Подворья Свято-Троицкой Сергиевой Лавры

В результате работы вашей команды мы получили сайт с качественным дизайном и нужным функционалом, который отражает современный образ православного храма и раскрывает все его направления духовной деятельности, в том числе работу Троицкой школы, которая функционирует при Лавре Подворья. Благодаря вашему профессионализму и ответственному отношению к работе, мы получили сайт, который полностью оправдал наши ожидания

На протяжении проекта специалисты всегда оставались с нами на связи, регулярно демонстрировали результаты работы, оперативно реагировали на любые изменения, новые требования, обеспечивали прозрачность реализации проекта. Отличительной чертой компании является ее гибкость, мобильность в решении технических задач, проактивность и оперативность. Такие качества обеспечивали комфортную работу и легкость в решении любых производственных вопросов.

Иванов Д.В.
Генеральный директор ООО «Рокмедиа»

Ульяновск

Специалисты студии Grapene поняли задачи нашего бизнеса и предложили варианты решения. Нам понравилось, что процесс был выстроен поэтапно, мы всегда были в курсе как продвигается работа над сайтом и могли контролировать проект. В результате сайт был реализован вовремя и полностью оправдал наши ожидания. Благодарим за отлично проделанную работу и желаем вам много интересных проектов!

Рудковская Екатерина
Генеральный директор Diada Bellydance

Ульяновск

Ульяновск

Артем Рогов
Управляющий партнер Bitlate

Нашей компании потребовалось разработать дизайн новых шаблонов интернет-магазинов на базе CMS 1C-Битрикс. Команда Graphene отлично справилась с поставленной задачей. После глубокой проработки аналитики, основанной на опыте бизнеса и пользователей, специалисты разработали качественные макеты с максимально удобными функциональными возможностями. Благодарим всю команду за проделанную работу!

Все необходимые работы по созданию сводной страницы и отдельных лендингов под мероприятия выполнены качественно и в максимально короткие сроки, что было для нас критичным. На протяжении проекта специалисты ООО «Студия Графен» делились конструктивными рекомендациями по адаптивности сайта, которые впоследствии были реализованы командой.

Кочин С.В.
Генеральный директор
АНО «Консультационный центр «Кодекс»

Москва

Graphene is a proven supermaterial, but manufacturing the versatile form of carbon at usable scales remains a challenge

“Future chips may be 10 times faster, all thanks to graphene”; “Graphene may be used in COVID-19 detection”; and “Graphene allows batteries to charge 5x faster” – those are just a handful of recent dramatic headlines lauding the possibilities of graphene.

Graphene is an incredibly light, strong and durable material made of a single layer of carbon atoms. With these properties, it is no wonder researchers have been studying ways that graphene could advance material science and technology for decades.

I never know what to expect when I tell people I study graphene – some have never heard of it, while others have seen some version of these headlines and inevitably ask, “So what’s the holdup?”

Graphene is a fascinating material, just as the sensational headlines suggest, but it is only just starting be used in real-world applications. The problem lies not in graphene’s properties, but in the fact that it is still incredibly difficult and expensive to manufacture at commercial scales.

Pure graphene is a uniform, single-atom-thick crystal of carbon arranged in a hexagonal pattern, as seen in this electron microscope image. M.H. Gass/Wikimedia Commons, CC BY

What is graphene?

Graphene is most simply defined as a single layer of carbon atoms bonded together in a hexagonal, sheetlike structure. You can think of pure graphene as a one-layer-thick sheet of carbon tissue paper that happens to be the strongest material on Earth.

Graphene usually comes in the form of a powder made of small, individual sheets that are roughly the diameter of a grain of sand. An individual sheet of graphene is 200 times stronger than an equally thin piece of steel. Graphene is also extremely conductive, holds together at up to 1,300 degrees Fahrenheit (700 C), can withstand acids and is flexible and very lightweight.

Because of these properties, graphene could be extremely useful. The material can be used to create flexible electronics and to purify or desalinate water. And adding just 0.03 ounces (1 gram) of graphene to 11.5 pounds (5 kilograms) of cement increases the strength of the cement by 35%.

As of late 2022, Ford Motor Co., with which I worked as part of my doctoral research, is one of the the only companies to use graphene at industrial scales. Starting in 2018, Ford began making plastic for its vehicles that was 0. 5% graphene – increasing the plastic’s strength by 20%.

Researchers made the first piece of graphene by peeling layers of carbon off of graphite – or pencil lead – with tape. Rapid Eye/E+ via Getty Images

How to make a supermaterial

Graphene is produced in two principal ways that can be described as either a top-down or bottom-up process.

The world’s first sheet of graphene was created in 2004 out of graphite. Graphite, commonly known as pencil lead, is composed of millions of graphene sheets stacked on top of one another. Top-down synthesis, also known as graphene exfoliation, works by peeling off the thinnest possible layers of carbon from graphite. Some of the earliest graphene sheets were made by using cellophane tape to peel off layers of carbon from a larger piece of graphite.

The problem is that the molecular forces holding graphene sheets together in graphite are very strong, and it’s hard to pull sheets apart. Because of this, graphene produced using top-down methods is often many layers thick, has holes or deformations, and can contain impurities. Factories can produce a few tons of mechanically or chemically exfoliated graphene per year, and for many applications – like mixing it into plastic – the lower-quality graphene works well.

Graphene flakes made from top-down methods are usually more than one atom thick and have impurities like folds and tears, as seen in this image. Дагесян Саркис Арменакович/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Top-down, exfoliated graphene is far from perfect, and some applications do need that pristine single sheet of carbon.

Bottom-up synthesis builds the carbon sheets one atom at a time over a few hours. This process – called vapor deposition – allows researchers to produce high-quality graphene that is one atom thick and up to 30 inches across. This yields graphene with the best possible mechanical and electrical properties.

The problem is that with a bottom-up synthesis, it can take hours to make even 0.00001 gram – not nearly fast enough for any large scale uses like in flexible touch-screen electronics or solar panels, for example.

So what’s the holdup?

Current production methods of graphene, both top-down and bottom-up, are expensive as well as energy and resource intensive, and simply produce too little product, too slowly.

Some companies do manufacture graphene and sell it for US$60,000 to $200,000 per ton. There are a limited number of uses that make sense at these high costs.

While small amounts of top-down or bottom-up graphene can satisfy the needs of researchers, for companies even just the process of prototyping a new material, application or manufacturing process requires many pounds of graphene powder or hundreds of graphene sheets and a lot of time and effort. It took significant investment and more than four years of study, development and optimization before graphene hit the production line at Ford.

Current production can barely cover experimentation, much less widespread use.

Improving manufacturing

For a material that has been around since only 2004, a lot of progress has been made in scaling up the production and implementation of graphene.

There are hints that graphene is starting to break through at a commercial level. There are a huge number of graphene-related startups looking at a wide range of uses ranging from energy storage to composites to nerve stimulation. Major companies – such as Tesla, LG and chemical giant BASF – are also investigating how graphene could be used, in rechargeable batteries, flexible or wearable electronics and next-generation materials.

Graphene is ripe for a breakthrough that will bring down the cost and increase the scale of production, and this is an area of intense academic research. One new technique discovered in 2020, called flash joule heating, is especially promising. Researchers have shown that passing large amounts of electricity through any carbon source reorganizes the carbon-carbon bonds into a graphene structure. Using this process, it is possible to make many pounds of high-quality graphene for a relatively low cost out of any carbon-containing material like coal or even trash. A company called Universal Matter Inc. is already commercializing the process.

Once the cost of graphene comes down, the commercial applications will follow. The appetite for graphene is huge, but it is going to take some time before this material lives up to its potential.

графен — что это такое?

Общие сведения о графене

Графен представляет собой один слой (монослой) атомов углерода, тесно связанных в гексагональной сотовой решетке. Это аллотроп углерода в виде плоскости sp2-связанных атомов с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, уложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нанометра. Отдельные слои графена в графите удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые можно преодолеть при отслаивании графена от графита. 93 Вт·м-1·К-1), а также лучший из известных проводников электричества (исследования показали подвижность электронов при значениях более 200 000 см2·В-1·с-1). Другими примечательными свойствами графена являются его равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра (πα ≈ 2,3%) и его потенциальная пригодность для использования в спиновом транспорте.

Имея это в виду, можно удивиться, узнав, что углерод является вторым наиболее распространенным элементом в человеческом теле и четвертым наиболее распространенным элементом во Вселенной (по массе) после водорода, гелия и кислорода. Это делает углерод химической основой всей известной жизни на Земле, что делает графен потенциально экологически чистым и устойчивым решением для почти неограниченного числа приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена произошел взрывной рост приложений в различных научных дисциплинах, при этом были достигнуты огромные успехи, особенно в высокочастотной электронике, биологических, химических и магнитных датчиках, сверхширокополосных фотодетекторах и энергетике. хранение и генерация.

Проблемы производства графена

Первоначально единственным методом производства графена большой площади был очень дорогой и сложный процесс (химическое осаждение из паровой фазы, CVD), который включал использование токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия на платину, Никель или карбид титана в этилен или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии на чем-либо, кроме металлической подложки, не было. Эти производственные проблемы сделали графен изначально недоступным для исследований в области развития и коммерческого использования. Кроме того, использованию CVD-графена в электронике препятствовала сложность удаления графеновых слоев с металлической подложки без повреждения графена.

Однако исследования, проведенные в 2012 году, показали, что путем анализа межфазной адгезионной энергии графена можно эффективно отделить графен от металлической платы, на которой он выращен, а также теоретически можно повторно использовать плату для будущих приложений бесконечное количество раз. , тем самым уменьшая токсичные отходы, ранее созданные в этом процессе. Кроме того, качество графена, выделенного этим методом, было достаточно высоким для создания устройств молекулярной электроники.

С тех пор исследования в области выращивания CVD-графена продвинулись семимильными шагами, что сделало качество графена неважным для технологического внедрения, которое теперь определяется стоимостью лежащей в основе металлической подложки. Тем не менее, исследования все еще проводятся для последовательного производства графена на нестандартных подложках с контролем таких примесей, как рябь, уровни легирования и размер домена, а также с контролем количества и относительной кристаллографической ориентации слоев графена.

Applications

Приведение исследований графена в промышленное применение требует скоординированных усилий, таких как проект ЕС Graphene Flagship стоимостью миллиард евро. После первого этапа, который длился несколько лет, исследователи Flagship подготовили уточненную дорожную карту приложений графена, в которой указаны наиболее перспективные области применения: композиты, энергетика, телекоммуникации, электроника, датчики и изображения, а также биомедицинские технологии.

Возможность создавать суперконденсаторы из графена, возможно, станет крупнейшим шагом в электронной технике за долгое время. В то время как разработка электронных компонентов развивалась очень высокими темпами в течение последних 20 лет, решения для хранения энергии, такие как батареи и конденсаторы, были основным ограничивающим фактором из-за размера, мощности и эффективности (большинство типов батарей очень неэффективны). , а конденсаторы и того меньше). Например, литий-ионные батареи сталкиваются с компромиссом между плотностью энергии и плотностью мощности.

В ходе первоначальных испытаний суперконденсаторы из графена с лазерной разметкой (LSG) продемонстрировали удельную мощность, сравнимую с плотностью мощности мощных литий-ионных аккумуляторов, которые используются сегодня. Мало того, суперконденсаторы LSG очень гибкие, легкие, быстро заряжаются, тонкие и, как упоминалось ранее, сравнительно недороги в производстве.

«Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, были широко раскрыты»

Графен также используется для повышения не только емкости и скорости заряда батарей, но и их долговечности. В настоящее время, хотя такие материалы, как литий, способны накапливать большое количество энергии, это потенциальное количество уменьшается при каждой зарядке или перезарядке из-за износа электродов. Например, с оксидом графена и олова в качестве анода в литий-ионных батареях батареи работают намного дольше между зарядками (потенциальная емкость увеличилась в 10 раз), и почти не снижается емкость между зарядками, что эффективно делает такие технологии, как электронное питание транспортные средства гораздо более жизнеспособным транспортным решением в будущем. Это означает, что батареи (или конденсаторы) могут быть разработаны так, чтобы они работали намного дольше и обладали большей емкостью, чем предполагалось ранее. Кроме того, это означает, что электронные устройства можно заряжать в течение нескольких секунд, а не минут или часов, и они значительно продлевают срок службы.

Исследователи из Graphene Flagship также изучают способы использования графена для улучшения производства энергии, в том числе для улучшения перовскитных солнечных элементов (PSC), многообещающих источников солнечной энергии следующего поколения с очень высокой эффективностью. Ведущие исследователи добились значительного прогресса в увеличении срока службы и производительности PSC при одновременном снижении стоимости производства PSC. Добавление промежуточного слоя из уменьшенного оксида графена к PSC привело к низкозатратному производству PSC с эффективностью 20%, сохраняемой до 95% после 1000 часов работы. Пилотная производственная линия и графен-перовскитовая солнечная ферма мощностью 1 кВт находятся в разработке в течение следующего периода.

Использование графена в накопителях энергии наиболее заметно исследуется благодаря использованию графена в усовершенствованных электродах. Сочетание наночастиц графена и кремния привело к созданию анодов, которые сохраняют 92% своей энергоемкости в течение 300 циклов заряда-разряда с высокой максимальной емкостью 1500 мАч на грамм кремния. Достигнутые значения плотности энергии значительно превышают 400 Втч/кг. На следующем флагманском этапе проект Spearhead будет сосредоточен на доиндустриальном производстве литий-ионной батареи на основе кремния и графена. Кроме того, был разработан инструмент для нанесения покрытия распылением на графен, позволяющий крупномасштабное производство тонких пленок графена, которые использовались, например, для производства суперконденсаторов с очень высокой плотностью мощности.

Другим применением графена, схожим с упомянутыми ранее, является применение в красках. Графен очень инертен и поэтому может выступать в качестве коррозионного барьера между диффузией кислорода и воды. Это может означать, что будущие автомобили можно будет сделать устойчивыми к коррозии, поскольку графен можно выращивать на любой металлической поверхности (при правильных условиях). Из-за своей прочности графен в настоящее время также разрабатывается в качестве потенциальной замены кевлара в защитной одежде и в конечном итоге будет использоваться в производстве автомобилей и, возможно, даже в качестве строительного материала.

Графен долгое время считался идеальным материалом для каналов для радиочастотной (РЧ) гибкой электроники. Радиочастотные и даже терагерцовые приложения постоянно продвигаются вперед, с продемонстрированным микроволновым приемником для сигналов до 2,45 ГГц, гибким терагерцовым детектором и демонстрацией эффективного охлаждения наноэлектронных устройств на основе графена с использованием гиперболического фононного охлаждения. Гибкая природа графена позволяет использовать различные электронные устройства на гибких подложках, такие как, например, гибкие, полностью твердотельные суперконденсаторы на основе графена, носимые сенсорные панели, датчики деформации и трибоэлектрические датчики с автономным питанием, все недавно продемонстрированные, с приложениями. такие как гибкие, надежные устройства с сенсорным экраном, такие как мобильные устройства и наручные часы, которые уже не за горами.

Помимо этих краткосрочных приложений, можно ожидать появления складных телевизоров и телефонов и, в конечном счете, электронных гибких газет, содержащих интересующие публикации, которые можно обновлять с помощью беспроводной передачи данных. Графен чрезвычайно прозрачен, и ожидается, что он станет компонентом интеллектуальных (и чрезвычайно прочных) окон в домах с (потенциально) виртуальными шторами или возможностью отображения контента.

Оптическая связь сформировала основу эпохи Интернета и, как ожидается, будет играть ключевую роль в развитии сетей 5G. Современные средства связи основаны на оптических каналах связи, которые передают информацию со скоростью света, а также на схемах, таких как фотодетекторы и модуляторы, которые способны кодировать огромное количество информации в этих световых лучах. Хотя кремний является предпочтительным материалом для фотонных волноводов на оптических чипах, фотодетекторы изготавливаются из других полупроводников, таких как GaAs, InP или GaN, поскольку кремний прозрачен на стандартных длинах волн для телекоммуникаций. Интеграция этих других полупроводников с кремнием сложна, усложняет процессы изготовления и увеличивает расходы. Кроме того, управление температурным режимом становится проблемой, поскольку фотонные устройства продолжают уменьшаться в размерах, потребляя больше энергии.

Графен является многообещающим материалом для телекоммуникационных фотодетекторов, поскольку он поглощает свет в широкой полосе пропускания, включая стандартные телекоммуникационные длины волн. Он также совместим с технологией CMOS, что означает, что он может быть технологически интегрирован с кремниевой фотоникой. Кроме того, графен является отличным проводником тепла, что обещает снижение потребления тепла фотонными устройствами на основе графена. По этим причинам использование графена для оптических коммуникаций стало предметом интенсивных исследований, которые в настоящее время приносят плоды в виде полноценных рабочих прототипов.

В 2016 году полоса пропускания графеновых фотодетекторов достигла 65 ГГц, используя pn-переходы графен/кремний с потенциальной скоростью передачи данных ~90 Гбит/с ^-1 . Уже в 2017 году графеновые фотодетекторы с полосой пропускания более 75 ГГц были изготовлены на технологической линии 6-дюймовых пластин. Эти рекордные устройства были продемонстрированы на Всемирном мобильном конгрессе в Барселоне в 2018 году, где посетители могли испытать первую в мире полностью графеновую оптическую линию связи, работающую со скоростью передачи данных 25 Гбит/с.0045 -1 на канал. В этой демонстрации все активные электрооптические операции выполнялись на графеновых устройствах. Модулятор графена обрабатывал данные на передающей стороне сети, кодируя поток электронных данных в оптический сигнал. На стороне приемника графеновый фотодетектор делал обратное, преобразовывая оптическую модуляцию в электронный сигнал. Устройства были изготовлены из графена Graphenea CVD и представлены в павильоне Graphene.

Графен, полученный с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD), станет краеугольным камнем будущих химических, биологических и других типов датчиков на основе графена. Двумерная природа материала обеспечивает внутренние преимущества для сенсорных приложений, поскольку весь объем материала действует как сенсорная поверхность. Кроме того, графен обеспечивает превосходную механическую прочность, тепло- и электропроводность, компактность и потенциально низкую стоимость, что необходимо для конкуренции на переполненном рынке датчиков.

Датчики газа/пара на основе графена привлекли большое внимание в последние годы из-за разнообразия их структур, уникальных характеристик обнаружения, условий работы при комнатной температуре и огромных перспектив применения. Помимо водяного пара, графен использовался для обнаружения таких газов, как NH ₃ , NO ₂ , H ₂ , CO, SO ₂ , H ₂ S, а также паров летучих органических соединений. , что привело к резкому увеличению числа научных публикаций по этой теме. Графен также использовался для обнаружения следов опиоидов в концентрациях до 10 пикограмм на миллилитр жидкости.

Это множество благоприятных свойств привело к широкому спектру исследований использования графена для биосенсоров. Особенно интересными конфигурациями являются графеновые полевые транзисторы (GFET) и улучшенный графеном поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Эти типы графеновых сенсоров использовались для обнаружения ДНК, белков, глюкозы и бактерий. С помощью GFET были изготовлены биосенсоры с пределом обнаружения 10 пг/мл для молекул опиоидов.

Графен также позволяет создавать новые гибкие датчики магнитного поля. Рынок датчиков магнитного поля является расширяющимся, и его размер, по оценкам, достигнет 4,16 млрд долларов США в 2022 году. Множество целей датчиков магнитного поля, таких как определение положения, мониторинг тока, определение скорости и определение угла, открывают доступ к широкому спектру таких отраслях, как автомобилестроение, бытовая электроника, здравоохранение и оборона. Наиболее распространенный тип магнитного датчика использует эффект Холла, создание разности потенциалов на электрическом проводнике при приложении магнитного поля.

Ключевым фактором, определяющим чувствительность датчиков Холла, является высокая подвижность электронов. Таким образом, графен является очень интересным материалом для этого приложения, с измеренной подвижностью носителей более 200 000 см ² В ^-1 с ^-1 . В графене, инкапсулированном в нитрид бора, были продемонстрированы графеновые датчики Холла с чувствительностью по току до 5700 В/АТ и чувствительностью по напряжению до 3 В/Вт. Такие характеристики превосходят современные кремниевые датчики и датчики Холла III/V с магнитным разрешением всего 50 нТл/√Гц. Текущий практический предел чувствительности графеновых устройств Холла на стандартных отраслевых пластинах составляет около ~ 3000 В / АТ. Для сравнения, современные датчики Холла из традиционных КМОП-совместимых материалов имеют чувствительность порядка ~100 В/АТ. Даже гибкие графеновые датчики Холла, изготовленные на каптоновой ленте, достигают чувствительности, аналогичной жестким кремниевым датчикам Холла.

Сочетая некоторые из этих вышеупомянутых потенциальных применений, можно представить перспективные приложения, такие как автомобильные системы безопасности, которые связаны с краской на транспортном средстве. может записывать эту информацию и отправлять ее на смартфон владельца в режиме реального времени. Такую «умную краску» также можно использовать для анализа дорожно-транспортных происшествий, чтобы определить начальные пятна контакта и последующее рассеивание энергии.

Вскоре на рынке появится одежда, содержащая фотоэлектрические элементы и суперконденсаторы с усиленным графеном, а это означает, что мы сможем заряжать наши мобильные телефоны и планшетные компьютеры за считанные минуты (возможно, даже секунды) по дороге в школу или на работу. Возможно, мы даже увидим ориентированную на безопасность одежду, обеспечивающую защиту от нежелательного контакта с использованием электрического разряда.

Изменивший правила игры

Таким образом, это открытие профессора физики и его аспиранта в лаборатории в Манчестере, где они использовали кусок графита и немного скотча, полностью изменило наше представление о потенциальных пределах наших способностей как ученых, инженеров и изобретателей. Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, были широко раскрыты, и теперь можно представить себе такие удивительные перспективные ситуации, как молниеносные, но сверхмаленькие компьютеры, плащи-невидимки, смартфоны, которые работают неделями. между зарядками и компьютерами, которые мы можем сложить и носить в карманах, куда бы мы ни пошли.

Свойства графена – Graphenea

Структура графена

Графен, по сути, представляет собой один атомный слой графита; распространенный минерал, представляющий собой аллотроп углерода, состоящий из очень прочно связанных атомов углерода, организованных в гексагональную решетку. Что делает графен таким особенным, так это его sp2-гибридизация и очень малая атомная толщина (0,345 нм). Именно эти свойства позволяют графену побить множество рекордов по прочности, электро- и теплопроводности (а также многим другим). Теперь давайте рассмотрим, что делает графен таким особенным, каковы его внутренние свойства, которые отличают его от других форм углерода и других двумерных кристаллических соединений?

Основные характеристики

До того, как в 2004 году был выделен однослойный графен, теоретически считалось, что двумерные соединения не могут существовать из-за термической нестабильности при разделении. Однако как только графен был выделен, стало ясно, что это действительно возможно, и ученым потребовалось некоторое время, чтобы выяснить, как именно. После того, как подвешенные графеновые листы были изучены с помощью просвечивающей электронной микроскопии, ученые пришли к выводу, что они обнаружили причину в небольшой волнистости графена, изменяющей структуру материала. Однако более поздние исследования показывают, что на самом деле это связано с тем, что углерод-углеродные связи в графене настолько малы и прочны, что они предотвращают дестабилизацию его тепловыми флуктуациями.

Электронные свойства

Одним из наиболее полезных свойств графена является то, что это полуметалл с нулевым перекрытием (с дырками и электронами в качестве носителей заряда) с очень высокой электропроводностью. Атомы углерода имеют всего 6 электронов; 2 во внутренней оболочке и 4 во внешней оболочке. 4 электрона внешней оболочки в отдельном атоме углерода доступны для химической связи, но в графене каждый атом соединен с 3 другими атомами углерода в двумерной плоскости, оставляя 1 электрон свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости. Эти высокоподвижные электроны называются пи (π) электронами и расположены над и под листом графена. Эти пи-орбитали перекрываются и помогают усилить углерод-углеродные связи в графене. По сути, электронные свойства графена определяются связывающими и разрыхляющими связями (валентная зона и зона проводимости) этих пи-орбиталей.

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

Испытания показали, что электронная подвижность графена очень высока, с ранее опубликованными результатами выше 15 000 см2·В-1·с-1 и теоретически потенциальными пределами 200 000 см2·В-1·с-1 (ограничено рассеянием акустических фотонов графена). Говорят, что графеновые электроны очень похожи на фотоны по своей подвижности из-за отсутствия массы. Эти носители заряда способны преодолевать субмикрометровые расстояния без рассеяния; явление, известное как баллистический транспорт. Однако ограничивающими факторами будут качество графена и используемой подложки. Например, с диоксидом кремния в качестве подложки подвижность потенциально ограничена до 40 000 см2·В-1·с-1.

«С точки зрения того, насколько далеко мы продвинулись в понимании истинных свойств графена, это только вершина айсберга. Прежде чем графен будет широко интегрирован в области, в которых, как мы полагаем, он преуспеет, нам нужно потратить много больше времени на понимание того, что делает его таким удивительным материалом»

Механическая прочность

Еще одним выдающимся свойством графена является присущая ему прочность. Из-за прочности углеродных связей длиной 0,142 Нм графен является самым прочным из когда-либо обнаруженных материалов с пределом прочности на растяжение 130 000 000 000 Па (или 130 гигапаскалей) по сравнению с 400 000 000 для конструкционной стали A36 или 375 700 000 для арамида (кевлар). . Графен не только необычайно прочен, но и очень легок — 0,77 миллиграмма на квадратный метр (для сравнения: 1 квадратный метр бумаги примерно в 1000 раз тяжелее). Часто говорят, что один лист графена (толщиной всего в 1 атом), достаточного размера, чтобы покрыть целое футбольное поле, будет весить менее 1 грамма.

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

Оптические свойства

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

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

Благодаря этим впечатляющим характеристикам было замечено, что как только оптическая интенсивность достигает определенного порога (известного как флюенс насыщения), происходит насыщающееся поглощение (свет очень высокой интенсивности вызывает уменьшение поглощения). Это важная характеристика в отношении синхронизации мод волоконных лазеров. Из-за свойств графена нечувствительного к длине волны сверхбыстрого насыщающегося поглощения, полнодиапазонная синхронизация мод была достигнута с использованием диссипативного солитонного волоконного лазера, легированного эрбием, способного настраивать длину волны до 30 нм.

С точки зрения того, насколько далеко мы продвинулись в понимании истинных свойств графена, это лишь верхушка айсберга. Прежде чем графен будет широко интегрирован в области, в которых, как мы полагаем, он преуспеет, нам нужно потратить гораздо больше времени на понимание того, что делает его таким удивительным материалом.