Структура графена. Графен: уникальная структура и свойства двумерного материала

Что представляет собой графен. Какова его кристаллическая решетка. Каковы основные физические и химические свойства графена. Как получают графен. Где применяется графен в современных технологиях.

Что такое графен и какова его структура

Графен представляет собой двумерный кристаллический аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов. Атомы углерода в графене образуют гексагональную решетку, напоминающую пчелиные соты. Толщина слоя графена составляет всего один атом углерода, что делает его самым тонким известным материалом.

Основные характеристики структуры графена:

• Двумерный кристалл толщиной в один атом углерода
• Гексагональная кристаллическая решетка
• Расстояние между соседними атомами углерода — 0,142 нм
• Каждый атом углерода связан ковалентными связями с тремя соседними атомами

Уникальные физические свойства графена

Благодаря своей уникальной структуре графен обладает рядом выдающихся физических свойств:

• Высочайшая механическая прочность (прочнее стали в 200 раз)
• Рекордная теплопроводность (выше, чем у алмаза)
• Очень высокая электропроводность
• Оптическая прозрачность (поглощает всего 2,3% света)
• Газонепроницаемость даже для гелия
• Высокая гибкость и эластичность

Как получают подвижность электронов в графене? Это связано с особенностями его зонной структуры. Электроны в графене ведут себя как безмассовые частицы, что обеспечивает их очень высокую подвижность — до 200 000 см²/(В·с) при комнатной температуре.

Методы получения графена

Существует несколько основных способов получения графена:

1. Механическое отшелушивание графита (метод «скотча»)
2. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
3. Термическое разложение карбида кремния
4. Восстановление оксида графена
5. Сонохимический метод

Какой метод позволяет получить наиболее качественный графен? Метод механического отшелушивания дает образцы наивысшего качества, но непригоден для масштабного производства. Наиболее перспективным для промышленного получения графена считается метод химического осаждения из газовой фазы.

Применение графена в современных технологиях

Уникальные свойства графена открывают широкие возможности его применения в различных областях:

• Электроника (транзисторы, прозрачные электроды)
• Композитные материалы (армирование полимеров)
• Накопители энергии (суперконденсаторы, аккумуляторы)
• Сенсорные устройства и датчики
• Мембранные технологии (очистка воды)
• Медицина (адресная доставка лекарств, биосенсоры)

Где уже сейчас используется графен в промышленных масштабах? Наиболее активно графен применяется в производстве композитных материалов, где даже небольшие добавки графена значительно улучшают механические и электрические свойства.

Проблемы и перспективы развития технологий графена

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

• Сложность получения качественного графена в промышленных масштабах
• Высокая стоимость производства
• Отсутствие эффективных методов создания запрещенной зоны в графене
• Проблемы с воспроизводимостью свойств

Как решаются эти проблемы? Ученые активно разрабатывают новые методы синтеза графена, ищут способы модификации его электронной структуры, создают гибридные материалы на основе графена. Это позволяет надеяться на преодоление существующих ограничений и более широкое внедрение графеновых технологий в ближайшем будущем.

Влияние графена на развитие нанотехнологий

Открытие графена стало настоящим прорывом в области нанотехнологий. Этот материал открыл целый класс двумерных кристаллов с уникальными свойствами. Как графен повлиял на развитие нанотехнологий?

• Стимулировал исследования других двумерных материалов
• Способствовал развитию методов изучения наноструктур
• Открыл новые возможности для создания гибких электронных устройств
• Позволил реализовать принципиально новые типы наносенсоров

Благодаря графену произошел качественный скачок в понимании физики низкоразмерных систем. Это создало фундамент для развития перспективных направлений наноэлектроники, спинтроники, оптоэлектроники.

Экологические аспекты применения графена

Графен часто рассматривается как экологически чистый материал будущего. С чем это связано?

• Графен состоит из углерода — одного из самых распространенных элементов
• Не токсичен и биосовместим
• Может способствовать созданию более эффективных и экологичных технологий
• Перспективен для очистки воды и воздуха

Однако существуют ли экологические риски, связанные с графеном? Пока недостаточно изучено влияние наночастиц графена на живые организмы при длительном воздействии. Необходимы дальнейшие исследования для оценки потенциальных рисков и разработки стандартов безопасности.

Графен в контексте квантовых технологий

Уникальные квантовые свойства графена делают его перспективным материалом для развития квантовых технологий. Как графен может применяться в этой области?

• Создание кубитов для квантовых компьютеров
• Разработка квантовых сенсоров сверхвысокой чувствительности
• Реализация устройств квантовой криптографии
• Изучение фундаментальных квантовых эффектов

Почему графен привлекателен для квантовых технологий? Электроны в графене обладают высокой квантовой когерентностью, что позволяет сохранять их квантовое состояние в течение длительного времени. Это критически важно для создания квантовых устройств.

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

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

москва

российская академия наук

курчатовский институт

открытия — риа наука

российский научный фонд

химия

физика

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

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

https://cdnn21.img.ria.ru/images/104563/49/1045634943_112:0:1890:1000_1920x0_80_0_0_d69e91d2329313a2b664b017b08bc9d5.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

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

2019

РИА Новости

1

5

4.7

96

[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

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/104563/49/1045634943_334:0:1667:1000_1920x0_80_0_0_ababef8703f2aefff81589a643e9ca1e. jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

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

Наука, Москва, Российская академия наук, Курчатовский институт, Открытия — РИА Наука, Российский научный фонд, Химия, Физика

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, 14:42Наука

Ученые 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».

Определение характеристик графена приборами Anton Paar

Ключевые слова: графен, оксид графена, производство батарей, энергетика, нанотехнология

Графен и связанные с ним материалы совершили революцию во множестве областей материалове-дения и технологий. Массовый технологический успех этих материалов связан с их уникальными структурными и химическими свойствами. В данной работе исследуется структура графена и его клю-чевые фундаментальные свойства, в частности, площадь поверхности, размеры пор, плотность.

1 Введение

Графен обладает, вероятно, самым большим отношением площади поверхности к объему среди ин-новационных двумерных кристаллических слоистых материалов. Будучи распределенными в виде слоя толщиной в атом, состоящий из связанных в гексагональные кольца атомов углерода, (рисунок 1), все атомы в листе графена находятся на поверхности. Это придает графену широкий набор уникальных физических, химических и электронных свойств поверхности, и благодаря этим свойствам продолжают открываться возможности для новых применений в нанотехнологиях и энергетике.

Рисунок 1: Изображение связанного с графеном материала, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и иллюстрирующее листы графена с искривленными поверхностями и с расположенными в плоскости атомами, распределенными в виде колец из 5–8 членов (из [1])

2 Площадь поверхности

Площадь поверхности влияет на все применения графена и связанных с графеном материалов (в частности, оксида графена, композитов из оксидов графена и металлов, легированного гетероатомами графена, наноструктурных катализаторов). Именно открытая поверхность этих материалов в значительной степени взаимодействует с газами, жидкостями, твердыми веществами, электронами, ионами, фотонами и фононами. Поэтому оценка площади поверхности графеновых материалов – критически важный шаг в понимании и оптимизации их характеристик.

Для оценки площади поверхности материалов рекомендуется метод Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ). В этом методе вычисляется БЭТ-площадь поверхности графена на основе изотерм сорбции азота или аргона, полученных, соответственно, при 77 или 87 К на соответствующем оборудовании [2]. Криогенные условия способствуют формированию эквивалентного монослоя адсорбированных молекул газа на открытой поверхности графена. Метод БЭТ позволяет количественно описывать поверхности, недоступные для других средств, поэтому ИЮПАК рекомендует этот метод для оценки площади поверхности [2].

Листы графена, если они полностью открыты и достаточно большого размера, имеют теоретиче-скую площадь поверхности 2629 м²/г. Площади поверхностей такого порядка действитель-но были обнаружены, например, после активации расслоенного оксида графена [1]. Однако листы гра-фена имеют тенденцию располагаться друг на друге из-за слабых, но широкомасштабных взаимодей-ствий Ван дер Ваальса между поверхностями этих листов. Укладка слоев графена друг на друга приво-дит к уменьшению их доступной площади пропорционально степени их укладки.

3 Размер пор

Поры в графене или в материалах, связанных с графеном, могут включать отверстия в листах, при-чем размеры этих отверстий можно регулировать такими способами, как, например, селективное удале-ние колец и пассивация азота. Поры могут также включать интервалы между листами, причем общие размеры пор и распределение их размеров определяются степенью укладки, смятием и подпирающим действием добавок. Репрезентативный пример распределения размеров пор для материала на основе оксида графена показан на рисунке 2. В данном конкретном случае химическая активация расслоенного материала на основе оксида графена позволила получить производный от графена продукт с чрезвычайно большой БЭТ-площадью поверхности и широким, примерно бимодальным распределением размеров микро- и мезопор [1]. Следует отметить, что свободный доступ в ультрамикропоры размером менее примерно 0,7 нм был достигнут с использованием адсорбции CO₂ при 273 К, а полное распределение размеров микро- и мезопор для данного образца удалось получить только путем комбинирования распределения размеров пор, полученного с использованием адсорбции CO₂ (273 К), с аналогичным распределением, полученным на основе изотермы адсорбции N₂ (77 К), так как данный материал содержит поры меньшего размера, чем достижимо с использованием только N₂.

Распределения размеров пор были рассчитаны с использованием методов теории функционала плотности (ТФП), в частности, теории нелокального функционала плотности (ТНФП) и теории функционала плотности закаленного твердого тела (ТФПЗТ, принимающая во внимание поверхностную неоднородность большинства образцов на основе углерода). Это наиболее точные и рекомендуемые методы расчета распределения размеров пор [2]. Продемонстрировано, что эти особенности размеров пор коррелируют с характеристиками материалов на основе графена для значительного (и растущего) множества областей применения. Например, показано, что иерархические микро-мезопористые структуры позволяют удерживать большую площадь поверхности и высокую реакционную способность в меньших микропорах. В более крупных мезопорах более быстрая диффузия и перенос частиц через материал могут достигать реакционноспособных центров более эффективно. Технология газовой сорбции идеально подходит для определения характеристик – по отдельности или в комбинации – микро-мезопористого графена и материалов на основе графена.

Рисунок 2: Распределение размеров пор образца активированного графита, получен-ное методом ТФПЗТ с использованием CO₂ (273 К) и N₂ (77 К). Изотер-мы показаны на врезке [1].

4 Плотность

Газовая пикнометрия обеспечивает быстрый, чистый и неразрушающий способ оценки плотности углеродных материалов в целом. Прецизионность и точность современных газовых пикнометров достаточна для оценки различий в химических и физических характеристиках материалов, связанных с графеном.

Плотность листов графена может возрастать с ростом упорядоченности и точности укладки. Точно уложенные и выровненные листы графена обладают плотностью, близкой к плотности кристаллического графита (2,267 г/см³). Однако гетероатомы, неточности укладки и дефекты приводят к снижению плотности до величины, которая зависит от характера и содержания гетероатомов, а также от характеристик пор. В некоторых случаях поры, образовавшиеся в ходе укладки или агломерации, могут оставаться закрытыми для внешних газов. В частности, закрытая пористость приводит к существенному снижению измеренных плотностей, но может быть раскрыта, например, воздействием процессов высокоэнергетического размола на частицы объемного графена. Соответственно, нередки случаи, когда полученные плотности связанных с графеном материалов (в форме порошков и пленок) составляют от 1,6 до 2,1 г/см³.

5 Реакционная способность

Хотя поверхности идеальных двумерных графеновых кристаллов однородны, реальные графеновые материалы часто оказываются энергетически, химически и физически неоднородными. Участки поверхности, которые могут обладать более высокой реакционной способностью в отношении адсорбции, обмена ионов или электронов, механических деформаций, включают края листов графена, дефекты Стоуна-Уэльса, гетероатомы, функциональные группы, примеси, металлические катализаторы. Для оценки количества и качества участков повышенной реакционной способности на графенах и связанных с графеном материалах могут применяться методы как хемосорбции, так и программирования температуры (температурно-запрограммированные реакции – TPX) в виде автоматизированных методов, легко реализуемых с использованием современного хемосорбционного оборудования.

6 Выводы

Графен и связанные с ним материалы в настоящее время находятся «на переднем крае» исследова-ний и технологий материаловедения. Точная оценка их структурных характеристик – важный шаг в направлении оптимизации их эффективности. К числу конкретных свойств, влияющих буквально на все области применения графеновых материалов, относятся их удельная площадь поверхности, распределение размеров пор, плотность и удельная реакционная способность. Площади поверхности графена могут изменяться на порядки в зависимости от степени их укладки, смятия, подпирания, содержания гетероатомов и дефектов. Отверстия, микро- и мезопоры могут присутствовать как внутри слоев графеновых материалов, так и между ними. Плотности объемных графенов, измеренные методом газовой пикнометрии, имеют тенденцию оказываться ниже плотностей кристаллов, в частности, из-за закрытых или недоступных пор, присутствующих в этих материалах. Реакционная способность графена связана с характером и концентрацией активных участков, что может быть выражено в количественной форме с использованием методов хемосорбции и программирования температур. Вышеописанные методы, реализуемые с использованием измерительных приборов компании «Anton Paar», представляют собой эффективные и высокоточные средства, позволяющие пользователям расширять границы исследований графеновых материалов.

7 Список использованных источников

1. Y. Zhu, S. Murali, M.D. Stoller, K.J. Ganesh, W. Cai, P.J. Ferreira, A. Pirkle, R.M. Wallace, K.A. Cy-chosz, M. Thommes, D. Su, E.A. Stach and R.S. Ruoff, Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene, Science 332 (2011) 1537.

2. M. Thommes, K. Kaneko, A.V. Neimark, J.P. Olivier, F. Rodriguez-Reinoso, J. Rouquerol and K.S.W. Sing, Physisorption of Gases, with Special Reference to the Evaluation of Surface Area and Pore Size Distribu-tion, IUPAC Report, Pure Appl. Chem. 87 (2015) 1051.

Графен: структура и форма | Graphene-Info

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода. Он состоит из атомов углерода, расположенных в форме шестиугольника, который, можно сказать, напоминает проволочную сетку.

Один слой атомов углерода, расположенных в такой сотовой структуре, образует единый лист графена. Несколько листов, уложенных друг на друга, считаются многослойным графеном, вплоть до того момента, когда материал становится графитом (обычно более 30 слоев, хотя на данный момент четкая стандартизация отсутствует). Графит, трехмерный кристалл, состоящий из слабо связанных слоев графена, является относительно распространенным материалом, который используется в наконечниках карандашей, батареях и многом другом.

В графене каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими атомами углерода. Благодаря прочности ковалентных связей между атомами углерода графен может похвастаться большой стабильностью и очень высокой прочностью на растяжение (сила, с которой вы можете что-то растянуть, прежде чем оно сломается). Поскольку графен плоский, каждый атом находится на поверхности и доступен с обеих сторон, поэтому взаимодействие с окружающими молекулами больше. Кроме того, атомы углерода связаны только с тремя другими атомами, хотя они могут связываться с четвертым атомом. Эта способность в сочетании с вышеупомянутой прочностью на растяжение и высоким отношением площади поверхности к объему графена может сделать его привлекательным для использования в композитных материалах. Графен также обладает подвижностью электронов, которая выше, чем у любого известного материала, и исследователи разрабатывают методы использования этого свойства в электронике.

С помощью графена когда-нибудь можно будет делать транзисторы и другие электронные устройства, которые намного тоньше, чем устройства, сделанные из традиционных материалов, и это только один пример потенциала графена в области электроники. Поскольку графен электропроводен, прозрачен, прочен и гибок, он также может быть привлекательным материалом для использования в сенсорных экранах. Графен также обладает очень высокой теплопроводностью, поэтому его можно использовать для отвода тепла от электронных схем.

Графен как основа других углеродных структур

Графен может быть исходной формой для многих углеродных структур, таких как вышеупомянутый графит, углеродные нанотрубки (которые можно рассматривать как свернутые листы графена, сформированные в трубки) и бакиболы (сферические структуры с клеткообразной структурой, сделанные из графена только с заменой некоторых шестиугольных колец пятиугольными кольцами).

Графен — один из первых и самых известных примеров двумерного кристалла. Двумерные материалы и системы принципиально отличаются от трехмерных по многим параметрам. Графен можно использовать в качестве модельной системы для изучения двумерной физики и химии в целом, и поэтому он вызывает большой академический интерес с момента его выделения в 2004 году. Также считается, что он обладает огромным потенциалом для множества приложений, таких как следующие: gen аккумуляторы, датчики, солнечные элементы и многое другое — благодаря широкому спектру свойств, некоторые из которых уже упоминались в этой статье, например, превосходная электрическая и теплопроводность, механическая прочность, уникальные оптические свойства и многое другое.

графен — что это такое?

Понимание графена

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 по распространенности элементом в человеческом теле и четвертым по распространенности 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, и теперь качество графена не является проблемой для внедрения технологии, которая 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, 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 нового 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 канала 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.0065 -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 постоянно расширяется, 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 рассеяние 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, сделанное профессором физики и его аспирантом 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.