Свойства графена: Уникальные свойства графена. Электропроводность, теплопроводность, прочность.

материал будущего, история открытия, физические и химические свойства, возможности применения, проблемы и прогнозы массового использования

Так выглядит структура графена – всего лишь один слой атомов углерода

Разные периоды человеческой истории тесно связаны с теми или иными материалами. За каменным веком наступила эпоха бронзы, которую потом вытеснило железо. Последние десятилетия стали «звездным часом» кремния, который подарил нам цифровую революцию и интернет. Мы стремительно входим в следующий технологический уклад и судорожно ищем новый материал, достойный служить его символом. Возможно, что им станет углерод, вернее, одна из его разновидностей – графен.

В последние годы этот материал постоянно на слуху. Графен называют – ни много, ни мало – самым важным открытием XXI века и не жалеют в его описаниях превосходных степеней. Адепты технического прогресса обещают нам новый дивный «графеновый» мир, в котором мы окажемся буквально завтра. В нем железо не будет ржаветь, люди смогут делать топливо из воздуха и пить воду прямо из океана. Ну и по мелочи: мы получим новое поколение электроники, сверхпрочную броню, колоссальной емкости аккумуляторы и прочая, и прочая, и прочая. Скептики, слушая восторженные спичи такого рода, лишь привычно и гадко ухмыляются. Действительно, «графеновую революцию» нам обещают уже лет пятнадцать лет, а пока нет даже приемлемого способа получения материала.

Так что же такое графен: реальный прорыв или очередной научно-технический фейл? Почему его открытие вызвало такую истерию, и какие «пряники» сулит нам использование этого материала? И почему оно до сих пор не началось?

Содержание

Химические и физические свойства

По химическому составу графен ничем не отличается от алмаза или графита – он состоит из тех же атомов углерода, вся «фишка» в их особом пространственном расположении. Именно оно приводит к колоссальному различию физических свойств. В традиционных материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому окружающие нас предметы имеют высоту, длину и ширину. Графен – это аллотропная модификация углерода, в которой атомы образуют двумерную гексагональную кристаллическую решетку толщиной всего лишь один атом. По сути, это просто единственный слой, «вытащенный» из объемного кристалла вещества – третьего измерения у него нет.

Графен – самый прочный из известных нам материалов

Графен – первый двумерный материал, полученный учеными. Благодаря такой уникальной атомарной структуре он может «похвастать» целым рядом удивительных свойств:

• огромной теплопроводностью;
• просто запредельной механической прочностью;
• гибкостью;
• высокой электропроводностью;
• непроницаемостью для большинства жидкостей и газов;
• прозрачностью.

Но самое поразительное другое: при своей атомарной тонкости графен абсолютно стабилен, он не распадается, хотя многие ученые не верили в это. Еще в 30-е годы выдающиеся физики Рудольф Пайерлс и Лев Ландау утверждали, что двумерные материалы будут неустойчивы и быстро разрушатся под действием внешних факторов. Оказалось, что атомы удерживаются вместе благодаря особым вибрациям.

Изучение этого чудо-материала продолжается, и он не устает удивлять исследователей. Так, например, недавно выяснилось, что двухслойный графен в определенном положении ведет себя как сверхпроводник, хотя раньше этого и не предполагали.

Открытие графена настолько воодушевило ученых, что буквально в течение десяти лет были получены еще три двумерных материала со схожими свойствами: силицен – на основе кремния, фосфорен – фосфора и германен – германия.

Как был открыт «материал столетия»?

Гипотеза о существовании двумерной формы углерода была выдвинута еще в XIX веке, но подтвердить ее фактически долгое время не получалось. В 1859 году Бенджамин Броуди впервые синтезировал оксид графена, но только в 1948 году с помощью электронного микроскопа удалось доказать чрезвычайно малую толщину этого материала. Позже ученые обнаружили, что среди кристаллов оксида графена попадаются частицы толщиной в один атом. В 70-е годы монослойный углерод пытались выращивать на различных металлических подложках.

«Крестным отцом» этого материала стал Ханс-Питер Бём, который в 1986 году предложил называть однослойный углерод графеном. В конце 90-х Йошико Охаши изучал электрические свойства тонких графитовых пленок толщиной в несколько десятков атомарных слоев.

Первооткрыватели графена – Гейм и Новоселов. В 2010 году за эту работу они получили Нобелевскую премию

Впервые получить графен удалось двум британским ученым российского происхождения – Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для этого они использовали самые подручные материалы – кусок графита, обычный скотч ну и, конечно же, знаменитую русскую смекалку. Ученые наносили на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали, каждый раз разделяя вещество пополам. Когда пятно становилось совсем прозрачным, полученный графен переносился на подложку. Позже этот способ назвали «методом отшелушивания».

В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию и весьма обидную кличку от журналистов – «мусорные физики». Ученые всего мира наконец-то смогли исследовать графен, ибо липкой ленты хватало в любой лаборатории. Это стало настоящим прорывом: по словам людей, которые занимаются данным вопросом, за последние годы мы узнали о двумерных материалах куда больше, чем за все предыдущее столетие. В сети вы легко найдете подробное описание метода Гейма и Новоселова и при желании сможете повторить его в домашних условиях.

Новая эра в электронике?

Графен – уникальный по своей электропроводности материал: его сопротивление на 35% меньше, чем у меди, а по подвижности носителей заряда он превосходит и кремний, и антимонид индия.

Существующие сегодня чипы памяти и микропроцессоры уже преодолевают технологические границы в 10 нанометров. Процесс дальнейшей миниатюризации представляет значительные сложности. Все громче раздаются голоса, что мы практически достигли пределов кремниевых чипов. Сегодня разработчики топчутся на тактовой частоте около 4 ГГц, не в силах обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия.

На основе графена можно делать гибкие экраны электронных устройств. Скорее всего, это станет первой областью применения этого материала

Кремний всем хорош для микроэлектроники, но есть у него и существенный недостаток – низкая теплопроводность. С увеличением плотности элементов и ростом тактовой частоты это становится серьезным барьером для дальнейшего развития отрасли.

Правда, для изготовления полевого транзистора из графена нужно как-то создать в нем запрещенную зону, чтобы задавать два состояния, пригодных для двоичной логики: непроводящее и проводящее. Однако уже сегодня предложены несколько способов решения данной проблемы, и это позволяет надеятся на скорое появление подобных транзисторов. Инженеры полагают, что быстродействие графеновых микропроцессоров может быть на порядок выше существующих – на основе этого материала уже построены транзисторы, модуляторы, микросхемы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Помимо высокой электропроводности, графен отличается практически полной прозрачностью. Он поглощает всего лишь 2% света, причем в самом широком оптическом диапазоне. Список материалов, одновременно обладающих этими качествами, очень ограничен, и графен лучше их всех. Поэтому это идеальный материал для жидкокристаллических дисплеев. Кроме того, он отличается высокой механической прочностью, так что скоро вы сможете забыть о разбитых экранах смартфонов и ноутбуков. Мы уже можем получать материал подходящего качества, и сейчас вопрос стоит только в снижении его себестоимости.

Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. Поэтому уже в ближайшем будущем нас точно ожидает эра гибкой электроники. Подобные девайсы уже не раз демонстрировались на выставках, но до коммерческого использования дело пока не дошло. Весьма активен в этом направлении корейский гигант Samsung.

Еще одной ожидаемой областью применения графена является производство различных измерительных устройств, датчиков, сенсорных систем. Например, газовые датчики из этого материала могут реагировать буквально на единичные акты адсорбции/реабсорбции молекул — то есть работать на пределе чувствительности для таких устройств. Еще в 2015 году специалисты из Американского химического общества (ACS) на основе графена разработали прототип тепловизора с высокочувствительной матрицей, не требующей охлаждения. В будущем это позволит создавать качественные и, главное, недорогие тепловизионные приборы и обычные телекамеры, способные вести съемку в полной темноте.

Графен – один из главных претендентов на смену кремния в микропроцессорах

Кто из нас не мечтал о новом смартфоне или ноутбуке с батареей, запаса которой хватало хотя бы на несколько дней? Очень может быть, что уже в ближайшем будущем это станет реальностью. Графен имеют максимальное отношение поверхности к объему, благодаря чему прекрасно подходит для аккумуляторов и суперконденсаторов.

Разработки в этом направлении ведутся самым активным образом. Несколько лет назад испанские инженеры сообщили о создании графенового аккумулятора для электромобилей, который может заряжаться всего за восемь минут, на 77% дешевле литиевых аналогов и в два раза легче их по весу. Разработчики утверждают, что заряда достаточно для 1000 километров пробега.

В 2017 году Институт передовых технологий Samsung (SAIT) заявил о создании революционной батареи на основе «графеновых шариков». Она, якобы, в несколько раз превосходит существующие аналоги по скорости зарядки и имеет на 45% большую емкость.

Тверже алмаза и легче перышка

Графен – самый прочный из известных нам материалов. По этому параметру он в двести раз превосходит сталь. Лист графена толщиной в один атом, выдержит давление острия карандаша, на другой стороне которого балансирует слон. А ученые из Georgia Tech пришли к выводу, что двухслойной пленке из этого материала не страшна даже пуля.

Понятно, что мимо таких способностей не могли пройти компании, занимающиеся военными разработками и защитным снаряжением. Уже появилось множество проектов графеновой брони, скафандров и легких бронежилетов. Правда, пока не совсем понятно, как из идеального двумерного материала сделать трехмерный, сохранив при этом его уникальные свойства.

На основе этого материал уже пробуют создать суперпрочные пластмассы и резину. Однако эти разработки пока находятся на начальном этапе.

Графен и проблема дефицита воды

Население планеты неуклонно растет, а количество водных ресурсов, наоборот, стремительно сокращается. Сегодня проблема нехватки питьевой воды не менее актуальна, чем проблема голода. И это при том, что ею покрыта большая часть поверхности земного шара. При чем тут графен, спросите вы?

Дело в том, что этот материал практически непрозрачен для большинства химических веществ, но воду он пропускает. Грубо говоря, фильтр с графеновой мембраной будет задерживать морскую соль, опресняя тем самым воду. Правда, неизвестно, насколько долговечным будет подобное устройство, ведь хлориды – очень агрессивные вещества. Ученым придется решить еще множество проблем на этом пути, но работы не прекращаются, ибо слишком уж заманчивы перспективы.

На основе графена можно делать уникальные фильтры, которые будут способны не только очищать воду, но и опреснять ее

Точно так же можно очищать воду от любых токсинов, ядов и радиоактивных загрязнений. С помощью графена предлагают даже фильтровать ядерные отходы.

На страже здоровья или перспективы в медицине

Графен поможет человечеству победить рак. Он способен находить клетки опухоли в организме. Это удивительное свойство обнаружили ученые из Университета штата Иллинойс. Феномен связан с разницей электрических потенциалов здоровых и раковых клеток, которую легко определяют частицы материала.

Однако графен способен не только находить опухоли, но и эффективно уничтожать их. Биологи из Университета Манчестера выяснили, что частицы оксида графена могут поражать стволовые раковые клетки, никак не влияя на здоровые.

Уверенно можно сказать, что одной из главных сфер применения графена станут различные биодатчики, кардиостимуляторы, протезы, элементы нейроинтерфейса. Например, на основе этого материала уже разработаны специальные полупрозрачные татуировки, способные показывать температуру тела и состояние кожи. Медики надеются, что в будущем подобные рисунки смогут измерять активность сердца, мозга, снимать другие важные показатели.

Возможно, что графен поможет залечивать переломы костей. Ученые из Университета Карнеги-Меллона создали на его основе биоразлагаемый материал, который привлекает стволовые клетки к месту перелома. Это значительно ускоряет процесс восстановления. Пока этот метод опробован только на мышах, так что до практического использования еще далеко.

Уникальные динамики, краска будущего и презервативы

Миллиардер и филантроп Билл Гейтс вложил круглую сумму в разработку презервативов из графена

Возможности применения графена фантастически широки – кажется, что он пригодится человечеству буквально везде. Достаточно добавить его и любой материал станет прочнее, долговечнее, устойчивее. Мария Шарапова играет ракеткой, выполненной из графена, строители хотят домешивать его в бетон, Билл Гейтс прилично вложился в создание сверхпрочных графеновых презервативов. Автопроизводители хотят делать из него кузова машин, а авиастроители – детали ракет и самолетов. Вот еще несколько примеров возможного использования материала:

• Сейчас немецкие исследователи работают над специальной краской на основе графена, которая будет сигнализировать о возможных дефектах изменением цвета. Пока этот проект находится в начальной стадии, о его коммерческом использовании говорить рано;
• Китайские ученые из Северо-Западного университета разработали покрытие на основе графена, которое защищает металлы от ржавчины. Причем, этот состав способен самовосстанавливаться после небольших повреждений;
• В конце 2017 года исследователи из частного университета Райса представили общественности кроссовки с добавлением графена. Материал был использован при изготовлении подошвенной резины. Разработчики утверждали, что их обувь отличается повышенной износостойкостью и невероятно прочна. Кроме того, кроссовки поразили присутствующих своей эластичностью: их можно было легко гнуть, крутить и складывать;
• На основе графена планируют создать новое поколение акустических систем.
  Современные динамики работают за счет генерации механических вибраций. Британские ученые показали, что графен способен издавать сложные и управляемые звуковые колебания при нагревании и охлаждении. Таким образом можно изготовить колонки, которые вообще не содержат движущихся деталей, при этом заметно уменьшив их размеры. В идеале такой динамик будет частью графенового экрана вашего телефона или другого устройства. Опытный образец имеет размер меньше ногтя, причем в него еще встроен эквалайзер.

Долгий путь между пробиркой и прилавком

Открытие графена нередко сравнивают с изобретением колеса, паровой машины, бумаги или транзистора. О росте интереса к графеновой теме можно судить по увеличению количества заявок на патенты: в 2010 году их было около 6 тыс. штук, а в 2016 – это число увеличилось до 50 тыс.

Больше всего заявок подали китайские компании и научные центры. В Поднебесной все, что связано с графеном пользуется огромной государственной поддержкой. Китай особо и не скрывает, что планирует забрать себе до 80% графенового рынка. Аналогичные программы поддержки отрасли существуют и в других странах. Почему же до сих не видно массовых графеновых технологий, несмотря на очень серьезные финансовые вливания в эту отрасль? Тому есть серьезные причины.

В настоящее время используется несколько способов получения графена, которые, в принципе, уже обеспечивают промышленные объемы этого вещества. Довольно серьезной проблемой является качество полученных образцов, а именно от него во многом зависят свойства и функционал материала. И если для красок или композитов вполне сгодится дешевый хлопьевидный графен, полученный химическим путем, то для высокочастотной электроники необходимо качественное сырье с минимумом дефектов и примесей.

К сожалению, пока не существует установленных стандартов качества графена, из-за чего страдает отрасль в целом. Недавно было проведено исследование продукции 60 компаний, которые, якобы, предлагали графен. Однако вместо него в образцах был обнаружен дешевый графит, к тому же содержащий еще и примеси других веществ.

В последние годы графен стремительно дешевеет

В принципе, нынешнее положение дел очень напоминает ситуацию на заре компьютерной эры, когда были огромные трудности с получением чистого кремния. Однако они уже давно решены.

Себестоимость графена неуклонно падает. Сегодня пластинка материала площадью 1 кв. см стоит меньше одного евро. Эксперт утверждают, что к 2022 году его цена упадет еще на порядок. Однако проблемы все еще остаются. Наибольшую трудность представляет процесс переноса графеновой пластины на ту или иную подложку – а это едва ли не основное требование для начала массового промышленного производства. Вероятно, что сначала мы получим графеновые экраны, затем дело дойдет до электронных устройств и различных детекторов. Другие, более экзотичные варианты применения материала, скорее всего, – дело ближайших десятилетий.

Внутри любого современного мобильного телефона «содержится» более двадцати Нобелевских премий, часть из которых была присуждена еще в середине 60-х годов. То есть, от идеи до ее воплощения прошло более пятидесяти лет. Графену не исполнилось еще и пятнадцати, а на рынке уже есть товары, содержащие этот материал. Так что графен не опаздывает, он, наоборот, опережает время.

«Закалка» лазерным излучением улучшила свойства графена

Российские ученые выяснили, почему при высоких температурах оксид графена не сгорает, а становится основой для перспективной и недорогой методики получения графена

Один из самых востребованных в современных, прежде всего в компьютерных, технологиях материал графен, представляет собой двумерную модификацию углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Российские ученые открыли новый способ его получения, опубликовав результаты своего исследования в журнале Carbon.

Хотя с момента вручения Нобелевской премии за эксперименты по исследованию графена прошло уже более десяти лет, пока не разработано эффективной и недорогой методики получения качественного графена большой площади, которую можно было бы перенести на получение промышленных объемов. Одной из перспективных идей в этом направлении является применение лазерного излучения для восстановления графена из оксида графена. Сам оксид графена при этом получается химическим путем из обычного графита. Лазерная методика восстановления привлекательна своей дешевизной и возможностью контролируемо варьировать качество получаемого материала.

а — обозначенные красным атомы углерода на границах графеновых листов «сгорают» под воздействием лазерных импульсов. b — в центральных областях графеновых листов происходит отжиг: графен выстраивается в правильную устойчивую структуру

Несколько лет назад группа ученых из Сколтеха обнаружила, что графен достаточно высокого качества можно получить в ходе импульсного лазерного нагрева оксида до 3300–3800 К даже в обычной воздушной атмосфере.

«Такой результат коллег был очень неожиданным: удивительно, что при таких высоких температурах у них получалось что-то хорошо структурированное, ведь углеродные материалы активно горят в присутствии атмосферного кислорода уже начиная с температур 600–800 К. А в эксперименте при существенно бо́льших температурах графен, напротив, приобретал хорошие структурные свойства, — рассказывает Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — Чтобы разобраться в природе этого неожиданного эффекта, мы решили воспользоваться методами суперкомпьютерного атомистического моделирования* и изучить процесс восстановления оксида графена при высоких температурах, проведя дополнительное экспериментальное исследование по схеме коллег».

В ходе расчетов ученые обнаружили, что, с одной стороны, при высоких температурах (>3000 К) атомы кислорода из газового окружения действительно активно взаимодействуют с графеном, окисляя и разрушая его. С другой, при этих же температурах начинается быстрый отжиг кристаллической решетки — устранение дефектов путем аккуратного нагрева и последующего охлаждения материала. За счет отжига решетка, наоборот, упорядочивает свою структуру.

«Получается, что при воздействии лазерных импульсов в масштабах одного материала сосуществуют два противоположных процесса. Но они разнесены пространственно: горение — разрушение — происходит на дефектах и границах графеновых листов — там, где атомы углерода наиболее химически активны. Отжиг же наблюдается преимущественно в центральных областях, в которых атомам выгодно вернуться в устойчивую конфигурацию», — комментирует Станислав Евлашин, ведущий научный сотрудник Центра технологии материалов Сколтеха.

Полученные результаты проливают свет на поведение оксида графена при экстремальных температурах — в области, где проведение прямого экспериментального анализа практически не представляется возможным. Понимание процессов, описанных в работе, может помочь в дальнейшем развитии и оптимизации методов получения высококачественного графена с большой площадью монокристаллов.

*Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров, — так называемых суперкомпьютеров.

Материалы по теме:

Вести инновации: «Сколково» привлекут к модернизации спецмашин для разгона протестов

Глава «Сколково» признал, что Россия сильно отстает в стартапах

Российские физики создали условия рождения материи внутри графена

НаукаТехнологииУченыеСколковографен

Нашли опечатку в тексте? Выделите её и нажмите ctrl+enter

Графен: свойства, производство и применение

Графен представляет собой материал, состоящий из двумерного массива атомов углерода. Атомы расположены в гексагональной решетке, напоминающей сотовую структуру. Графен можно рассматривать как бесконечно большую ароматическую молекулу и единый слой структуры углеродного графита.

^{Гексагональная структура графена. Автор Yikrazuul (Обсуждение) [общественное достояние], через Викисклад.}

Открытие и синтез

Существование графена было предсказано еще в 1940-х годах, однако только в 2004 году были впервые синтезированы однослойные листы графена. Этого добились Андрей Гейм и Константин Новоселов, которые в 2010 году получили за свое открытие Нобелевскую премию по физике. Их метод синтеза, названный «методом скотча», был удивительно прост. Монослои графена можно было изолировать простым механическим расслоением графита: отрывом одного слоя от основной массы с помощью клейкой ленты.

Тем временем были разработаны другие методы производства графена. К ним относятся обработка ультразвуком и центрифугирование графита в жидкости для создания дисперсии графена, синтез из сахара, называемый «метод Танг-Лау», восстановление карбида кремния и эпитаксиальный рост с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Графен стал широко исследуемым материалом не только из-за открытия методов синтеза, но и из-за его впечатляющих свойств. Научный интерес к этому материалу значительно вырос с момента его первого выделения в 2004 году и продолжает расти.

^{Количество опубликованных за год научных статей, содержащих ключевое слово графен. Данные были собраны с сайта www.sciencedirect.com 2 ноября 2018 г.}

С графеном обычно обращаются либо в виде дисперсии, либо на подложке, либо в виде порошка оксида графена. Независимо от формы поставки сам материал обладает многими выдающимися свойствами, включая электронные, оптические, термические и механические свойства. Многие необычные свойства графена связаны с тем, что его толщина составляет всего один атомный слой.

Механические свойства

Графен — чрезвычайно легкий материал с плоскостной плотностью 0,77 мг/м ² . Он также имеет самую прочную и твердую кристаллическую структуру из всех известных материалов. Он имеет предел прочности при растяжении 125 ГПа и модуль упругости 1,1 ТПа по сравнению с модулем упругости 200 ГПа для наиболее распространенной стали. Прочность на разрыв 42 Н/м; таким образом, механическая прочность графена в 100 раз выше, чем у стали.

Оптические свойства

Графен очень прозрачен для видимого света с прозрачностью 97,7 %. Это используется при определении количества слоев графена, поскольку каждый слой поглощает 2,3 % света.

Электрические свойства

Графен обладает очень высокой подвижностью электронов (2 × 105 см ² /Вс), что делает его наиболее высокопроводящим материалом при комнатной температуре, с проводимостью 10 ⁶ См/м и листом сопротивление 31 Ом/кв.

Графен имеет небольшое перекрытие между валентной зоной и зоной проводимости. Из-за этого он классифицируется как полуметалл и полупроводник с нулевой запрещенной зоной. Наличие определенной концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне даже при абсолютном нуле температуры (принимая во внимание его бесщелевое электронное строение, означающее, что электроны могут пролетать через зону проводимости) является причиной того, что графен классифицируется как полуметаллический материал и является источником его высокой электропроводности.

Один слой графена имеет в 10 000 раз более высокую электропроводность, чем несколько слоев графена.

Термические свойства

Теплопроводность графена составляет 5300 Вт/мК, что в десять раз превышает теплопроводность меди. Однако при поддержке аморфного материала его теплопроводность падает примерно до 500–600 Вт / мК.

Настройка свойств посредством функционализации

Свойства графена могут быть изменены посредством функционализации поверхности. Это включает добавление кислорода или других химических функциональных групп к монослою. Функционализация графена позволяет настраивать свойства, включая электропроводность, теплопроводность и способность монослоев обрабатываться в растворе и предотвращать агломерацию. Многие приложения графена требуют его функционализации. Одним из наиболее распространенных химически модифицированных типов графена является оксид графена.

Свойства графеновых красок, слоев и порошков

Благодаря своей двумерной природе графен может предлагаться в виде слоев на подложке, в виде дисперсии (или чернил) и в виде порошка оксида графена.

Графеновые чернила при нанесении на поверхность образуют электропроводящую пленку с поверхностным сопротивлением 15 Вт/кв.

Монослойный графен также может быть добавлен к другой желаемой подложке путем переноса его со съемной полимерной подложки. Однослойный графен изготавливается методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).

^{Простой процесс переноса однослойного графена с полимерной подложки на новую подложку.}

Графен на пленке ПЭТ также доступен. В данном случае монослойный графен исключительно высокого качества выращивается методом CVD на ПЭТ-подложке толщиной 188 мкм с размерами до 600 мм × 500 мм. Затем его также можно перенести на новый субстрат.

^{Изображение монослоя графена с помощью просвечивающего электронного микроскопа.}

Наконец, графен также может поставляться в виде порошка оксида графена. В этом случае порошок находится в водной дисперсии и имеет средний размер частиц 285 мкм, концентрацию 4,0 мг/мл и значение рН 2,20-2,50.

Производство графена

Высококачественный графен обычно выращивают методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Это один из самых распространенных методов получения высококачественного графена. В этом процессе газообразные реагенты вводятся в реакционную камеру перед тем, как вступить в реакцию с образованием пленки желаемого материала на поверхности подложки.

При формировании графена с помощью CVD это происходит в два этапа: создание углерода и формирование структуры графена.

На первом этапе атомы углерода создаются посредством пиролиза (термического разложения в инертной атмосфере). Это выполняется на поверхности подложки, чтобы предотвратить образование скоплений углерода или сажи. Используемый субстрат часто представляет собой металлический катализатор.

На втором этапе происходит реакция между атомами углерода и подложкой катализатора, в результате которой образуется графен.

Применение графена

Несмотря на относительно недавнее открытие, графен широко тестировался при изготовлении множества различных устройств, некоторые из которых находятся на ранних стадиях разработки, другие уже представлены на рынке.

Благодаря своей высокой прозрачности и высокой электропроводности графен очень привлекателен в качестве прозрачного проводника, который может быть менее опасной для окружающей среды заменой оксида индия-олова (ITO). Благодаря своей гибкости графен также можно использовать в гибких дисплеях.

Электрические свойства графена также используются при создании полевых транзисторов (FET), фотодетекторов, фотоэлектрических элементов, наноэлектромеханических систем (NEMS), гибких суперконденсаторов и гибких литий-ионных аккумуляторов.

В дополнение к своим электрическим свойствам, его химические и термические свойства позволяют использовать его в датчиках деформации, газовых датчиках, датчиках температуры, биосенсорах и датчиках потока. Производитель смартфонов Huawei начал использовать графен в некоторых смартфонах в качестве охлаждающего устройства для интегральных схем.

Механические свойства графена также используются для изготовления графеновых композитов и графеновых волокон на основе полимеров.

Его также добавляют в резину для улучшения механических свойств.

Найдите графен в различных формах на Matmatch прямо сейчас.

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 нашли 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 его дестабилизацию при тепловых флуктуациях.

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 верхушка айсберга. Прежде чем графен будет широко интегрирован в те области, в которых, по нашему мнению, 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 упругую жесткость 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.