Физика графена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

графен плоский атом углерод

Цель: Исследовать новейшее открытие в области физики, такое как Графен.

Задачи:

1. Ознакомиться с историей открытия.

2. Изучить строение графена.

3. Раскрыть некоторые основные физические свойства Графена

4. Выявить области применения.

Наноструктуры можно собирать из молекулярных блоков. Такими блоками для создания наноструктур являются графен. Графен - это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, связанных между собой и образующих решётку, каждая ячейка которой напоминает пчелиную соту (состоит из шестиугольных ячеек).

Графен может сильно изменить жизнь человека в XXI веке. Это не только самый тонкий материал, но он также примерно в 200 раз прочнее стали и он гибкий, и проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал, известный человечеству. Он уникален тем, что способен проявлять свойства как проводника, так и полупроводника. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники.

1.История открытия

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита.

Рис.

Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом. Как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны, и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен, как функция волнового вектора. Такого рода спектром, обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами (элементарная частица с полуцелым значением спина), и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO₂ по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова-- де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

И уже 5 октября были удостоены Нобелевской премии в области физики за 2010 год за создание самого тонкого в мире углеродного материала - графена, работающие ныне в Великобритании воспитанники российской научной школы Андрей Гейм и Константин Новосёлов. Российские физики открыли графен всего восемь лет назад. Это второй раз, когда престижную награду дают за открытие нового углеродного материала. Андрей Гейм и Константин Новосёлов - первые учёные, которым удалось получить графен.

Способ, который они использовали, теперь широко применяется во всех лабораториях: с помощью обычного скотча от графита отщепляют достаточно тонкие слои, часть из которых оказывается одноатомными, удивительно, но такой слой возможно увидеть с помощью светового микроскопа. Сегодня разработан ряд других способов получения графена, например, термическое разложение подложки слоя кремния, при котором графен формируется на поверхности этой плёнки.

2.Кристаллическая структура

Кристаллическая решётка графена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что её обратная решётка тоже будет гексагональной. В элементарной ячейке кристалла находятся два атома, обозначенные A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге на вектора трансляций (любой вектор вида r_a=me₁+ne₂, где m и n - любые целые числа) образует подрешётку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. На рисунке представлены две подрешётки атомов.

Рис. Модель графена

Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках, обозначенное a₀, составляет 0,142 нм. Постоянную решётки (a) равна a=a₀ то есть 0,246 нм.

3.Проводимость

Проводимость графена, как и в «классических» полупроводниках, обуславливается наличием электронов и «дырок», однако, за счет уникального расположения электронных уровней в этом кристалле, носители тока проявляют свойства частиц с нулевой массой. Аналогов этому явлению пока не обнаружено.

По своим свойствам графен проявляет одновременно как свойства хорошего проводника, так и свойства полупроводника, поэтому он является идеальным материалом для разработки электронных устройств наномасштаба, а также для замены кремния в интегральных микросхемах. Однако, прежде, чем мир увидит первые реальные воплощения этих идей, свойства материала должны быть тщательно изучены; настолько, чтобы ученые могли не просто прогнозировать поведение своих устройств в тех или иных условиях, но и управлять их состояниями.

Один из способов управления физическими свойствами вещества - добавление дефектов кристаллической решетки, что может отразиться на механических или электрических свойствах вещества. Исходя из этой идеи, группа ученых из Швеции и США из Университета города Упсалы (Швеция) показала, что добавление дефектов в кристаллическую структуру графена позволяет повысить его электрическую проводимость на целый порядок. Дефекты были добавлены при помощи воздействия на графеновый образец соляной кислотой.

В своих экспериментах исследователи использовали графеновые пленки, нанесенные на вольфрамовые основания. При этом работа с пленками производилась при помощи миниатюрных манипуляторов с диаметром оконечности острия около 10 нанометров.

Полученный результат противоречит ранее сделанным теоретическим предсказаниям и может иметь существенное значение для создания в будущем электронных устройств на основе графена. Ранее считалось, что дефекты увеличивают удельное сопротивление; и, действительно, такой результат был получен для концентраций примеси 0,01 - 0.05 %. Однако, уменьшение концентрации (менее 0,01 %) привело к росту проводимости. Ученые объясняют это появлением дополнительных энергетических уровней в районах вокруг атомов примеси, за счет чего в графене появляются области, проявляющие свойства металла.

Полученный результат был подтвержден как практически, так и теоретически, открыв новую главу в исследовании этого удивительного материала.

4. Теплопроводность

Результаты нового исследования позволяют говорить о том, что находящийся в контакте с твердой поверхностью графен отличается исключительно высокой теплопроводностью.

Результаты исследования могут ускорить разработку электронных устройств на основе графена, предлагая экспериментальный метод для измерения и теоретические выкладки для понимания образования и рассеивания теплоты в электронных схемах, некоторые компоненты которых состоят из графена.

Ряд полезных свойств графена, включая его исключительную электропроводность и механическую прочность, обуславливают то, что в настоящее время графен представляет наноматериал, изучению которого посвящено значительное количество исследований. По мере уменьшения электронных устройств и увеличении плотности электронных схем на единицу площади надежность работы такого устройства будет определяться теплопроводностью компонентов микросхемы, рассеивающих тепловую энергию и предотвращающих перегревание электронных компонентов. Несмотря на очевидную важность исследований в области изучения теплопроводности графена, экспериментальные сложности не позволяли изучать теплопроводность графена в достаточном объеме.

Строение, особенности связывания и незначительная атомная масса обуславливают высокую теплопроводность различных аллотропных модификаций углерода, включая алмаз, графит и углеродные нанотрубки. Проведенные ранее исследования свободно подвешенного листа графена показали, что и эта модификация углерода отличается высоким значением коэффициента теплопроводности (К). Определенная для «подвешенного» графена теплопроводность составляла около 5000 Вт/(м*К), что в 2.5 раза больше, чем у прежнего «рекордсмена по коэффициенту теплопроводности» - алмаза. Тем не менее, наиболее вероятно, что при использовании графен будет находиться в контакте с другими материалами.

Для измерения коэффициента теплопроводности в условиях контакта с другими материалами Джае Хун Сол (Jae Hun Seol), Ли Ши (Li Shi) и Родни Руофф (Rodney S. Ruoff) из Университета Техаса разработали микромасштабный электронный термометр и использовал его для измерения теплопроводных свойств двух образцов. Первоначально были изучены свойства композитного материала, представляющего монослой графена на стандартной подложке - диоксиде кремния, затем графен удалили и изучили теплопроводность оставшейся подложки.

Различие между свойствами двух образцов позволило определить, что коэффициент теплопроводности однослойного графена, нанесенного на подложку (при комнатной температуре) составляет около 600 Вт/(м*К). Это значение почти на порядок ниже теплопроводности «подвешенного» графена, однако в два и 50 раза выше теплопроводности применяющихся в современной электронике меди и кремния, соответственно.

Для лучшего понимания различия между термическими свойствами «подвешенного» графена и графена на подложке исследователи изучили две этих системы с помощью компьютерного моделирования. Было обнаружено, что отсутствие стерического соответствия между графеном и подложкой приводит к тому, что фотоны, образующиеся в результате колебаний решетки графена, могут «стекать» в твердую подложку, таким образом понижая коэффициент теплопроводности.[ http://ufn.ru/ru/articles/2011/3/a/]

5.Квантовый эффект холла

Дробный квантовый эффект Холла возникает, когда носители заряда (электроны) ограничены в двумерной плоскости (одноатомном слое углерода, графене) и подвергаются воздействию перпендикулярного этой плоскости магнитного поля. Если принять направление тока за X, а перпендикулярного ему магнитного поля -- за Z, то в направлении Y возникнет напряжение, называемое холловским.

Физикам впервые удалось обнаружить в графене дробный эффект Холла. По словам исследователей, новый результат делает двумерные листы графита материалом для электротехники будущего. Классический эффект заключается в следующем. Если взять кусок проводника и приложить к его концам разность потенциалов, то через него потечет ток. Поместив проводник в сильное магнитное поле, перпендикулярное ему, можно заметить, что поперек проводника также возникает разность потенциалов. При этом величина разности зависит от силы магнитного поля.

Если вместо проводника взять тонкий (в этом случае можно говорить, что электроны движутся в двух измерениях) полупроводник, то поперечное напряжение будет меняться скачками, величина которых определяется зарядом электрона. Если всю систему охладить почти до абсолютного нуля, то скачки становятся меньше и возникает дробный эффект Холла. Уменьшение "ступенек" вызвано тем, что вместо электронов в полупроводнике возникают квазичастицы с дробными электронными зарядами (например, 1/3). За открытие квантового эффекта Холла в 1985 году была присуждена Нобелевская премия.

Многие исследователи ожидали, что в графене должен проявляться квантовый эффект Холла, однако до недавнего времени его не удавалось обнаружить. В рамках новой работы исследователи зарегистрировали данный эффект.

По их словам, неудачи предыдущих опытов объяснялись наличием примесей в графене. Обычно этот материал получают в виде одноатомного слоя графита на подложке. Атомы подложки могут "вмешиваться" в гексогональную структуру материала. Чтобы избежать этого, ученые использовали совсем небольшие (размером около микрометра) куски графена, чтобы избежать засорения атомами с подложки.

По словам ученых, если удастся получить частицы с зарядом 5/2, они смогут создавать квантовые компьютеры на основе графена. Подобные компьютеры, теоретически, должны быть гораздо быстрее классических. в частности, совсем недавно ученым удалось создать алгоритм решения системы линейных уравнений для квантового компьютера.

6.Область применения

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

И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения. Мы стоим еще в самом начале длинного пути. Представьте себе последствия хотя бы только компьютерной революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1THz. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он вероятно станет для нас обычным материалом, подобно пластику в наши дни.

Заключение

В данной работе был проведён анализ теоретических сведений по графену и его некоторых физических особенностей (свойств). В ходе чего было установлено, что благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлектронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Список используемых источников

1. Сайт «Электронный web-журнал Physics.com.ua» Режим доступа: http://physics.com.ua

2. Сайт «Успехи физических наук» Выпуск 5, 2011г, «Графен: методы получения и теплофизические свойства» Режим доступа: http://ufn.ru/ru/articles/2011/3/a/

3. Ландау Л.Д Лифшиц Е.М. «Статистическая физика» , М 2001 г.

4. Сайт globalscience.ru «Технологии».

5. Ильясов Ф.К Булатова А. Н. «Электрические свойства графенов» , 23ст 2009 г.

6. Гейм А Новоселов К. «Рост графена», Ман 2007. 5. Сильвестров П. Ефетов К. «Квантовые точки в графене» Сент. Л. 98, 2007 г.

7. Сайт ru.science.wikia.com Режим доступа: http://ru.science.wikia.com/wiki/Графен

8.Сайт ru.wikipedia.org

Приложение

Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией B=9,11 мТл по винтовой линии, радиус R который равен 1 см и шаг 7,8 см. Определить период обращения электрона и его скорость.

В магнитное поле, изменяющееся по закону , помещена квадратная рамка со стороной 50 см, причем нормаль к рамке образует с направлением поля угол б=45⁰ . Определить ЭДС индукции, возникающую в рамке в момент времени t=5 с, если w=4 с^-1, =0,1 Тл

Тонкий стержень длиной l=10 см равномерно заряжен. Линейная плотность заряда равна 1 мКл/м. На продолжении оси стержня на расстоянии d=20 см от ближайшего его конца находиться точный заряд Q=100 нКл. Определить силу F взаимодействия заряженного стержня и точечного заряда.

Частица массой m=1 кг имеющая заряд q₁=1 нКл, начинает двигаться издалека со скоростью V=1 м/с в сторону центра заряженного шара .При каком минимальном значении радиуса шара частица достигнет его поверхности, если заряд шара q₂=3 нКл?

В тот момент, когда частица достигает поверхности шара

Его потенциальная энергия равна , а кинетическая энергия =0, из условия его минимального значения радиуса шара.

Размещено на Allbest.ru