Методы получения и свойства графена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая характеристика графена и методы его получения

2. Cвойства графена

3. Сферы применения графена

Заключение

Список используемых источников

Введение

Есть мнение, что 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 проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал, известный человечеству.

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; искусственные 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.

Задачей реферата является более подробное объяснение методов получения графена и сфер производства, где он применяется или будет применяться в ближайшем будущем. Свойства графена описаны с общей точки зрения и менее подробно.

1. Общая характеристика графена и методы его получения

графен материал кристаллический

Рис. 1. Кристаллическая структура графена

Графен - это планарная 2D-структура макроскопического размера и атомарной толщины, составленная из атомов углерода, в которой атомы углерода располагаются в узлах двумерной гексагональной решетки так, что каждый атом связан с тремя соседними ковалентными химическими связями с sp2-гибридизацией, а четвертый валентный электрон включен в сопряженную Пи-систему графена [1].

Рис. 2 Листы графена (ПЭМ). Длина метки 200 нм

Некоторые характеристики графена:

Структура: Кристаллическая структура - кристаллическая решетка

Постоянная решетки - 0,246 нм

Электронные свойства:

Эффективная масса электронов - 0 me

Эффективная масса дырок - 0 me

Зонная структура:

Ширина запрещенной зоны - 0 эВ [1,2,3]

Графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Он впервые был получен в 2004 году, и поэтому ещё недостаточно хорошо изучен. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза -- из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства [2, 3].

Рис. 3. Графен

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена состоит в механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита [2, 3]. Этот способ позволяет получать самые качественные образцы. Но данный метод не предполагает массового производства, так как это трудная ручная работа. Другой известный способ -- метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Существует также множество других способов получения графена, в том числе довольно необычные: как оказалось, микроскопическое расслоение графита удается сделать также с помощью обычной липкой ленты - скотча. Для этого тонкую пластинку графита помещают между двумя скотч-лентами и, последовательно разъединяя их, отщепляют раз за разом тонкие пленки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой. После этого скотч прижимают к подложке окисленного кремния. При этом на подложке среди многих пленок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес [1].

Значительный прогресс в последнее время произошел с развитием методов выращивания графена эпитаксиально (дорогостоящая методика), а также различных химических методов получения графена (данные методы вызывают ухудшение электрических характеристик материала), а также с химическим осаждением его из газовой фазы на Ni-подложку с ее последующим растворением (полученные пленки имеют большую площадь, но неоднородны по толщине на масштабе длин ~ 5 мкм), а также некоторые альтернативные способы, например утонение кристаллов графита в кислородном разряде [4].

В завершении хотелось бы упомянуть еще два метода получения графена: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы и рост при высоком давлении и температуре. Из этих методов только последний можно использовать для получения пленок большой площади. [1]

Графен является двумерной системой, и на данный момент теоретические и экспериментальные исследования свойств графена сосредоточены на изучении именно стандартных для двумерных систем свойств, т.е. исследовании кристаллической решетки, проводимости и эффекта Холла.

Рис. 4. Схема кристаллической решетки графена

Кристаллическая решётка графена (см. Рис. 4) представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках составляет 0.142 нм.

2. Свойства графена

Самым интересным свойством графена (так же как и ультратонкого графита), которое удалось обнаружить на данный момент, которое отличает его от других аллотропных модификаций углерода и дающим ему большие перспективы применения в электронике, является возможность управлять проводимостью тонких пленок с помощью внешнего электрического поля. Исследования показали, что при таком воздействии данные материалы стабильны, в отличие от других модификаций углерода [3].

Так как графен является полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, то под действием электрического поля можно изменять концентрацию носителей зарядов. Экспериментально это делается следующим образом. Графеновый листок находится на кремниевой подложке, покрытой диэлектрическим слоем из SiO². Достаточно сильно легированный кремний можно использовать в качестве обратного затвора. При приложении к нему положительного напряжения в графене увеличивается концентрация свободных электронов, а при отрицательном - дырок. Концентрация носителей тока может достигать величины 1013 см^-2. Во всем диапазоне этих концентраций сохраняется высокая подвижность электронов и дырок вплоть до 2*104 см² В^-1с^-1 [1].

Впервые именно у графена удалось наблюдать эффект Холла [1,5] при комнатной температуре благодаря высокой подвижности носителей. Так же, он является природным двумерным газом [1,5].

3. Сферы применения графена

Необычные электронные свойства этого материала и возможность химической модификации сделали графен многообещающим кандидатом для будущего повсеместного использования в микроэлектронике. Достаточно упомянуть первые реализованные прототипы будущих устройств на его основе.

Это полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор [6], жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи (в качестве прозрачного проводящего электрода), спиновый транзистор и многое другое [1,7].

В частности, графен рассматривают как материал, который может заменить кремний в микросхемах. В 2008 году IBM сообщила о создании транзистора на основе графена.

Ближайшим конкурентом полевому транзистору на графене является кремниевый полевой транзистор с тонким слоем кремния. Обладая высокой подвижностью (10 000 см²/В с) и скоростью носителей (10⁸см/с) полевой транзистор на графене потенциально может в 10 раз превзойти кремниевый по быстродействию. То есть, если кремниевые транзисторы могут работать только в гигагерцовом диапазоне, то графеновые транзисторы позволяют выйти на терагерцовый. Однако отсутствие запрещенной зоны не позволяет такому транзистору иметь достаточно малый ток в закрытом состоянии, чтобы его можно было использовать в сверхбольших интегральных схемах.

Именно это обстоятельство вызвало интерес к двойным слоям и узким (10 нм и меньше) слоям графена (nanoribbons). В них уже есть запрещенная зона, но она все же меньше, чем у кремния, а минимальный размер транзистора определяется именно шириной запрещенной зоны. Длина канала кремниевого полевого транзистора ограничена 5-10 нанометрами. При меньшей длине наступает прямое туннелирование между истоком и стоком, транзистор перестает попросту закрываться. Поэтому, в этой области пока существуют проблемы, которые на данный момент пока не позволяют выпустить транзисторы на основе графена в массовое производство и говорить о полной замене кремния графеном пока еще очень рано.

Хорошо известно, что графит является химически инертным материалом, а вот графен, как оказалось, можно достаточно легко химически модифицировать. Добавление атомов водорода к графену позволит получать на нем локальные области графана. Подобным образом можно, например, разделить лист исходного материала на множество проводящих полос. Ранее в качестве одного из вариантов решения проблемы получения проводящих контуров предлагалось использовать метод нанолитографии.

Что касается графана - он может найти применение и в водородной энергетике. Как оказалось, нагрев графана приводит к высвобождению атомарного водорода. Известно, что одной из основных проблем водородной энергетики является создание эффективных способов хранения водорода. Графан можно рассматривать как аккумулятор водорода.

Примеры соединений углерода с фтором хорошо известны. Одним из них является политетрафторэтилен, или тефлон, который применяется в качестве защитного покрытия. Продукт реакции фтора и углерода - фторид графита (или флюорографен) - используется как материал для катодов в литиевых батареях и как лубрикант (смазочный материал). Процедура получения флюорографена состоит в следующем. Лист графена размером более 100 мкм на подложку из оксида кремния накрывался тонкой пленкой полиметилметакрилата толщиной 100 нм. После этого основание из оксида кремния вытравливалось, и накрытый графен переносился на другую подложку - очень мелкую золотую сетку c периодом 7 мкм. Затем пленку полиметилметакрилата растворяли с помощью ацетона, и графен на золотой подложке перемещался в тефлоновый контейнер, заполненный дифторидом ксенона XeF₂ - мощным фторирующим соединением. Контейнер нагревали до 70 °C и удерживали температуру неизменной в течение 30 часов.

Оказалось, что флюорографен представляет собой двумерную структуру с практически такой же гексагональной кристаллической решеткой, что и графен, обладает прекрасной термической устойчивостью вплоть до 400 °C. Более того, при обычных условиях флюорографен оказался еще и химически стабильным в таких жидкостях, как вода, ацетон, пропанол и т.д. Фактически флюорографен имеет химическую стабильность, схожую с тефлоном и фторидом графита. Используя атомно силовую микроскопию, удалось получить сведения и о механических свойствах флюорографена.

Флюорографен является полупроводником с широкой запрещенной зоной, имеет хорошую структурную, температурную и химическую устойчивость и не менее прочен, чем сам графен. Обладая такими свойствами, флюорографен может найти применение не только в графеновой микроэлектронике в качестве изолирующих «островков» в полевых транзисторах, но и, например, может рассматриваться как альтернатива тефлону в различных защитных покрытиях [1].

Заключение

Итак, мной были проанализированы особые свойства графена и области применения данного материала, где эти свойства могут быть полезны.

Как видно из сказанного, на данный момент графен является очень перспективным материалом. Главным доказательством этого факта является высокое финансирование исследований графена во всем мире и Нобелевская премия по физике, полученная в 2010 году А.К. Геймом и К.С. Новоселовым именно за открытие графена. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он, вероятно, станет для нас самым обычным материалом, подобно пластику в наши дни.

Интересные факты:

§ В статье, опубликованной 10 ноября 2005 года в журнале Nature, Константин Новосёлов и Андрей Гейм утверждают, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, описываются уравнением Дирака, хотя в эффекте Шубникова-де Гааза (осцилляции магнетосопротивления) наблюдаемые осцилляции соответствуют конечной циклотронной массе.

§ Так как закон дисперсии для носителей идентичен закону для безмассовых частиц, графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики.

§ Квантовый эффект Холла в графене может наблюдаться даже при комнатной температуре благодаря большой циклотронной энергии, при которой температурное размытие функции распределения Ферми-Дирака меньше этой энергии (это расстояние между первым и нулевым уровнями Ландау равно 1200 K при магнитном поле 9 Т).

§ При сворачивании графена в цилиндр получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами.

§ В графене отсутствует вигнеровская кристаллизация.

§ В графене нарушается приближение Борна-Оппенгеймера (адиабатическое приближение), гласящее, что в силу медленного движения ионных остовов решётки их можно включить в рассмотрение как возмущение, известное как фононы решётки, - основное приближение, на котором строится зонная теория твёрдых тел.

§ За новаторские эксперименты с графеном Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена Андрею Гейму и Константину Новосёлову.

§ Термоэлектрический эффект для графена превосходит резистивный омический нагрев, что в перспективе позволит создание на его базе схем, не требующих охлаждения.

§ Международной группе исследователей из Великобритании, Греции и Японии удалось найти новое применение графену. На основе этого материала удалось создать инфракрасный импульсный лазер, причем, по мнению ученых, подобные лазеры могут генерировать и обычные световые импульсы. Подробности изложены в журнале Optics Express, а кратко об этой работе рассказывает Nature News.

§ В своей статье исследователи пишут о том, что они использовали квантовые свойства графена. Этот материал отличается отсутствием запрещенной зоны, то есть его электроны могут находиться в состоянии с любым уровнем энергии, в отличие от изоляторов или полупроводников, у которых есть некоторое минимальное расстояние между основным и следующим за ним по энергии состоянием. Благодаря отсутствию запрещенной зоны графен может поглощать даже кванты с не очень большой энергией и за счет этого временно блокировать излучение инфракрасного лазера.

§ При воздействии на графен инфракрасным излучением материал в определенный момент (в экспериментах физиков это происходило меньше чем через наносекунду) резко меняет свои оптические свойства и становится прозрачным. Как сообщают ученые, реализация подобного эффекта непосредственно внутри лазера на иттербиевом стекле позволяет управлять его работой: лазер излучает только тогда, когда размещенная внутри его резонатора графеновая пленка становится достаточно прозрачной. После того, как графен выпускает световой импульс наружу, он снова начинает поглощать излучение и все повторяется заново, с частотой около 1,6 гигагерц (1,6 миллиардов раз в секунду).

§ Расчеты показывают, что аналогичная схема может успешно применяться для генерации импульсов с любой другой длиной волны как в ближнем инфракрасном, так и в видимом диапазоне. Иными словами, на основе графена теоретически можно сделать импульсные лазеры самых разных цветов, причем материал при этом не потребуется подвергать дополнительной обработке. Еще одним преимуществом графена авторы новой работы считают термостойкость материала: многие другие вещества, обладающие подобными свойствами, быстро выгорают при интенсивном облучении.

Итак, Графен как двумерный материал атомарной толщины представляет интерес сточки зрения разнообразных приложений, в частности, для создания наноэлектронных устройств.

Интерес к исследованию графена с фундаментальной точки зрения вызван возможностью изучать поведение без массовых заряженных частиц.

Эффективно ультрарелятивистская динамика электронов в графене приводит к ряду электронных явлений, не имеющих аналогов в других физических системах.

Исследования графена находятся на стыке физики конденсированных сред и физики высоких энергий.

Список использованных источников

1. Разумов В.Ф. Графен - новый прорыв в области нанотехнологий // «Российские нанотехнологии» - Том 5 - №11-12 - С. 17-22

2. Новоселов К.С. Электрический эффект поля в атомарно тонких углеродных пленках (Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films) // «Science» Том 306, С. 666-669 (2004)

3. Фирсов А.А. Тонкие, ультратонкие пленки графита и их гальваномагнитные свойства.

4. А.Ю. Латышев, Ю.И. Латышев, А.П. Орлов, К. Фугерас, П. Монсо

Получение сплошных графеновых пленок толщиной менее 10 нм утонением монокристаллов графита в кислородном разряде // Rusnanotech 2009. Международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий.

5. В. Вьюрков. Графен ищет применение// Nanoweek - №45 (1-7 декабря 2008)

6. Графеновые транзисторы // Публикации ежедневного научно-популярного интернет-журнала InFuture.ru: web-сайт ежедневного научно-популярного интернет-журнала InFuture.ru.

7. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Графен - твердотельная лаборатория квантовой механики // Rusnanotech'09. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций.

Размещено на Allbest.ru