Графен

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт

(государственный технологический университет)»

Факультет: Заочный

Направление подготовки: 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника»

Профиль: Наноэлектроника

РЕФЕРАТ

На тему: «Графен»

Выполнил: Галачиев Д.Х.

Группа: ЭНб(з) 18-2___

Преподаватель: Кодзасова Т. Л.

Владикавказ

2021 г.

Содержание

• Введение
• 1. История открытия
• 2. Свойства и характеристики графена
• 3. Дефекты
• 4. Перспективы развития и применения
• 4.1 Техника и электроника
• 4.2 Опреснение соленой воды
• 4.3 Графеновые аккумуляторы
• 4.4 Графен в медицине
• 4.4.1 Лечение рака
• Заключение
• Список используемых источников
• Введение

Одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг - это новые материалы. Изменения укладов жизни человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов. Материалы - это ступени нашей цивилизации, а новые материалы - это трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия.

Что такое карандаш, мы знаем с детства. Спросите любого ребенка, и он сразу ответит - это такая палочка, которой можно рисовать и которая часто ломается. То есть все мы знаем, что графит - очень хрупкий материал. Отчасти это правда, но не так все просто. Когда мы слегка нажимаем на грифель карандаша, графит расслаивается, а на бумаге остается тонкая полоска.

Эта полоска - графен, вернее несколько слоев графена, соединенных друг с другом. Они легко отслаиваются, отчего создается иллюзия хрупкости графита. На самом деле каждый слой графена в двести раз прочнее стали. Это тем более удивительно, что толщина слоя графена - всего один атом. Материал из графена настолько тонкий, что это невозможно себе даже представить. А еще он очень гибкий, и его можно сворачивать в трубочки диаметром несколько нанометров (миллионная доля миллиметра).

Рис. 1. Графен

1. История открытия

Теоретическое изучение графена началось еще задолго до получения самого материала. Основная проблема заключалась в его получении.

Расслоить графит на графен - это все равно, что расслоить тонкую упаковочную пленку на слои в один атом толщиной.

Графен - это слой атомов углерода, организованных в гексагональную плотную кристаллическую структуру, толщиной всего в один атом. Графит состоит из слоев графена, обладает свойствами полупроводника. В 1947 году П. Воллесом было установлено, что 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. Это означает, что электроны могут проникать в зону проводимости, не теряя энергии, как следствие ток не может быть полностью выключен в таких устройствах, как транзисторы, - частично он продолжает идти.

До 2005 года получить графен не удавалось. 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 в 1991 году, 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 -- соединения, подобные графитиду калия KC8) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) тоже не привело к результату.

В 1999 году американские ученые во главе с материаловедом профессором Родни Роуффом попытались снять отдельные слои графита с помощью очень точечной иглы. Но им не удалось получить пленку, толщиной в один атом. Другие пытались «рисовать» подобием нанокарандаша так, чтобы получались микроскопические графитовые точки, но и это не привело к желаемому результату.

Успеха добились двое российских ученых - Константин Новоселов и Андрей Гейм.

Решение оказалось очень простым - скотч.

В 2004 году они наложили на слой графита клейкую ленту. Затем отклеили пленку, потом опять наклеили, и так до тех пор, пока не остался всего один слой графена толщиной в один атом. Ученые сумели перенести этот микроскопический слой на силиконовую пластину и объявили о своей победе над природой. Удачный эксперимент сделал Новоселова и Гейма нобелевскими лауреатами. После эксперимента они заявили: для того чтобы порвать пленку графена толщиной в одну сотую миллиметра, понадобится слон, при этом его вес должен уместиться на площади, равной кончику карандаша.

Рис. 2. Пластина с графеном

К сожалению, такой способ получения графена не подходит для его производства в промышленных масштабах, он хоть и дешевый, но слишком трудоемкий. Ученые всего мира стали ломать голову над тем, как же поставить производство графена на поток. Один из возможных способов - эпитаксиальное выращивание. Метод заключается в том, что атомы углерода при определенном на них воздействии сами собой группируются на твердой поверхности, образуя графен. Таким способом, например, уже производят некоторые полупроводниковые материалы для электронной промышленности. Недавно профессору Руоффу удалось изготовить несколько кристаллов графена шириной в полмиллиметра. Теперь он мечтает о производстве рулонов графена шириной в один метр и неограниченной длины.

В 2011 году ученые из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно, удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные туманности в Магеллановых облаках). На сегодняшний день на исследование свойств графена выделено около десяти миллиардов долларов на десять лет, и ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности.

2. Свойства и характеристики графена

Графен - революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.

Графен обладает уникальным свойством - его скорость электропроводности сопоставима со скоростью света. Остановимся на этом подробнее. Электропроводность материалов обеспечивается подвижностью электронов в атомах. Например, у металлов некоторое количество свободных электронов находится в так называемой зоне электропроводности, что позволяет им беспрепятственно перемещаться между атомами. А у полупроводников есть еще так называемая запрещенная зона, через которую электронам нужно перепрыгнуть, чтобы материал обрел свойство электропроводности. Для этого применяют дополнительную энергию, например, нагревание.

Так вот, у графена, хотя это и не металл, нет запрещенной зоны, поэтому электроны свободно перемещаются, что создает серьезную проблему - транзистор из графена невозможно выключить полностью, а значит, в устройстве, содержащем такой транзистор, будет постоянная утечка электроэнергии. Но есть в этом и положительная сторона. Благодаря тому, что на массу электрона графена практически не влияют электрические поля других заряженных частиц - их просто нет рядом с ним, - он способен передвигаться с фантастической скоростью. Настолько быстро, что его скорость можно описать только с помощью теории относительности Эйнштейна, а сам графен впору сравнивать с ускорителем частиц. Такая умопомрачительная скорость передвижения электронов позволяет им очень чутко реагировать на высокочастотные электромагнитные поля, а значит, графеновый транзистор будет включаться, и выключаться очень быстро.

Однако, специалисты из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, США, выяснили экспериментальным путем, что если поместить двойной слой графена в электрическое поле, то возникает та самая запрещенная зона, и ее размер можно регулировать, изменяя силу поля.

Графен - самый тонкий материал, который вы можете создать, его толщина всего один атом. Для наглядности: 1 мм (миллиметр) = 1000000 нм (нанометр), а диаметр атома = 0,1 нм (нанометр). Крошечное количество может покрыть большую площадь, поэтому один грамм может покрыть целое футбольное поле. Это самый прочный материал из всех, что мы знаем, поскольку вы не можете снимать его послойно дальше. Конечно, мы знаем, что атомы можно разделить на элементарные частицы, но вы не сможете получить материал тоньше, чем в один атом, иначе он не будет считаться материалом дальше.

Следует отметить такие важные для приложений свойства графена, как химическую стабильность, высочайшую подвижность носителей заряда, высокую теплопроводность, исключительную прочность и упругость, непроницаемость для газов, почти полную оптическую прозрачность и поглощение около 2% света, причем в широком оптическом диапазоне - от ультрафиолета до инфракрасного. Коэффициент поглощения равен р (пи), умноженное на постоянную тонкой структуры. То есть, глядя на графен, фактически вы видите постоянную тонкой структуры. 2% - это столько поглощает оконное стекло.

3. Дефекты

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

4. Перспективы развития и применения

Обычно новому материалу нужно сорок лет, чтобы выйти за пределы академических лабораторий и стать потребительским продуктом, но не прошло и десяти лет, как графен переместился из научных лабораторий в промышленные. Пилотные продукты выходят по всему миру. Правительства и крупные компании тратят миллиарды на изучение материала. Пожалуй, к свойствам графена можно добавить и то, что он самый бурно развивающийся.

4.1 Техника и электроника

Графен можно использовать в жидкокристаллических дисплеях, солнечных батареях или фотоэлектронных датчиках в качестве хорошо проводящего и прозрачного внешнего электрода. Довольно ограниченный ряд материалов обладает одновременно и хорошей проводимостью, и прозрачностью. Сейчас в основном для этих целей применяют ITO (оксид индия-олова). Причем, если требуется повысить проводимость материала (скажем, для увеличения быстродействия), вам приходится для этого пожертвовать степенью его прозрачности. Графен превосходит традиционные сегодня материалы по соотношению таких параметров, как проводимость, прозрачность, химическая инертность. Необходимое качество графена для подобных устройств уже фактически достигнуто, и вопрос состоит только в том, когда будет пробита граница себестоимости, при которой его использование станет целесообразным.

Еще одно важное свойство графена состоит в том, что его можно растягивать чуть ли не на 20%. Это позволит делать гибкую или изогнутую электронику и будет актуально для различных гаджетов.

Для примера - представьте себе планшет, экран которого по команде сворачивается в трубку диаметром в пару сантиметров.

Рис. 3. Гибкий экран

Кроме того, графен и графено-подобные материалы химически инертны, имеют разветвленную поверхность и максимальное отношение поверхности к объему, поэтому их перспективно использовать в газовых датчиках и в аккумуляторных батареях и суперконденсаторах. Ожидается, что использование графена или графено-подобных материалов позволит уменьшить вес или увеличить емкость накопителей энергии - аккумуляторных батарей и суперконденсаторов. По тем же причинам, графен перспективен для газовых датчиков. Было экспериментально показано, что газовые датчики из графена способны реагировать на единичные акты адсорбции/десорбции молекул - фактически достигнута предельная чувствительность таких устройств.

Ученые из Наньянского технологического университета (Китай) нашли способ использования графена при создании оптических сенсоров для камер. И не просто сенсоров, а сенсоров с двумя очень вескими преимуществами, по сравнению со стандартными. Первое из них заключается в том, что оптические сенсоры на основе графена требуют в десять раз меньше энергии для работы, по сравнению с обычными сенсорами. Второе преимущество графеновых сенсоров заключается в том, что они в 1000 раз чувствительнее. Настолько чувствительнее, что способны захватить и удерживать частицы электронов, генерируемых световым потоком намного дольше. В результате этого получаются более четкие и чистые изображения, даже при съемке в темноте.

На разработку прорывной технологии графенового сенсора у ученых ушло 2 года. Стоимость исследования обошлась университету в 200 тысяч долларов.

Рис. 4. Графеновый сенсор

Специально для тех, кто стесняется носить цифровые очки Google Glass, исследователи разрабатывают альтернативу в виде контактных линз. Именно они смогут однажды заменить экраны смартфонов. Научные работники нескольких институтов, включая две исследовательские лаборатории Samsung, разработали электронные контактные линзы на основе наноматериалов. Новые материалы помогут сделать надеваемые на глаза дисплеи более практичными, уверены ученые.

Группа исследователей во главе с инженером-химиком Чан-Юн Парком из южнокорейского Национального научно-технологического института Ульсан, встроила в стандартные мягкие контактные линзы светоизлучающий диод. Это удалось сделать благодаря разработанному ими же материалу - прозрачному, высоко проводящему и эластичному соединению графена и серебряных нитей наноразмера, пишет интернет-издание Technology Review.

Тестирование линз проводилось на кроликах, чьи глаза по размеру очень похожи на глаза человека. В ходе пятичасовых испытаний не удалось выявить никаких побочных эффектов. Подопытные животные не терли глаза лапами, не было никаких покраснений, электроника продолжала работать.

Исследовательская работа была напечатана в научном журнале Nano Letters, публикуемым Американским химическим обществом ежемесячно.

Рис. 5. Графеновые линзы

Стоит отметить, что в данном направлении уже проводились исследования. Например, швейцарская компания Sensimed разработала специальные контактные линзы для круглосуточного мониторинга внутриглазного давления у больных глаукомой. Другие исследователи, в числе которых профессор Вашингтонского университета и основатель проекта Google Glass Бабак Парвиз, разработали дисплей в виде контактной линзы. Однако в основе обоих устройств лежали негибкие или непрозрачные материалы. Хотя органические проводники, графен и нанонити хорошо пропускают свет и сгибаются, они не обладают достаточной проводимостью.

Сами авторы исследования считают, что электронные контактные линзы намного перспективнее тех же виртуальных очков. Фотографирование и видеосъемка с помощью контактных линз перестает быть фантастикой.

Рис. 6. Наушники из графена

В таких наушниках используется мембрана из графена радиусом в 7 мм и толщиной в 30 нм. Даже не оптимизированный прототип этой модели выдавал звук, сопоставимый по качеству с наушниками дорогих и известных брендов. Ученые утверждают, что если модифицировать и оптимизировать данную мембрану, то можно добиться впечатляющих результатов.

Рис. 7. Графеновая флеш-память

Из графена можно создавать флеш-память, которая будет хранить информацию долгое время. Ученые показали, что обычная флешка за 10 лет теряет половину записанной информации, в то время как ее графеновый аналог - лишь 8%. Данная технология может применяться везде, где есть необходимость в договечной флеш-памяти, например, в процессорах.

4.2 Опреснение соленой воды

С помощью графена произойдет удешевление процесса преобразования морской воды в пресную.

Рис. 8. Графеновая станция по очистке воды

Фильтр будет представлять из себя графеновую мембрану с мельчайшими отверстиями. Эти отверстия настолько малы, что не пропускают частицы соли. Устройство будет прочным и долговечным, его можно будет использовать для опреснения воды в больших объемах.

4.3 Графеновые аккумуляторы

Испанские инженеры разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она дешевле аналогов на 77% и позволяет заряжать электромобиль всего за 8 минут и проехать до 1000 км.

Рис. 9. Графеновые аккумуляторы для электромобилей

графен атом углерод

Компания Graphenano является ведущим в мире производителем графена в промышленных масштабах, так что они знают, что делают. И правда в том, что графеный аккумулятор может сделать очередную революцию в автомобильной промышленности и телефонии. Он весит половину литий-ионного аккумулятора. Компания Graphenano начала производство графеновых батарей для электромобилей в первой половине 2015 года для двух из четырех крупных немецких автомобильных брендов, которые тестировали их на своих автомобилях.

4.4 Графен в медицине

Тобиас Маттеи (Tobias A. Mattei, MD) из медицинского исследовательского центра Invision Health/Brain & Spine Center в Баффло, Нью-Йорк и Азим Реман (Azeem A. Rehman, BS) из медицинского колледжа Университета Иллинойса в Чикаго (University of Illinois College of Medicine) попытались представить, какое будущее ждет графен в неврологии.

Рассматривая его электрохимические и оптические свойства, ученые считают, что на основе графена будут разработаны высокоэффективные, и одновременно миниатюрные биосенсоры для мониторинга неврологического статуса у пациентов отделений интенсивной терапии после инсульта или травмы мозга. На основе графена можно будет создавать каркас для заживления повреждений нервной ткани.

Для нейрохирургов графен также предлагает значительно более эффективные и оптимизированные процедуры и приспособления. В первую очередь это касается инструментов для операций на спинном мозге. Системы электрофизиологического мониторинга сделают любые операции более точными, менее травматичными, вследствие чего можно ожидать успеха в оперативном лечении эпилепсии и двигательных расстройств. Наконец, наночастицы на основе графена смогут сыграть роль в направленной терапии, в которой, возможно, будут использованы фототермальные и электрические свойства материала. Разумеется, все эти технологии будут входить в практику очень постепенно, и немало времени пройдет, прежде чем будет показана безопасность графена и материалов на его основе.

Однако рост числа публикаций и количества экспериментальных данных в поддержку нового материала однозначно говорит, что применение графена в медицине будет широким.

4.4.1 Лечение рака

Ученые попробовали посмотреть, как поведет себя графен в больном раком мышином организме, результаты оказались просто блестящими: по какой-то причине (может, именно из-за своей плоской структуры) графен аккумулируется опухолью гораздо лучше, а в других тканях практически не задерживается.

В экспериментах использовался графен, покрытый биосовместимой оболочкой из полиэтиленгликоля («голый» графен нестабилен в живом организме). Эксперимент состоял из нескольких стадий.

Первым делом исследователям надо было просто выяснить, что происходит с графеном после того, как он оказался внутри организма. Для этого графен пометили флуоресцентной краской Cy7, ввели в вену подопытным мышам и стали раз в несколько часов измерять его содержание в крови. Оказалось, что уже через шесть часов его уровень падает почти до нуля. Это очень и очень радовало. Теперь ученые ввели графен в кровь мышей с раковыми опухолями и стали смотреть на динамику его распределения по мышиному телу. Оказалось, что уже через 24 часа графен скапливается в районе опухоли и гораздо слабее представлен во всём остальном теле. Стоит отметить, что в почках уровень графена оставался сравнительно высоким; исследователи предположили, что некоторые частицы графена настолько малы, что могут покидать организм с мочой.

Теперь ученые решили заняться собственно лечением рака. 33 мыши получили раковую опухоль на правом плече; после этого 17-ти из них была сделана инъекция графена, а остальные остались для контроля. Через сутки после инъекции опухоли десяти инъецированных и десяти неинъецированных мышей были облучены лазером с длиной волны 808 нм, на которой графен поглощает свет особенно хорошо. Таким образом, ученые работали с одной опытной («графен + облучение») группой и тремя контрольными («только графен», «только облучение» и «ни того, ни другого»). Опухоли опытных мышей буквально сгорели -- температура на поверхности тела в месте облучения подскочила на 50°C (у контрольных мышей -- всего на 2°C). На следующий день рак у этих мышей исчез, оставив после себя только характерный черный шрам, который заметно уменьшился спустя неделю после облучения. За все те 40 дней, что продолжалось исследование, у этих мышей не было обнаружено никаких признаков возвращения опухоли. В то же время у всех трех контрольных групп мышей рак никуда не делся, и средняя продолжительность их жизни после начала эксперимента составляла 16 дней.

Результаты были блестящими, но они бы не имели никакого смысла, если бы у метода оказались серьезные побочные действия. Однако и тут всё было безупречно: за 40 дней исследования ни одна опытная мышь не умерла, у животных не наблюдалось симптомов болезней или потери в весе; после окончания эксперимента ученые исследовали срезы внутренних органов опытных мышей и не обнаружили никаких признаков повреждений.

Конечно, пока рано говорить, что появилась волшебная палочка, которая одним мгновением вылечит всех больных. Просто это очень удачное плотное исследование. Группы, на которых проводилось исследование, были слишком маленькими, а время эксперимента -- слишком коротким, и вполне возможно, что какой-нибудь хитрый побочный эффект ускользнул от внимания ученых. Кроме того, опухоли у мышей были не «родными», выросшими в их собственном организме, а трансплантантными, то есть пересаженными. Вполне возможно, что графен в них по какой-то причине накапливается лучше, чем в «родных». Есть и несколько неясных мест в исследовании. Например, когда ученые утверждали, что выздоровевшие мыши не теряли в весе, они сравнивали их с контрольными группами, которые были больны раком и не могли не испытывать проблем со здоровьем. К тому же, мыши сами по себе гораздо чаще заболевают раком и гораздо легче выздоравливают, чем люди, и дальнейшие эксперименты на других видах животных могут опустить нас с небес на землю.

Заключение

Два ученых, Константин Новоселов и Андрей Гейм, стали лауреатами Нобелевской премии 2010 года по физике, за открытие графена. Данная награда, служит признанием многообещающего будущего данного материала. Он может произвести революцию в индустрии электроники и позволит создавать легкие, крепче стали, материалы. И это только некоторые, из длинного списка возможных применений. Гейм заявил, что он "видит параллели с ситуацией, которая сложилась около 100 лет назад, когда были открыты полимеры. Прошло некоторое время и полимеры вошли в нашу жизнь в виде пластмассы и стали играть важную роль в жизни людей".

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.

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.

Список используемых источников

1. Графен. А.Г. Алексенко, 2014 г. - 168 с.

2. Графен и родственные наноформы углерода. С.П. Губин, 2019 г. - 112 с.

3. Просто графен. Т.С. Яковлева, 2019 г. - 100 с.

4. Нанотехнологии промышленного производства одноразовых стеклообразных силикатов нестехиометрического состава. В.Н. Ткачук, М.В. Ткачук, А.А. Дьяченко. 2020 г. - 208 с.

5. Наноматериалы. Свойства и сферы применения. Г.И. Джардималиева, К.А. Кыдралиева, 2021 г. - 200 с.

Размещено на Allbest.ru