Углеродные наноструктуры. Графен

Национальный исследовательский Саратовский государственный университет

им. Н.И. Чернышевского

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по предмету «Введение в специальность»

на тему:

«Углеродные наноструктуры. Графен»

 

 

 

 

Выполнил: 

Студент 1 курса 111 группы

НИУ СГУ им. Н.Г. Чернышевского

Факультет: НиБМТ

 

 

Преподаватель:

Доктор физико-математических наук,

профессор по кафедре физики твердого тела.

 

 

 

 

 

 

Саратов

2014

 

Содержание

1. Общие сведения. Строение
2. Открытие
3. Свойства
4. Получение
5. Области применения графена. Выводы
6. Список использованной литературы
 

1. Общие сведения. Строение.

Графен - это слой углерода толщиной в один атом, состоящий из конденсированных шестичленных колец. Атомы углерода в графене соединены sp2 связями в гексагональную двумерную (2D) решетку.

Идеальный графен состоит исключительно из шестичленных колец: появление дефектов приводит к образованию в структуре графена некоторого количества пяти- или семичленных колец и, соответственно, к искривлению плоской поверхности. В то же время, протяжённая π-система сопряжённых ароматических колец делает графен достаточно устойчивым по сравнению с другими нанообъектами.

Структурные особенности графенового листа таковы, что здесь исследователи впервые встретились с системой, в которой носители заряда, имея неограниченную свободу перемещения в плоскости, замкнуты в узком пространстве между «стенками», находящимися друг от друга на кратчайшем атомном расстоянии ~ 0,3 нм, что приводит к появлению уникальных электрофизических характеристик и других необычных свойств графена

 

2. Открытие

 До 2004 года были известны  трехмерные (3 D, алмаз, графит), одномерные (1 D, нанотрубки) и нульмерные (0 D, фуллерены) аллотропные формы углерода. Двухмерные же формы углерода (или 2 D – графит) долго не удавалось получить экспериментальным путем согласно доводам Ландау и Пайерлса о том, что строго 2 D-кристаллы термодинамически неустойчивы.

Ранее предпринимались попытки вырастить графен или же выделить его с помощью метода химического отслоения, и только в 2004 году с помощью усовершенствованной техники микромеханического скалывания графен удалось получить совместными усилиями физиков из Манчестерского университета (Британия) под руководством Андре Гейма и Костантина Новоселова, используя обычную ленту – скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита.

 

3. Свойства

Графен – одна из интереснейших модификаций углерода. Это самый тонкий материал: структура графена представлена кристаллической решеткой, толщиной в один атома углерода.

Кроме того графен является одним из самых прочных материалов и его устойчивость к механическим воздействиям сравнима с таковой у алмаза, но при этом он хорошо гнется и легко сворачивается в трубочку, что делает его идеальным материалом для изготовления нанотрубок – структур, которые используются для моделирования различных природных процессов.

Все эти удивительные свойства графена возникают из-за уникальной природы его носителей заряда, которые ведут себя подобно релятивистским частицам.

Ещё один эффект, обусловленный характером носителей заряда в графене связан с наличием спиральности, что приводит к существованию так называемой киральной симметрии.(в переводе с греческого слова «cheir» – рука). Киральная природа электронных состояний в однослойном и двухслойном графене играет важную роль в прохожденииэлектрона через потенциальный барьер (туннельный эффект).

Исследование свойств графена и его практическое использование в настоящее время сдерживается отсутствием технологии получения этого материала в виде слоев или пленок значительной (более 100 × 100μм) площади

Некоторые физические характеристики однослойного графена:

1 Удельная площадь поверхности ~ 2630 м2/г;

2 Подвижность электронов, ~ 1,5·104 см2·В-1 с-1;

3 МодульЮнга, ~ 1 ТПа;

4 Теплопроводность, ~ 5,1×103 Вт·м-1 ·К-1

 

4. Получение

Можно выделить несколько основных методов получения графена:

1 Микромеханическое отшелушивание  слоев графита;

2 Диспергирование графита  и производных графита в различных

средах;

3 Осаждение графитизированных  слоёв при термораспаде С-

содержащих газов на поверхности образцов;

4 Метод «выпотевания»  углерода из растворов в металлах  или при

разложении карбидов

Большинство выполненных к настоящему времени экспериментальных исследований было проведено на образцах графена, изготовленных механическим расслаиванием высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) или методом термодеструкции полупроводникового карбида кремния SiC в высоком вакууме или нейтральной атмосфере. С помощью первого метода не удаётся получать графеновые пленки с линейными размерами больше нескольких микрометров из-за концентрации механических напряжений, превышающих пределы прочности пленки, второй связан с ограничениями, накладываемыми на качество применяемого карбида кремния, а также не позволяет отделить полученный графен от подложки.

Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может указать путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры, либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако, при получении графена химическими методами есть определенные трудности, которые должны быть преодолены:

1) необходимо достичь  полного расслоения графита, помещенного  в раствор;

2) следует добиться, чтобы  отслоённый в растворе графен  не сворачивался, не слипался, а  сохранял форму листа.

 

5. Области применения графена. Выводы

Ученые из Корнеллского университета вплотную приблизились к созданию одноатомных сенсоров, которые, по прогнозам исследователей, смогут обнаруживать отдельные молекулы вещества, вступившего с ними в контакт. Подобные сверхчувствительные приборы будут востребованы не только химиками для очистки веществ от примесей, но также парфюмерами, криминалистами и тестерами пищевых продуктов.

Ученые прогнозируют и другие масштабные перспективы использования графена. Со временем это вещество полностью вытеснит кремний из сферы производства компьютерных процессоров, так как графеновые процессоры смогут в сотни раз быстрее обрабатывать информацию. Это не произойдет до 2020 года, как утверждают разработчики компании Lux Research, но уже сейчас новый материал обгоняет кремний в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приёмников и передатчиков мобильной связи. Особо преуспели в этом направлении занимающиеся оборонными заказами исследовательские лаборатории IBM и HRL (совместное владение Boeing и General Motors).

Также предполагается, что в смеси с пластмассами графен даст возможность создавать композитные проводящие материалы, устойчивые к действию высоких температур. Прочность графена позволяет конструировать новые механически устойчивые материалы, сверхтонкие, легкие и эластичные. В будущем из композитных материалов на основе графена возможно будет делать автомобили, самолеты и спутники. Уже сейчас предполагается использовать графен в устройствах для хранения энергии – аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, вырабатывающих электроэнергию от соединения кислорода с водородом.

Такие свойства графена как высокая подвижность электронов, минимальная толщина в один атом, низкое удельное сопротивление открывают перспективы для создания различных биологических и химических датчиков, а также различных вариантов тонких плёнок, которые могут найти применение в фотоэлектрических устройствах для преобразования солнечной энергии или в сенсорных экранах.

На основе графена могут быть созданы высокочувствительные фотоплёнки.

Плазменные волны в графене открывают перспективы создания источников и приемников терагерцового диапазона. Особое поведение спина в графене может привести к созданию новых приборов спинтроники, а благодаря свойству высокой теплопроводимости графен может служить теплоотводом в современных интегральных схемах, в которых разогрев является серьёзной проблемой.

Если графеновая революция пойдет такими же стремительными темпами, то мы явимся свидетелями нового витка научно-технического прогресса уже в этом веке, а страна, которая проявит интерес к практическому применению графена, станет ведущей технической державой.

6. Список использованной литературы
1. Новое аллотропное состояние углерода – графен. В. В. Стюхин, Э. В. Лапшин
2. Графен: свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологии и нанокомпозитах. И.М. Булатова