Графен

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Графен — гэта асобны атамны слой са структурай графіта

Графе́н (англ.: graphene) — вуглярод у форме слаёў таўшчынёй у адзін атам, размешчаных у выглядзе сота-падобнай рашоткі. Больш дакладна, графен — гэта двухмерная алатропная мадыфікацыя вугляроду, утвораная слоем атамаў вугляроду таўшчынёй у адзін атам, якія знаходзяцца ў sp²-гібрыдызацыі[ru] і злучаюцца σ- і π-сувязямі ў гексаганальную[ru] двухмерную крышталічную рашотку. Яго можна ўявіць як адну плоскасць графіту, аддзеленую ад аб’ёмнага крышталя. Па ацэнках, графен мае вялікую механічную жорсткасць[ru] і рэкордна вялікую цеплаправоднасць (~1 ТПа[1] і ~5×103 Вт·м−1·К−1[2] адпаведна). Высокая рухомасць[ru] носьбітаў зараду (максімальная рухомасць электронаў сярод усіх вядомых матэрыялаў) робіць яго перспектыўным матэрыялам для самых розных прымяненняў, у тым ліку, у якасці будучай асновы нанаэлектронікі[ru][3] і магчымую замену крэмнію ў інтэгральных мікрасхемах.

Адзін з існуючых у цяперашні час спосабаў атрымання графена ва ўмовах навуковых лабараторый[4][5] заснаваны на механічным адшчапленні ці адлушчэнні графітных слаёў ад высокаарыентаванага піралітычнага графіту[ru]. Ён дазваляе атрымліваць найболей якасныя ўзоры з высокай рухомасцю носьбітаў. Гэты метад не прадугледжвае выкарыстання маштабнай вытворчасці, бо гэта ручная працэдура. Іншы вядомы спосаб — метад тэрмічнага раскладання падложкі карбіду крэмнію[ru][6][7] — значна бліжэй да прамысловай вытворчасці. З 2010 года даступныя лісты графена метровага памеру, вырашчаныя метадам хімічнага асаджэння з газавай фазы[ru][8].

З-за асаблівасцей энергетычнага спектра[ru] носьбітаў графен праяўляе спецыфічныя[9], у адрозненне ад іншых двухмерных сістэм[ru], электрафізічныя ўласцівасці. Пазней былі атрыманы аналагічныя двухмерныя крышталі крэмнію (сіліцэн[ru]), фосфару (фосфарэн[ru]), германію (германен[ru]).

За «перадавыя вопыты з двухмерным матэрыялам[ru] — графенам» А. К. Гейму і К. С. Навасёлаву была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2010 год[10][11]. У 2013 годзе Міхаіл Кацнельсон[ru] узнагароджаны прэміяй Спінозы[ru] за распрацоўку базавай канцэпцыі і паняццяў, якімі аперыруе навука ў галіне графена[12].

Уводзіны[правіць | правіць зыходнік]

Графен — першы вядомы сапраўды двухмерны крышталь[ru][13]. У адрозненне ад ранейшых спроб стварэння двухмерных праводзячых слаёў, напрыклад, двухмерны электронны газ[ru] (ДЭГ), з паўправаднікоў метадам кіравання шырынёй забароненай зоны[ru], электроны ў графене лакалізаваныя ў плоскасці значна мацней.

Разнастайнасць хімічных і фізічных уласцівасцей абумоўлена крышталічнай структурай і π-электронамі атамаў вугляроду, якія складаюць графен. Шырокае вывучэнне матэрыялу ва ўніверсітэтах і даследчых лабараторыях звязана, перш за ўсё, з даступнасцю і прастатой яго прыгатавання шляхам механічнага расшчаплення[ru] крышталёў графіту[13]. Матэрыялам, які праявіў свае ўнікальныя ўласцівасці: высокую праводнасць і цеплаправоднасць, трываласць[14], зацікавіліся не толькі навукоўцы, але і тэхнолагі, а таксама звязаныя з вытворчасцю працэсараў карпарацыі IBM[15], Samsung[16]. Прынцып работы транзістараў з графена[ru] істотна адрозніваецца ад прынцыпу работы традыцыйных палявых крэмніевых транзістараў, бо графен мае забароненую зону нулявой шырыні, і ток у графенавым канале цячэ пры любым прыкладзеным затворным[ru] напружанні, таму развіваюцца іншыя падыходы да стварэння транзістараў[17].

Якасць графена для транспартных вымярэнняў характарызуецца такім параметрам, як рухомасць[ru], які характарызуе сілу водгуку носьбітаў току на прыкладзенае электрычнае поле. Двухмерны электронны газ у паўправадніковых гетэраструктурах валодае рэкорднымі рухомасцямі пры тэмпературах ніжэй 1 K. Графен саступае ДЭГ у GaAs пры такіх нізкіх тэмпературах, але, паколькі электрон-фаноннае рассеянне ў графене намнога слабейшае, рухомасць дасягае 250 000 см2В−1с−1 пры пакаёвай тэмпературы[13]. Гэта рухомасць уяўляе сабою адзін з асноўных параметраў, неабходных для стварэння хуткадзейных высокачастотных транзістараў[17].

Унікальныя электронныя ўласцівасці графена праяўляюцца і ў оптыцы. У прыватнасці, графен дазваляе вокам «убачыць» пастаянную тонкай структуры α, параўноўваючы інтэнсіўнасць святла, якое прайшло скрозь закрытую графенам апертуру, і святла, якое прайшло свабодна. Каэфіцыент праходжання[ru] для графена ў вобласці бачнага святла добра апісваецца простай формулай T ≈ 1−πα ≈ 97,7 %[18]. Пастаянная тонкай структуры аказваецца звязана з велічынёй кванта супраціўлення[ru], якое вымяраецца ў квантавым эфекце Хола[ru]. У гэтым выпадку дакладнасць яе настолькі высокая, што дазваляе выкарыстоўваць графен для стварэння эталона супраціўлення, RK = h/e² = 25 812,807557(18) Ом[19]. Сувязь паміж графенам і пастаяннай тонкай структуры аказваецца нават глыбей, бо дынаміка электроннага газу ў графене вызначаецца рэлятывісцкім ураўненнем квантавай механікі — ураўненнем Дзірака, — і па сутнасці з’яўляецца цвердацельным аналагам (2+1)-мернай квантавай электрадынамікі. Некалькі аналагічных эфектаў, прадказаных для квантавай электрадынамікі, можна назіраць у графене[20].

Нягледзячы на моцнае ўзаемадзеянне святла з графенам[21], адшукаць[ru] асаджаныя плёнкі графена на падложцы крэмнію аказваецца складанай задачай. Існуюць найлепшыя таўшчыні аксіду крэмнію (90 нм, 290 нм для даўжынь хваль бачнага святла), якія даюць найбольшы кантраст, што істотна спрашчае пошук плёнак[22]. Хаця натрэніраваны чалавек дастаткова лёгка адрознівае манаслой графена ад двухслойнага графена па кантрасту, добрым доказам служыць таксама раманаўская спектраскапія[ru][23], якая выгадна адрозніваецца хуткасцю аналізу і адчувальнасцю да колькасці слаёў. Альтэрнатыўныя метады, такія як вызначэнне таўшчыні атамна-сілавым мікраскопам[ru] і ідэнтыфікацыя па квантаваму эфекту Хола патрабуюць значна большага часу[22].

Метады вырошчвання графена на вялікіх плошчах адрозніваюцца ад механічных метадаў аднароднасцю і чысцінёй працэсу. Газафазная эпітаксія вугляроду на медную фольгу (CVD-графен) дазваляе ствараць вельмі аднародныя полікрышталічныя плёнкі графена з памерамі парадку метраў[8]. Памер монакрышталёў графена складае сотні мікрон. Меншыя крышталіты атрымліваюцца пры тэрмічным раскладанні карбіду крэмнію.

Самы непрадукцыйны метад механічнага расшчаплення аказваецца найболей прыстасаваным для атрымання высокаякасных крышталёў графена, хоць CVD-графен па якасці прыбліжаецца да яго. Як механічны метад, так і вырошчванне на паверхні іншага матэрыялу валодаюць істотнымі недахопамі, сярод іншага, малою прадукцыйнасцю, таму тэхнолагі распрацоўваюць хімічныя метады атрымання графена з графіту для атрымання з монакрышталя графіту плёнкі, складзенай пераважна з графенавых слаёў, што істотна прасуне графен на рынку.

Дзякуючы моцным вугляродным кавалентным сувязям графен інертны ў адносінах да кіслот і шчолачаў пры пакаёвай тэмпературы. Аднак прысутнасць пэўных хімічных злучэнняў у атмасферы можа прыводзіць да легіравання графена, што знайшло прымяненне ў рэкордна адчувальных сэнсарах — дэтектарах асобных малекул[24]. Для хімічнай мадыфікацыі з утварэннем кавалентных сувязей графена патрэбны павышаныя тэмпературы і рэчывы з моцнай рэакцыйнай здольнасцю. Напрыклад, для стварэння гідрагенізаванага графена[ru] патрэбна наяўнасць пратонаў у плазме газавага разраду[25], для стварэння фтораграфена — моцнага фтарыруючага агента дыфтарыду ксенону[ru][26]. Абодва гэтыя матэрыялы паказалі дыэлектрычныя ўласцівасці, то-бок іх супраціўленне расце з паніжэннем тэмпературы. Гэта абумоўлена фарміраваннем забароненай зоны.

Колькасць публікацый, прысвечаных графену, расце год ад года, перавысіўшы 10000 у 2012 годзе[27]. Нягледзячы на тое, што трэць артыкулаў (доля ад агульнага ліку складае 34 %) публікуецца навуковымі ўстановамі і фірмамі з Еўропы, галоўнымі трымальнікамі патэнтаў (з прыблізна 14000 патэнтаў на ліпень 2014 года) выступаюць фірмы і ўніверсітэты Кітая (40 %), ЗША (23 %) і Паўднёвай Карэі (21 %), а еўрапейская доля складае 9 %[28]. Сярод фірм і ўніверсітэтаў Самсунг з’яўляецца лідарам па колькасці патэнтаў[29].

Гісторыя адкрыцця[правіць | правіць зыходнік]

Рыс. 1. Ідэальная крышталічная структура графена ўяўляе сабою гексаганальную крышталічную рашотку.

Графен з’яўляецца двухмерным крышталём, які складаецца з адзіночнага слоя атамаў вугляроду, сабраных у гексаганальную рашотку[ru]. Яго тэарэтычнае даследаванне пачалося задоўга да атрымання рэальных узораў матэрыялу, паколькі з графена можна сабраць трохмерны крышталь графіта. Графен з’яўляецца базай для пабудовы тэорыі гэтага крышталя. Графіт з’яўляецца паўметалам, і, як было паказана[30] ў 1947 годзе Ф. Уолесам, у зоннай структуры[ru] графена таксама адсутнічае забароненая зона, прычым у пунктах судакранання валентнай зоны[ru] і зоны праводнасці[ru] энергетычны спектр[ru] электронаў і дзірак лінейны як функцыя хвалевага вектара[ru]. Такога роду спектрам валодаюць бязмасавыя фатоны і ультрарэлятывісцкія часціцы, а таксама нейтрына. Таму кажуць, што эфектыўная маса[ru] электронаў і дзірак у графене паблізу пункта судакранання роўная нулю. Але тут трэба адзначыць, што, нягледзячы на падобнасць фатонаў і бязмасавых носьбітаў, у графена ёсць некалькі істотных адрозненняў, якія робяць носьбіты ў ім унікальнымі па сваёй фізічнай прыродзе, а іменна: электроны і дзіркі з’яўляюцца ферміёнамі, і яны зараджаныя. У цяперашні час аналагаў для гэтых бязмасавых зараджаных ферміёнаў сярод вядомых элементарных часціц няма.

Нягледзячы на такія спецыфічныя асаблівасці, да 2005 года[9] эксперыментальнага пацвярджэння гэтыя вывады не атрымалі, бо не ўдавалася атрымаць графен. Акрамя таго, яшчэ раней было тэарэтычна паказана, што свабодную ідэальную двухмерную плёнку атрымаць немагчыма з-за нестабільнасці адносна згортвання ці скручвання[31][32][33]. Цеплавыя флуктуацыі прыводзяць да плаўлення двухмернага крышталя пры любой канечнай тэмпературы.

Цікавасць да графена паявілася зноў пасля адкрыцця вугляродных нанатрубак, бо ўся першапачатковая тэорыя графена будавалася на простай модэлі разгортвання цыліндра нанатрубкі. Таму тэорыя для графена ў прымяненні да нанатрубак добра прапрацавана.

Спробы атрымання графена, прымацаванага да іншага матэрыялу, пачаліся з эксперыментаў, якія выкарыстоўвалі просты аловак, і працягнуліся з выкарыстаннем атамна-сілавога мікраскопа[ru][34] для механічнага выдалення слаёў графіту, але не дасягнулі поспеху. Выкарыстанне графіту з устаўленымі[ru] (інтэркаліраваны графіт — злучэнні, падобныя графітыду калію KC8)[31] у міжплоскасную прастору чужароднымі атамамі (выкарыстоўваецца для павелічэння адлегласці паміж суседнімі слаямі і іх расшчаплення) таксама не прывяло да выніку.

У 2004 годзе навукоўцамі Андрэем Геймам і Канстанцінам Навасёлавым з Манчэстэрскага ўніверсітэта была апублікаваная праца ў часопісе Science[4], дзе паведамлялася аб атрыманні графена на падкладцы акісленага крэмнію. Такім чынам, стабілізацыя двухмернай плёнкі дасягалася дзякуючы наяўнасці сувязі з тонкім слоем дыэлектрыка SiO2[ru] па аналогіі з тонкімі плёнкамі, вырашчанымі з дапамогай МПЭ[ru]. Упершыню былі вымераныя праводнасць, эфект Шубнікава — дэ Гааза[ru], эфект Хола для узораў, якія складаліся з плёнак вугляроду атамарнай таўшчыні.

Метад лушчэння з’яўляецца даволі простым і гібкім, бо дазваляе працаваць з усімі слаістымі крышталямі, то-бок тымі матэрыяламі, якія прадстаўляюцца як слабазвязаныя (у параўнанні з сіламі ў плоскасці) слаі двухмерных крышталёў. У наступнай працы[5] аўтары паказалі, што яго можна выкарыстоўваць для атрымання іншых двухмерных крышталёў: BN[ru], MoS2, NbSe2[ru], Bi2Sr2CaCu2Ox.

У 2011 годзе навукоўцы з Нацыянальнай радыёастранамічнай абсерваторыі абвясцілі, што ім, верагодна, удалося зарэгістраваць графен ў касмічнай прасторы (планетарныя туманнасці ў Магеланавых аблоках)[35].

Атрыманне[правіць | правіць зыходнік]

Рыс. 2. Слаі інтэркаліраванага графіту можна лёгка аддзяліць адзін ад аднаго[31]

Кавалачкі графена атрымліваюць пры механічным уздзеянні на высокаарыентаваны піралітычны графіт[ru] ці кіш-графіт[36]. Спачатку плоскія кускі графіту кладуць паміж ліпкімі стужкамі (скотч) і расшчапляюць раз за разам, ствараючы дастаткова тонкія слаі (сярод мноства атрыманых плёнак могуць трапляцца адна- і двухслойныя, якія і ўяўляюць цікавасць). Пасля адлушчэння скотч з тонкімі плёнкамі графіту прыціскаюць да падложкі акісленага крэмнію. Пры гэтым цяжка атрымаць плёнку вызначанага памеру і формы ў фіксаваных частках падложкі (гарызантальныя памеры плёнак складаюць звычайна каля 10 мкм)[5]. Знойдзеныя[ru] з дапамогай аптычнага мікраскопа слаба бачныя (пры таўшчыні дыэлектрыка 300 нм) плёнкі падрыхтоўваюць для вымярэнняў. Таўшчыню можна вызначыць з дапамогай атамна-сілавога мікраскопа (яна можа вар’іравацца ў граніцах 1 нм для графена) або выкарыстоўваючы камбінацыйнай рассеянне. Выкарыстоўваючы стандартную электронную літаграфію[ru] і рэактыўнае плазменнае траўленне, задаюць форму плёнкі для электрафізічных вымярэнняў.

Кавалачкі графена таксама можна прыгатаваць з графіту, выкарыстоўваючы хімічныя метады[37]. Спачатку мікракрышталі графіту падвяргаюцца дзеянню сумесі сернай і азотнай кіслот. Графіт акісляецца, і на краях узору паяўляюцца карбаксільныя групы[ru] графена. Іх ператвараюць у хларыды пры дапамозе тыянілхларыду[ru]. Затым пад дзеяннем октадэцыламіну[ru] ў растворах тэтрагідрафурану[ru], тэтрахлорметану[ru] і дыхлорэтану[ru] яны пераходзяць у графенавыя слаі таўшчынёй 0,54 нм. Гэты хімічны метад не адзіны, і, мяняючы арганічныя растваральнікі і хімікаты, можна атрымаць нанаметровыя слаі графіту[38].

Адзін з хімічных метадаў атрымання графена заснаваны на аднаўленні аксіду графіту[ru]. Першае ўпамінанне аб атрыманні шматкоў адноўленага аднаслойнага аксіду графіту (аксіду графена) было ўжо ў 1962 годзе[39].

Аднаўленнем аднаслойнай плёнкі аксіду графіту, напрыклад, у атмасферы гідразіну з наступным адпалам у сумесі аргон/вадарод, могуць быць атрыманы графенавыя плёнкі. Аднак якасць графена, атрыманага аднаўленнем аксіду графіту, ніжэй у параўнанні з графенам, атрыманым скотч-метадам з прычыны няпоўнага выдалення розных функцыянальных груп. Нанясенне плёнкі аксіду графіту на DVD-дыск і апрацоўка лазерам у DVD-дыскаводзе прывялі да атрымання на дыску плёнкі графена з высокай электраправоднасцю (1738 См) і ўдзельнай паверхняй 1520 м2[40][41].

У артыкулах[42][43] апісаны яшчэ адзін хімічны метад атрымання графена, убудаванага ў палімерную матрыцу.

Варта назваць яшчэ два метады: радыёчастотнае плазмахімічнае асаджэнне з газавай фазы[ru] (англ.: PECVD)[44] і вырошчванне пры высокім ціску і тэмпературы (англ.: HPHT)[45]. Апошні метад можна выкарыстоўваць для атрымання плёнак вялікай плошчы.

Калі крышталь піралітычнага графіту і падложку размясціць паміж электродамі, то, як паказана ў працы[46], можна дабіцца таго, што кавалачкі графіту з паверхні, сярод якіх могуць аказацца плёнкі атамарнай таўшчыні, пад дзеяннем электрычнага поля могуць перамяшчацца на падложку акісленага крэмнію. Для прадухілення прабою (паміж электродамі прыкладвалася напружанне ад 1 да 13 кВ) паміж электродамі таксама размяшчалі тонкую пласціну слюды.

Існуе таксама некалькі паведамленняў[6][7], прысвечаных атрыманню графена, вырашчанага на падложках карбіду крэмнію SiC(0001). Графітная плёнка фарміруецца пры тэрмічным раскладанні паверхні падложкі SiC, прычым якасць вырашчанай плёнкі залежыць ад таго, якая стабілізацыя ў крышталя: C-стабілізаваная ці Si-стабілізаваная паверхня — у першым выпадку якасць плёнак вышэй. Гэты метад атрымання графена значна бліжэй да прамысловай вытворчасці. У працах[47][48] тая ж група даследчыкаў паказала, што, нягледзячы на тое, што таўшчыня слоя графіту складае больш чым адзін манаслой, у праводнасці ўдзельнічае толькі адзін слой у непасрэднай блізкасці ад падложкі, бо на мяжы SiC-C з-за рознасці работ выхаду[ru] двух матэрыялаў утвараецца нескампенсаваны зарад. Уласцівасці такой плёнкі аказаліся эквівалентныя ўласцівасцям графена.

Дэфекты[правіць | правіць зыходнік]

Ідэальны графен складаецца выключна з шасцівугольных ячэек. Прысутнасць пяці- і сямівугольных ячэек будзе прыводзіць да рознага роду дэфектаў[ru].

Наяўнасць пяцівугольных ячэек прыводзіць да скручвання атамнай плоскасці ў конус. Структура з 12 такімі дэфектамі вядомая пад назвай фулерэн. Прысутнасць сямівугольных ячэек прыводзіць да ўтварэння седлападобных скрыўленняў атамнай плоскасці. Камбінацыя гэтых дэфектаў і нармальных ячэек можа прыводзіць да ўтварэння розных форм паверхні.

Магчымыя прымяненні[правіць | правіць зыходнік]

Лічыцца, што на аснове графена можна сканструяваць балістычны транзістар[ru]. У сакавіку 2006 года група даследчыкаў з тэхналагічнага інстытута штата Джорджыя заявіла, што імі быў атрыманы палявы транзістар на графене, а таксама квантава-інтэрферэнцыйны прыбор[49]. Даследчыкі мяркуюць, што дзякуючы іх дасягненням у скорым часе з’явіцца новы клас графенавай нанаэлектронікі з базавай таўшчынёй транзістараў да 10 нм. Гэты транзістар валодае вялікім токам уцечкі, то-бок нельга раздзяліць два станы з закрытым і адкрытым каналам.

Выкарыстоўваць напрамую графен пры стварэнні палявога транзістара без токаў уцечкі не ўяўляецца магчымым з-за адсутнасці забароненай зоны ў гэтым матэрыяле, бо нельга дабіцца істотнай розніцы ў супраціўленні пры любых прыкладзеных да затвора напружаннях, то-бок не атрымліваецца задаць два станы, прыдатныя для двайковай логікі: праводзячы і неправодзячы. Спачатку трэба неяк стварыць забароненую зону дастатковай шырыні пры рабочай тэмпературы, каб тэрмічна ўзбуджаныя носьбіты давалі малы ўклад у праводнасць. Адзін з магчымых спосабаў прапанаваны ў працы[3]. У гэтым артыкуле прапануецца стварыць тонкія палоскі графена з такой шырынёй, каб дзякуючы квантава-памернаму эфекту[ru] шырыня забароненай зоны была дастатковай для пераходу ў дыэлектрычны стан (закрыты стан) прыбора пры пакаёвай тэмпературы (28 мэВ адпавядае шырыні палоскі 20 нм). Дзякуючы высокай рухомасці (значна большай, чым рухомасць у крэмніі, які выкарыстоўваецца ў мікраэлектроніцы) 104 см²·В−1·с−1 хуткадзеянне такога транзістара будзе прыкметна вышэй. Нягледзячы на тое, што гэта прылада ўжо здольна працаваць як транзістар, затвор для яе яшчэ не створаны.

Іншая вобласць прымянення прапанавана ў артыкуле[50] і заключаецца ў выкарыстанні графена ў якасці вельмі адчувальнага датчыка[ru] для выяўлення асобных малекул хімічных рэчываў, далучаных да паверхні плёнкі. У гэтай працы даследаваліся такія рэчывы, як NH3, CO, H2O, NO2. Датчык памерам 1 × 1 мкм2 выкарыстоўваўся для дэтэктавання далучэння асобных малекул NO2 да графена. Прынцып дзеяння гэтага датчыка заключаецца ў тым, што розныя малекулы выступаюць донарамі[ru] і акцэптарамі[ru], што ў сваю чаргу вядзе да змены супраціўлення графена. У працы[51] тэарэтычна даследуецца ўплыў розных выкарыстаных у адзначаным вышэй эксперыменце прымесей на праводнасць графена. У працы[52] было паказана, што малекула NO2 з’яўляецца добрым акцэптарам дзякуючы сваім парамагнітным[ru] уласцівасцям, а дыямагнітная[ru] малекула N2O4 стварае ўзровень блізка да кропкі электранейтральнасці. У агульным выпадку прымесі, малекулы якіх маюць магнітны момант (няспараны электрон), валодаюць больш моцнымі легіруючымі ўласцівасцямі.

Яшчэ адна перспектыўная вобласць прымянення графена — яго выкарыстанне для вырабу электродаў у іаністарах[ru] (суперкандэнсатарах). Доследныя ўзоры іаністараў на графене маюць удзельную энергаёмістасць 32 Вт·г/кг, параўнальную з такой для свінцова-кіслотных[ru] акумулятараў (30—40 Вт·ч/кг)[53].

Нядаўна былі створаны новыя тыпы святлодыёдаў і фотадэтэктараў на аснове графена (LEC)[54][55].

У 2011 годзе ў часопісе Science была апублікавана праца[56], дзе на аснове графена прапаноўвалася схема двухмернага метаматэрыялу (можа быць запатрабаваны ў оптыцы і электроніцы).

Каробчатая графенавая нанаструктура (КГНС), якая прадстаўляе сабой мнагаслойную сістэму размешчаных уздоўж паверхні паралельных полых нанаканалаў з чатырохвугольным папярочным сячэннем, можа служыць асновай для стварэння звышадчувальных датчыкаў, высокаэфектыўных каталітычных ячэек, нанаканалаў для маніпуліравання-секвеніравання[ru] ДНК, высокаэфектыўных цеплаадводных паверхняў, акумулятараў з палепшанымі характарыстыкамі, нанамеханічных рэзанатараў[ru], каналаў памнажэння электронаў у прыборах эмісійнай нанаэлектронікі[en], сарбентаў[ru] вялікай ёмістасці для бяспечнага захоўвання вадароду[57].

Хімічныя ўласцівасці[правіць | правіць зыходнік]

Графен — адзіная форма вугляроду (ці суцэльнага матэрыялу), у якой кожны атам даступны для хімічнай рэакцыі з абодвух бакоў (дзякуючы двухмернай структуры). Атамы па краях графенавага ліста асабліва хімічна актыўныя. Сярод алатропных форм вугляроду графен мае самую вялікую долю гранічных атамаў. Дэфекты ў лісце павялічваюць яго хімічную актыўнасць[58]. Тэмпература ўступлення ў рэакцыю з кіслародам для базіснай плоскасці аднаслойнага графена не пераўзыходзіць 260 °C (530 K)[59]. Загараецца графен пры 350 °C (620 K)[60]. Звычайна графен мадыфікуюць кісларода- і азотазмяшчальнымі функцыянальнымі групамі[ru] і аналізуюць метадамі інфрачырвонай[ru] і рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі[en]. Аднак, устанаўленне структуры злучэння графена з кіслароднымі[61] і азотнымі[62] функцыянальнымі групамі патрабуе магчымасці кантролю гэтых структур.

Хімічныя прымяненні графена патрабуюць структурных ці хімічных няправільнасцей, бо ідэальна плоскі графен без дэфектаў хімічна інертны[63]. Іначай кажучы, словазлучэнне «добры графен» у хіміі і фізіцы мае розны сэнс.

У графене, размешчаным на падложцы з натрыева-кальцыева-сілікатнага шкла[ru] ў звычайных умовах (без падагрэву, змены ціску ці знешняга хімічнага ўздзеяння), спантанна ўзнікае ўстойлівае n-легіраванне (са шчыльнасцю электронаў 1,33×1013 эл/см2) цераз паверхневы перанос. У дыселенідзе медзі-індыю-галію[ru] (паўправадніку p-тыпу), размешчаным на такую ж падложку, n-легіраванне дасягае 2,11×1013 эл/см2.[64]

Розныя вытворныя графена, напрыклад, цыянаграфен і графенавая кіслата, могуць быць атрыманы шляхам хімічнага пераўтварэння фторграфена[en]. Цыянаграфен і графенавая кіслата валодаюць высокай ступенню функцыяналізацыі (~15 %), адкрытую забароненую зону і з’яўляюцца гідрафільнымі[ru], утвараючы ўстойлівыя калоіды ў вадзе.

Зноскі[правіць | правіць зыходнік]

  1. Bunch J. S. et. al. Electromechanical Resonators from Graphene Sheets Science 315, 490 (2007) DOI:10.1126/science.1136836
  2. Balandin A. A. cond-mat/0802.1367
  3. 3,0 3,1 Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40, 228 (2007) DOI:10.1016/j.physe.2007.06.020
  4. 4,0 4,1 Novoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666 (2004) DOI:10.1126/science.1102896
  5. 5,0 5,1 5,2 Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005) DOI:10.1073/pnas.0502848102
  6. 6,0 6,1 Rollings E. et. al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate J. Phys. Chem. Solids 67, 2172 (2006) DOI:10.1016/j.jpcs.2006.05.010
  7. 7,0 7,1 Hass J. et. al. Highly ordered graphene for two dimensional electronics Applied Physics Letters 89, 143106 (2006) DOI:10.1063/1.2358299
  8. 8,0 8,1 Bae, 2010
  9. 9,0 9,1 Novoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438, 197 (2005) DOI:10.1038/nature04233
  10. Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по физике
  11. The Nobel Prize in Physics 2010 (англ.) . NobelPrize.org. Архівавана з першакрыніцы 23 студзеня 2012. Праверана 8 студзеня 2011.
  12. Премию Спинозы вручили за графен
  13. 13,0 13,1 13,2 Novoselov et. al., 2004
  14. Cooper, 2012
  15. Lin Y., Valdes-Garcia A., Han S., Farmer D. B., Meric I., Sun Y., Wu Y., Dimitrakopoulos C., Grill A., Avouris P., Jenkins K. A. Wafer-Scale Graphene Integrated Circuit (англ.)  // Science. — 2011. — С. 1294—1297. — DOI:10.1126/science.1204428
  16. Yang H., Heo J., Park S., Song H. J., Seo D. H., Byun K., Kim P., Yoo I., Chung H., Kim K. Graphene Barristor, a Triode Device with a Gate-Controlled Schottky Barrier (англ.)  // Science. — 2012. — С. 1140—1143. — DOI:10.1126/science.1220527
  17. 17,0 17,1 Schwierz, 2010
  18. Katsnelson, 2012, с. 161—163
  19. Tzalenchuk A., Lara-Avila S., Kalaboukhov A., Paolillo S., Syväjärvi M., Yakimova R., Kazakova O., Janssen T. J. B. M., Fal'ko V., Kubatkin S. Towards a quantum resistance standard based on epitaxial graphene (англ.)  // Nature Nanotechnology. — 2010. — С. 186—189. — DOI:10.1038/nnano.2009.474arΧiv:0909.1220
  20. Gusynin, 2007
  21. Katsnelson, 2012
  22. 22,0 22,1 Novoselov et. al. Nature, 2005
  23. Malard, 2009
  24. Schedin F., Geim A. K., Morozov S. V., Hill E. W., Blake P., Katsnelson M. I. & Novoselov K. S. Обнаружение отдельных молекул газа адсорбированны на графене (англ.)  = Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene // Nature. — 2007. — С. 652—655. — DOI:10.1038/nmat1967arΧiv:cond-mat/0610809
  25. Elias, 2009
  26. Nair R. R. et. al. Фторографен: двумерный аналог тефлона (англ.)  = Fluorographene: A Two-Dimensional Counterpart of Teflon // Small. — 2010. — С. 2877—2884. — DOI:10.1002/smll.201001555arΧiv:1006.3016
  27. Ferrari_Nanoscale, 2015, с. 4613
  28. Ferrari_Nanoscale, 2015, с. 4614
  29. Ferrari_Nanoscale, 2015, с. 4615
  30. Wallace P. R. «The Band Theory of Graphite», Phys. Rev. 71, 622 (1947) DOI:10.1103/PhysRev.71.622
  31. 31,0 31,1 31,2 Shioyama H. Cleavage of graphite to graphene J. Mat. Sci. Lett. 20, 499—500 (2001)
  32. Peierls R., Helv. Phys. Acta 7, 81 (1934); Peierls R., Ann. I. H. Poincare 5, 177 (1935); Landau L. D., Phys. Z. Sowjetvunion 11, 26 (1937)
  33. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика — 2001.
  34. Zhang Y. et al. Fabrication and electric-field-dependent transport measurements of mesoscopic graphite devices Appl. Phys. Lett. 86, 073104 (2005) DOI:10.1063/1.1862334
  35. В Магеллановых облаках нашли следы графена
  36. Zhang Y., Tan Y., Stormer H. L., Kim P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene (англ.)  // Nature. — 2005. — Т. 438. — С. 201—204. — DOI:10.1038/nature04235arΧiv:cond-mat/0509355
  37. Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(24) pp 7720 — 7721; (Communication) DOI:10.1021/ja060680r
  38. Bunch J. S. et al. Coulomb Oscillations and Hall Effect in Quasi-2D Graphite Quantum Dots Nano Lett. 5, 287 (2005) DOI:10.1021/nl048111+
  39. Boehm’s 1961 isolation of graphene Архівавана 8 кастрычніка 2010 года.. Graphene Times (2009-12-07). Retrieved on 2010-12-10.
  40. Laser Scribing of High-Performance and Flexible Graphene-Based Electrochemical Capacitors. Sciencemag.org (16 сакавіка 2012). Архівавана з першакрыніцы 16 чэрвеня 2013. Праверана 2 мая 2013.
  41. Marcus, Jennifer Researchers develop graphene supercapacitor holding promise for portable electronics / UCLA Newsroom. Newsroom.ucla.edu (15 сакавіка 2012). Архівавана з першакрыніцы 16 чэрвеня 2013. Праверана 2 мая 2013.
  42. Stankovich S. et al. «Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate)», J. Mater. Chem. 16, 155 (2006) DOI:10.1039/b512799h
  43. Stankovich S. et al. «Graphene-based composite materials», Nature 442, 282 (2006) DOI:10.1038/nature04969
  44. Wang J. J. et al. Free-standing subnanometer graphite sheets. Appl. Phys. Lett. 85, 1265 (2004) DOI:10.1063/1.1782253
  45. Parvizi F., et al. Graphene Synthesis via the High Pressure — High Temperature Growth Process. Micro Nano Lett., 3, 29 (2008) DOI:10.1049/mnl:20070074 Препринт
  46. Sidorov A. N. et al., Electrostatic deposition of graphene. Nanotechnology 18, 135301 (2007) DOI:10.1088/0957-4484/18/13/135301
  47. Berger, C. et al. «Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene», Science 312, 1191 (2006) DOI:10.1126/science.1125925
  48. J. Hass et. al. Why Multilayer Graphene on 4H-SiC(000-1) Behaves Like a Single Sheet of Graphene. Phys. Rev. Lett. 100, 125504 (2008).
  49. Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite March 14, 2006 gtresearchnews.gatech.edu Link
  50. Schedin, 2007
  51. Hwang E. H. et al. Transport in chemically doped graphene in the presence of adsorbed molecules Phys. Rev. B 76, 195421 (2007) DOI:10.1103/PhysRevB.76.195421
  52. Wehling T. O. et al. Molecular Doping of Graphene. Nano Lett. 8, 173 (2008) DOI:10.1021/nl072364w
  53. S.R.C.Vivekchand; Chandra Sekhar Rout, K.S.Subrahmanyam, A.Govindaraj and C.N.R.Rao (2008). "Graphene-based electrochemical supercapacitors". J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences 120, January 2008: 9−13. http://www.ias.ac.in/chemsci/Pdf-Jan2008/9.pdf. 
  54. Piotr Matyba, Hisato Yamaguchi, Goki Eda, Manish Chhowalla, Ludvig Edman, Nathaniel D. Robinson Graphene and Mobile Ions: The Key to All-Plastic, Solution-Processed Light-Emitting Devices (англ.)  // Журнал ACS Nano. — American Chemical Society, 2010. — В. 4 (2). — С. 637—642. — DOI:10.1021/nn9018569
  55. Аня Грушина Светодиоды и фотодетекторы: тоньше, эффективнее, быстрее — благодаря графену // Наука и жизнь. — 2016. — № 9. — С. 14-19.
  56. Предложена схема двумерного метаматериала на основе графена
  57. R. V. Lapshin (2016). "STM observation of a box-shaped graphene nanostructure appeared after mechanical cleavage of pyrolytic graphite" (PDF). Applied Surface Science (Netherlands: Elsevier B. V.) 360: 451-460. doi:10.1016/j.apsusc.2015.09.222. ISSN 0169-4332. http://www.niifp.ru/staff/lapshin/index.htm#stm2016. 
  58. Denis, P. A.; Iribarne, F. (2013). "Comparative Study of Defect Reactivity in Graphene". Journal of Physical Chemistry C 117 (37): 19048–19055. doi:10.1021/jp4061945. 
  59. Yamada, Y.; Murota, K; Fujita, R; Kim, J (2014). "Subnanometer vacancy defects introduced on graphene by oxygen gas". Journal of the American Chemical Society 136 (6): 2232–2235. doi:10.1021/ja4117268. PMID 24460150. 
  60. Eftekhari, A.; Jafarkhani, P. (2013). "Curly Graphene with Specious Interlayers Displaying Superior Capacity for Hydrogen Storage". Journal of Physical Chemistry C 117 (48): 25845–25851. doi:10.1021/jp410044v. 
  61. Yamada, Y.; Yasuda, H.; Murota, K.; Nakamura, M.; Sodesawa, T.; Sato, S. (2013). "Analysis of heat-treated graphite oxide by X-ray photoelectron spectroscopy". Journal of Material Science 48 (23): 8171–8198. doi:10.1007/s10853-013-7630-0. Bibcode2013JMatS..48.8171Y. 
  62. Yamada, Y.; Kim, J.; Murota, K.; Matsuo, S.; Sato, S. (2014). "Nitrogen-containing graphene analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy". Carbon 70: 59–74. doi:10.1016/j.carbon.2013.12.061. 
  63. Eftekhari, A.; Garcia, H. (2017). "The Necessity of Structural Irregularities for the Chemical Applications of Graphene". Materials Today Chemistry 4: 1–16. doi:10.1016/j.mtchem.2017.02.003. 
  64. Dissanayake, D. M. N. M.; Ashraf, A.; Dwyer, D.; Kisslinger, K.; Zhang, L.; Pang, Y.; Efstathiadis, H.; Eisaman, M. D. (12 February 2016). "Spontaneous and strong multi-layer graphene n-doping on soda-lime glass and its application in graphene-semiconductor junctions". Scientific Reports 6: 21070. doi:10.1038/srep21070. PMID 26867673. Bibcode2016NatSR...621070D. 

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]