Графен

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Атомна структура на графена

Графенът е единичен равнинен лист от sp²-свързани въглеродни атоми. Той е една от алотропните форми на въглерода,двумерен вариант на тримерния графит. Той се причислява към ароматните съединения, макар че не е съединение.

Описание[редактиране | edit source]

Идеалните графени се състоят изцяло от шестоъгълни клетки. Петоъгълните и седмоъгълните клетки представляват дефекти. Ако има една изолирана петоъгълна клетка, равнината се изкривява в конична форма. Вмъкването на 12 петоъгълника би довело до образуването на фулерен. По подобен начин, вмъкването на един изолиран седмоъгълник придава на листа седловидна форма. Управляваното добавяне на петоъгълници и седмоъгълници би позволило получаването на голямо разнообразие от форми.

Въглеродните нанотръби могат да се разглеждат като графенови цилиндри. Някои от тях имат полусферична графенова шапка (състояща се от 6 петоъгълника) на всеки край. Графените са привлекли и интереса на технолозите, които гледат на тях като на начин за конструиране на балистични транзистори. През март 2006 изследователи от Georgia Tech обявяват, че са изградили успешно изцяло графенов равнинен полеви транзистор и устройство за квантова интерференция.[1]

Докладът за технологията на IUPAC казва: „В миналото за понятието графен са използвани описания като графитни слоеве, въглеродни слоеве или въглеродни листове ... не е коректно да се използва за единичен слой понятие, което включва понятието графит, което би подсказало тримерна структура. Понятието графен би трябвало да се използва само когато се разглеждат реакциите, структурните отношения или други свойства на отделните слоеве.“

Пишейки в Сайънс[2], физикът Константин Новоселов и негови колеги от Манчестърския университет и Института за микроелектронна технология и материали с висока чистота в Черноголовка казват:

Графенът е името, дадено на единичен слой въглеродни атоми, свързани нагъсто в структура от бензенови пръстени, и широко се използва за описание на свойствата на много въглеродно-базирани материали, включително и графита, големите фулерени, нанотръбите и т.н. (напр. въглеродните нанотръби обикновено се смятат за графенови листи, навити в цилиндри с нанометричен размер). За самия равнинен графен се е смятало, че не може да съществува в свободно състояние, защото е нестабилен по отношение на образуването на огънати структури като сажди, фулерени и нанотръби.

Изследователите продължават, за да конструират графени чрез механична ексфолиация (многократно обелване) на малки напластявания от силно ориентиран пиролитичен графит. Мотивацията им е била изучаването на електрическите свойства на графена. Докладвани са мобилности от до 104 cm²V-1s-1. Тази стойност е почти независима от температурата. Освен това, при графена са установени свойства на квантовия ефект на Хол.

Подобни работи се извършват в Принстънския университет в лабораторията на професор Али Яздани от трима изследователи: Дан Кънсик, Джош Московиц и Патрик Хо. Много от резултатите, получени от групата на Новоселов в тяхната PNAS статия „Двумерни атомни кристали“[3] са потвърдени от работата на групата на Яздани.

Една международна изследователска група описва микроструктурата на графит с дебелина един атом в сп. Нейчър през 2007 г.[4]. Въпреки че теорията и експериментите подсказват, че идеални двумерни структури не могат да съществуват в свободно състояние, те показват, че дебели един атом мембрани от графит са възможни поради присъщото микроскопско огрубяване в мащаб 1 nm.

Свойства[редактиране | edit source]

  • Топлинна деформация
  • Еластичност
  • Електропроводимост
  • Оптически свойства
  • Механически свойства
    • Твърдост - Графенът е до 200 пъти по твърд от стоманата


Химическа модификация[редактиране | edit source]

Разтворими фрагменти от графен могат да се приготвят в лаборатория[5] чрез химическа модификация на графит. Първо микрокристален графит се обработва със силнокисела смес от сярна киселина и азотна киселина. Поредица от стъпки, включваща окисляване и ексфолиация завършва с малки графенови пластинки с карбоксилни групи по ръбовете си. Те се преобразуват в ацилхлоридни групи чрез обработване с тионилхлорид. После те се преобразуват в съответния графенов амид чрез обработка с октадециламин. Полученият материал (кръгови графенови слоеве с дебелина 5,3 ангстрьома) е разтворим в тетрахидрофуран, тетрахлорметан и дихлороетан.

Електронен транспорт[редактиране | edit source]

Електронният транспорт във физиката на кондензираната материя става по уравнението на Шрьодингер поради нерелативистичната си природа. Но в този аспект графенът е необикновен. Електроните ефективно се подчиняват на безмасовото релативистично уравнение на Дирак с различен коефициент (~106 m/s) на мястото на скоростта на светлината.[6]



Бъдещи приложения на материала[редактиране | edit source]

Поради уникалните си механически и химични свойства графенът се счита за един от бъдещите заместители на силиция в полупроводниковата промишленост.

Бележки[редактиране | edit source]

  1. Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite March 14, 2006 gtresearchnews.gatech.edu Link
  2. Novoselov, K.S. et al. "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science, Vol 306 (5696), p. 666-669, 2004 doi:10.1126/science.1102896
  3. Novoselov, K.S. et al. "Two-dimensional atomic crystals", PNAS, Vol 102 (30), p. 10451-10453, January 26, 2005 doi:10.1073/pnas.0502848102
  4. Nature 446, 60-63 (1 March 2007)doi:10.1038/nature05545
  5. 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
  6. Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene, Novoselov, K.S. et al, cond-mat/0509330, 2005
  7. http://sciencewatch.com/ana/st/graphene/09marSTGraEza/
  8. http://www.softsailor.com/news/1029-mit-researchers-develop-graphene-based-microchip-that-can-operate-at-1000ghz.html
  9. Johnson, R. Colin. Graphene holds the promise of 10-times faster speed than silicon chips. // www.eetimes.com, 2009-06-16. Посетен на 2009-06-18.

Вижте също[редактиране | edit source]

Външни препратки[редактиране | edit source]