Fig. 1. Grafenul (partea de sus), format din atomi de carbon conectați sub formă de plasă de sârmă, este baza grafitului și fullerenelor. Grafitul (figura inferioară din stânga), cunoscut tuturor sub forma unei tije de creion, este un material fragil care poate fi imaginat ca un tort stratificat cu foi grafenice legate în mod liber. Atunci când grafenul este pliat într-un tub sau o sferă, se obțin fullerenii. Ele sunt împărțite în cilindrice, numite nanotuburi de carbon (în centru) și structuri de mingi de fotbal (din dreapta jos), uneori numite după bilele descoperitoare ale buckyballs. Cu toate acestea, există și alte forme de grafit
Popularitatea grafenului printre cercetători și ingineri crește din ce în ce mai mult pe zi, deoarece are un caracter neobișnuit. proprietatile electrice, mecanice si termice. Mulți experți prevăd, în viitorul apropiat, posibila înlocuire a tranzistorilor de siliciu cu grafeneni mai economici și cu acțiune rapidă (figura 2).
Fig. 2. Aplicarea grafenului ca tranzistor. Deoarece grafenul a fost primit pentru prima oară doar acum patru ani, este normal că în prezent nu există dispozitive de lucru bazate pe acesta, deși lista tehnologiilor promițătoare este destul de extinsă. Figura prezintă un exemplu de realizare posibilă a unui tranzistor cu un singur electron de grafen. În stânga este o diagramă a unui tranzistor constând dintr-o sursă de grafen și un canal de scurgere conectat de o insulă dintr-un material conductiv sau dintr-un punct cuantic. lățimea de aproximativ 100 nm. În partea dreaptă este un tranzistor de testare, a cărui imagine este mărită de 40.000 de ori. Insula tranzistorului este atât de mică încât poate să se potrivească doar unui electron la un moment dat. Dacă electronii noi se apropie de insulă, ei sunt aruncați de forța electrostatică. Orice electron din tunelul cuantic-mecanic sursă (există o probabilitate nonzero de trecere prin bariera energetică) pe insulă, după care "dispare", se scurge spre sursă. Tensiunea aplicată la al treilea electrod, - o poarta (nu este prezentată în microfotografia); - controlează intrarea și ieșirea electronului din insulă, înregistrându-se astfel o logică 0 (nici un electron de pe insulă) sau 1 (electroni pe insulă)
În ciuda faptului că peeling mecanic cu bandă adezivă permite să primiți straturi de grafen de înaltă calitate pentru cercetarea de bază, precum și o metodă de creștere grafen epitaxial poate oferi cea mai scurtă cale de a chips-uri electronice, chimisti încearcă să iasă din soluție grafen. În plus față de costul scăzut și productivitate ridicată, metoda se deschide calea spre mai multe tehnici chimice utilizate în mod obișnuit, care ar introduce straturi grafen sau nanostructuri în diverse le integra cu diverse materiale pentru a genera nanocompozitelor. Cu toate acestea, atunci când grafenul este obținut prin metode chimice, există unele dificultăți care trebuie depășite: în primul rând, este necesar să se realizeze o stratificare completă a grafitului plasat în soluție; în al doilea rând, pentru a vă asigura că grafenul decojit din soluție păstrează forma foii, mai degrabă decât plierea și lipirea împreună.
Primul grup de oameni de știință - de la Universitatea Stanford (California, SUA) și Institutul Beijing de Fizică (China) - pentru a introduce acid sulfuric și azotic între straturi de grafit (proces intercalare, a se vedea compusul grafit intercalare.), Și apoi se încălzește rapid proba până la 1000 ° C (Figura . 3a). Explozivarea prin evaporare a moleculelor intercalante produce "fulgi subțiri" (mai multe nanometri în grosime) care conțin multe straturi de grafen. Apoi, două substanțe au fost introduse chimic în spațiul dintre straturile de grafen - oleum și hidroxid de tetrabutilamoniu (GTBA) (Fig.3b). Soluția sonicată conținea foi de grafit și de grafen (Figura 3c). După aceasta, separarea grafenului s-a efectuat prin centrifugare (figura 3d).
Fig. 3. Folii de grafen cu punct de vedere chimic obținute din soluție. (a) Reprezentarea schematică a grafitului stratificat cu molecule de acid sulfuric încorporat în spațiul interplanar. (b) O imagine a grafitului intercalat cu molecule GTBA încorporate (sfere albastre). (c) tratarea grafitului plasat într-o soluție chimică cu ultrasunete pentru a forma foi de grafen. Nava prezintă o soluție în care foile de grafen sunt plasate după centrifugare. (d) O imagine a "scalelor" de grafen care măsoară câteva sute de nanometri, obținute prin microscopie de forță atomică. Din articolul în discuție, Xiaolin Li și colab. Folii de grafeni cu înaltă performanță și filme Langmuir-Blodgett
Fig. 4. Imagini de grafit și grafen, obținute prin microscopie electronică. (a) Grafitul utilizat pentru producerea de grafen. Scala este de 500 μm. (b) Precipitatul de grafit după centrifugare. Scala este de 25 μm. (c-g) Imaginile foilor de grafen obținute prin microscopie electronică de transmisie utilizând diferiți solvenți. Scara este de 500 nm. Din articolul discutat, Yenny Hernandez et al. Producție cu randament ridicat de grafen prin exfoliere în fază lichidă a grafitului
Succesul ambelor experimente se bazează pe găsirea intercalantelor potrivite și / sau a solvenților. Desigur, există alte tehnici pentru producerea de grafen, cum ar fi transformarea grafitului în oxid de grafit. Ei folosesc o abordare denumită "reducere de oxidare-delaminare", în timpul căreia planurile bazale ale grafitului sunt acoperite cu grupări funcționale oxigen legate covalent. Acest grafit oxidat devine hidrofil (sau pur și simplu îndrăgostit de umezeală) și poate fi ușor separat în foi grapene individuale sub influența ultrasunetelor în timp ce se află în soluție apoasă. Grafenul rezultat are caracteristici mecanice și optice remarcabile, dar conductivitatea sa electrică are mai multe ordine de mărime mai mică decât conductivitatea grafenului obținută prin metoda "Scotch" (a se vedea apendicele). În consecință, un astfel de grafen este puțin probabil să găsească aplicații în electronică.
După cum sa dovedit, grafenul, obținut ca urmare a celor două metode de mai sus, are o calitate superioară (conține mai puține defecte la nivelul rețelei) și, ca rezultat, are o conductivitate mai mare.
Foarte utilă a fost o altă realizare a cercetătorilor din California. care a raportat recent microscopie electronică cu rezoluție înaltă (până la rezoluția de 1A) cu energie electronică scăzută (80 kV) pentru observarea directă a atomilor individuali și a defectelor în grila de cristal grafenic. Oamenii de știință, pentru prima dată în lume, au reușit să obțină imagini ale structurii atomice a grafenului de înaltă definiție (Figura 5), pe care se poate vedea structura grilei de grafen.
Fig. 5. O imagine a rețelei cristaline a celei mai subțiri substanțe de pe Pământ. Lungimea scării este de 2A
Cercetătorii de la Universitatea Cornell au mers mai departe. Din foaia de grafen, au reușit să creeze o membrană cu o grosime de doar un atom de carbon și să o umfle ca un balon. O astfel de membrană sa dovedit a fi suficient de puternică pentru a rezista la presiunea gazului din mai multe atmosfere. Experimentul a constat în următoarele: Pe substratul de siliciu oxidat cu celule pre-gravate au fost plasate foi de grafen, care, datorită forțelor van der Waals, au fost atașate dens la suprafața siliciului (Fig.6a). Astfel, au fost construite micro-camere în care gazul ar putea fi reținut. După aceasta, oamenii de știință au creat o diferență de presiune în interiorul și în exteriorul camerei (Figura 6b). Folosind un microscop de forță atomică. măsurarea mărimii forței de deflecție în consolă cu acul se simte la scanarea membranei la o înălțime de numai câțiva nanometri de la suprafață, cercetătorii nu au reușit să observe gradul de membrane concavitate-convexitate (Fig. 6c-e) atunci când presiunea este modificată la câteva atmosfere.
Fig. 6. (a) Imaginea schematică a unei microcamere sigilate cu grafen. (b) Secțiunea transversală a unei microcamere cu o membrană bine fixată. (c) imaginea membranei convexe cu o scădere a presiunii exterioare în raport cu presiunea gazului din interiorul camerei. (d) Imaginea unei membrane concave, pe măsură ce crește presiunea externă. (e) Schimbați adâncimea deformării membranei cu timpul. Cea mai mică adâncime corespunde intervalului temporar de 71,3 ore, cel mai mare (175 nm) - 40 de minute de la începutul experimentului (adică după ce microcamera a fost îndepărtată din vid). Fig. din articolul discutat J. Scott Bunch și colab. Membrane Atomice impermeabile din foi de Grafen
Apoi, membrana a fost folosită ca un tambur miniatural pentru a măsura frecvența vibrațiilor sale cu o schimbare a presiunii. Sa constatat că heliul rămâne în microcameră chiar și la presiune ridicată. Cu toate acestea, deoarece grafenul utilizat în experiment nu era ideal (a avut defecte în structura cristalului), gazul trecea treptat prin membrană. În timpul întregului experiment, care a durat mai mult de 70 de ore, a existat o scădere constantă a tensiunii membranei (Figura 6e).
Creșterea rapidă a numărului de studii privind grafenul arată că acesta este într-adevăr un material foarte promițător pentru o gamă largă de aplicații, dar înainte de a le pune în aplicare, ar trebui construite multe teorii și ar trebui să se realizeze mai mult de o duzină de experimente.
ANEXA
Procesul de a face grafen în "condiții de casă"
Un fel de grafit și grafen sub microscop
?php include ($ _SERVER ["DOCUMENT_ROOT"]. "/ vstavki / blokvtext2.php"); ?>
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: