Графен - это название сотового листа атомов углерода. Это строительный блок для других графитовых материалов (поскольку типичный атом углерода имеет диаметр около 0,33 нанометров, в 1 мм графита имеется около 3 миллионов слоев графена).
Этот материал тверже, чем алмаз, но более эластичный, чем резина. Он жестче стали и легче алюминия.
Это можно представить так: если лист липкой пленки имеет ту же прочность, что и первичный монослой графена, то для её прокола потребуется сила, приложенная массой 2000 кг. Графен обладает и другими удивительными характеристиками: его высокая подвижность электронов в 100 раз быстрее, чем у кремния. Он проводит тепло в 2 раза лучше, чем алмаз. Его электропроводность в 13 раз лучше, чем у меди. Он поглощает только 2,3% отраженного света. Он настолько непроницаем, что даже самый маленький атом (гелий) не может пройти через монослой графена. Его площадь поверхности составляет 2630 квадратных метров на грамм, что означает , что менее чем 3 грамма достаточно для того, чтобы вы могли бы покрыть футбольное поле (ну, практически говоря вам нужно будет 6 граммов, так как 2630 м 2 / г это площадь поверхности для обеих сторон листа графена).
Графен является основным строительным блоком для других графитовых материалов. Он также представляет концептуально новый класс материалов толщиной всего в один атом, так называемые двумерные (2D) материалы (они называются 2D, потому что они простираются только в двух измерениях: длина и ширина. Поскольку материал представляет собой только один атом толщина, третье измерение, считается равным нулю).
Графен также очень привлекателен для изготовления героструктур со смешанными размерами, которые могут быть выполнены путем гибридизации графена с 0D квантовыми точками или наночастицами, 1D наноструктурами, такими как нанопроволоки или углеродные нанотрубки, или объемными материалами 3D.
Необычные характеристики графена объясняются 2p-орбиталями, которые образуют полосы π-состояний, которые, в свою очередь, делокализуются по слою углеродов и в итоге составляют графен.
Графен стал одним из наиболее перспективных наноматериалов, благодаря своей уникальной комбинации превосходных свойств: это не только один из самых тонких, но и самых прочных материалов. Он проводит тепло лучше, чем все другие материалы. Это отличный проводник электричества. Он оптически прозрачен, но при этом настолько плотен, что не пропускает газы - даже гелий, самый маленький атом газа, не может пройти через него.
Эти удивительные свойства и его многофункциональность делают графен пригодным для широкого спектра применений - от электроники до оптики, датчиков и биоустройств.
Исследования графена превратились в обширную область, в которой ежегодно публикуется около 10 000 научных статей по широкому кругу тем.
Открытие графена
Углерод присутствует в различных формах (так называемые аллотропы ), от графита, содержащегося в карандашах, до самых дорогих алмазов в мире. В 1980 году мы знали только о трех основных формах углерода, а именно: алмаз, графит и аморфный углерод. Затем были открыты фуллерены и углеродные нанотрубки, а в 2004 году их число увеличилось за счёт графена.
До того, как графен был впервые продемонстрирован Андреем Геймом и Константином Новоселовым, двумя физиками из Манчестерского университета, в 2004 году (за что они получили Нобелевскую премию в 2010 году) ученые утверждали, что строго двумерные кристаллические материалы были термодинамически нестабильными и не могли существовать.
Графен уже был теоретически изучен в 1947 году П.Р. Уоллесом в качестве учебного пособия для расчетов по физике твердого тела. Он предсказал электронную структуру и отметил линейное дисперсионное соотношение.
В своих первоначальных экспериментах Гейм и Новоселов извлекли графен из куска графита, который является составляющей частью обычных карандашей.Используя обычную клейкую ленту, им удалось получить чешуйки углерода толщиной всего в один атом. Это механическое отшелушивание является самым простым из способов приготовления и, на удивление, является методом, который сделал автономный графен реальностью.
Как изгототовливается графен
Качество графена играет решающую роль, поскольку наличие дефектов, примесей, зерен, множественных доменов, структурных нарушений, морщин в листе графена может отрицательно влиять на его электронные и оптические свойства.
В электронных приложениях основным является требование к образцам большого размера, что возможно только в случае процесса ХОПФ, но очень трудно получить высококачественные тонкие пленки монокристаллического графена, обладающие очень высокой электропроводимостью и теплопроводностью наряду с превосходной оптическая прозрачностью.
Другая проблема, имеет место быть при синтезе графена обычными методами. Она связана с использованием токсичных химических веществ, и эти методы обычно приводят к образованию опасных отходов и ядовитых газов. Таким образом, существует необходимость в разработке экологически чистых методов получения графена с использованием экологически безопасных подходов.
Методы изготовления графена должны также предусматривать изготовление на месте и интеграцию устройств на основе графена со сложной архитектурой, которая позволила бы исключить многоэтапные и трудоемкие методы изготовления при более низких производственных затратах.
В настоящее время наиболее распространенные методы, доступные для получения графена, включают микромеханическое расщепление, химическое осаждение из паровой фазы, эпитаксиальный рост на подложках SiC, химическое восстановление расслоенного оксида графена, расслоение жидкой фазы (LPE) графита и расстегивание молнии углероднщй нанотрубки.
Тем не менее, каждый из этих методов может иметь свои преимущества, а также ограничения в зависимости от его целевого приложения. Чтобы преодолеть эти барьеры в коммерциализации графена, исследователи из различных научно-исследовательских институтов, университетов и компаний со всего мира предпринимают согласованные усилия для разработки новых методов крупномасштабного производства недорогого и высококачественного графена с помощью простых и экологически чистых технологий.
Исследователям уже удалось изготовить большие монокристаллические графеновые плёнки длиной более фута, практически на любой плоской поверхности и это шаг к коммерциализации.
Тем не менее, следует учесть то, что глобальное производство графена, похоже, страдает от серьезных проблем с качеством и сейчас на рынке почти нет высококачественного графена.
-