Свойства графена
Электронные свойства
Одной из причин, почему исследователи нанотехнологий, работающие над молекулярной электроникой, так довольны графеном, являются его электронные свойства - это один из лучших электрических проводников на Земле. Уникальное расположение атомов углерода в графене позволяет его электронам легко перемещаться с чрезвычайно высокой скоростью без значительной вероятности рассеяния, сохраняя драгоценную энергию, которая обычно теряется в других проводниках.
Ученые обнаружили, что графен остается способным проводить электричество даже на пределе номинально нулевой концентрации носителей, потому что электроны, похоже, не замедляются и не локализуются. Электроны, движущиеся вокруг атомов углерода, взаимодействуют с периодическим потенциалом сотовой решетки графена, что приводит к появлению новых квазичастиц, которые потеряли свою массу или массу покоя (так называемые безмассовые дираковские фермионы ). Это означает, что графен никогда не прекращает проводить. Также было обнаружено, что они движутся намного быстрее, чем электроны в других полупроводниках.
Механические свойства
Впечатляющими механическими свойствами графена являются его жесткость, прочность и ударная вязкость. Это одна из причин, по которой графен выделяется как отдельный материал и как усиливающий агент в композитах. Они обусловлены стабильностью связей sp 2, которые образуют гексагональную решетку и противодействуют различным плоскостным деформациям.
Неподвижность
Усилие разрыва, полученное экспериментально и в результате моделирования, было практически одинаковым, а экспериментальная величина упругой жесткости второго порядка была равна 340 ± 50 Нм -1 . Это значение соответствует модулю 1,0 ± 0,1 ТПа, при условии эффективной толщины 0,335 нм.
Прочность
Бездефектный монослойный графен считается самым прочным из когда-либо испытуемых материалов с прочностью 42 Н · м -1 , что соответствует характеристической прочности 130 ГПа.
Вязкость
Вязкость разрушения, которая является свойством, очень важным для технических применений, является одним из наиболее важных механических свойств графена и была измерена как критический коэффициент интенсивности напряжений 4,0 ± 0,6 МПа.
Исследовательские группы по всему миру работают над созданием промышленно изготавливаемых графеновых листов, которые имеют высокую прочность и ударную вязкость во всех направлениях для различных применений, в качестве композитов на основе графена для транспортных средств, оптоэлектроники и нейронных имплантатов.
Недавним примером потребительского продукта, в котором используются механические свойства графена, является мотоциклетный шлем , разработанный итальянскими учёными.
Это первый в мире шлем из углеродного волокна, наполненный графеном, который использует тонкие, прочные и проводящие, гибкие и легкие характеристики материала, создавая шлем, который поглощает и рассеивает удар лучше, чем ваш обычный шлем. Он также рассеивает тепло более эффективно.
Другим примером является первый в мире графеновый велосипед. Обогащение углеродного волокна графеном позволяет изготавливать более легкие и тонкие трубки, которые прочнее обычного углерода. Благодаря усиленной графеновой раме, этот велосипед на 30% легче, но в два раза прочнее и сверхтверже.
Применение и использование графена
Аккумуляторы и солнечные батареи
Наноматериалы на основе графена имеют много перспективных применений в областях, связанных с энергетикой. Вот лишь некоторые недавние примеры: графен улучшает как энергетическую ёмкость, так и скорость зарядки аккумуляторов. Из активированного графена получаются превосходные суперконденсаторы для накопления энергии. Графеновые электроды могут привести к к созданию недорогих, легких и гибких солнечных элементов. Многофункциональные графеновые маты являются перспективными субстратами для каталитических систем.
Исследователи также обнаружили критическую и неожиданную связь между химической, структурной дефектностью графена в качестве основного материала для электродов и его способностью подавлять рост дендритов - ветвистых нитевидных отложений на электродах, которые могут проникать через барьер между двумя половинами батареи и могут привести к короткому замыканию, перегреву и возгоранию. Графед без дефетов может решить проблему дендритов литиё-металлических батарей.
В этих примерах освещены четыре основных области, связанных с энергетикой, где графен будет оказывать влияние: солнечные элементы, суперконденсаторы, графеновые батареи и катализ для топливных элементов.
Благодаря своим превосходным свойствам переноса электронов и чрезвычайно высокой подвижности носителей графен и другие однослойные материалы с прямой запрещенной зоной, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC) и черный фосфор, имеют большой потенциал для использования в отношении недорогих, гибких и высокоэффективных фотоэлектрических устройств. Они являются наиболее перспективными материалами для современных солнечных элементов.
Сенсорные приложения
Функционализированный графен имеет исключительные перспективы для биологических и химических сенсоров. Исследователи уже показали, что характерная двумерная структура оксида графена (GO) в сочетании с его сверхпроницаемостью для молекул воды приводит к созданию датчиков с беспрецедентной скоростью. Ученые установили, что химические пары изменяют спектры шума графеновых транзисторов, позволяя им проводить селективное определение газа для многих пар, с помощью одного устройства, изготовленного из чистого графена, причём не требуется функционализация поверхности графена. Весьма оригинальный подход заключается в том, чтобы связать пассивные беспроводные наносенсоры графена с биоматериалами, посредством биосорбции шелка, о чем свидетельствует татуировка наносенсора графена на зубах, контролирующая бактерии во рту.
Исследователи также начали работать с графеновой пеной - трехмерными структурами взаимосвязанных графеновых листов с чрезвычайно высокой проводимостью. Эти структуры очень перспективны в качестве газовых датчиков. Пена графена обнаруживает взрывчатые вещества, выбросы лучше, чем современные газовые датчики. И в качестве биосенсоров для выявления заболеваний. Например: «Нанотехнологический биосенсор для обнаружения биомаркеров при болезни Паркинсона.
Электроника приложений
Графен обладает уникальным сочетанием свойств, идеально подходящих для электроники следующего поколения, включая механическую гибкость, высокую электропроводность и химическую стабильность. Добавьте к этому струйную печать, и вы получите недорогой и масштабируемый способ использования этих свойств в реальных технологиях.
Транзисторы и память
Некоторые из наиболее многообещающих применений графена в электронике (в качестве транзисторов и межсоединений), детекторах (в качестве элементов датчиков) и в управлении температурой (в качестве боковых распределителей тепла). Первые графеновые полевые транзисторы (FET) - с нижним и верхним затворами - уже нашли своё применение. В то же время, чтобы любой транзистор был полезен для аналоговой связи или цифровых приложений, уровень электронного низкочастотного шума должен быть снижен до приемлемого уровня. Транзисторы на основе графена считаются потенциальными преемниками некоторых кремниевых компонентов, используемых в настоящее время. Из-за того, что электрон может двигаться быстрее через графен, чем через кремний, материал обладает потенциалом, позволяющим проводить вычисления в терагерцах.
В конечном наноразмерном транзисторе, названном баллистическим транзистором, электроны избегают столкновений, то есть происходит практически беспрепятственный поток тока. Баллистическая проводимость позволила бы невероятно быстро переключать устройства. Графен имеет потенциал для включения баллистических транзисторов при комнатной температуре.
Эксперименты продемонстрировали преимущества графена в качестве платформы для флэш-памяти, которая показывает потенциал, позволяющий превзойти производительность современной технологии флэш-памяти, используя внутренние свойства графена.