Привычные элементы в случае образования 2D-структур показывают принципиально новые свойства, многие из которых буквально феноменальные.
Не нужно думать, что единственный двумерный материал - это графен. Сегодня используются и исследуются множества материалов, способных образовывать плёнки, толщиной в один атом.
Однако, графен - это наиболее широко известный и часто упоминаемый плоский материал. Как он работает и откуда берется?
Графен интересен ещё и тем, что это аллотропная модификация углерода. Или, если простым языком - это углерод с определенным типом кристаллической решетки. Не так давно мы обсуждали на канале, что углерод является рекордсменом по количеству различный состояний. Тут вам и графит, и алмаз, и графен, и фуллерены. Углерод есть и в стали, и в том материале, из которого изготовлено наше с вами тело. Впечатляет столь широкое распространение и разнообразие модификаций.
Откуда берутся свойства графена
Среди феноменальных свойств у графена - высочайшая прочность (с учетом того, что это углеродная пластинка, толщиной в 1 атом), отличная электропроводность (в 100 раз лучше, чем у кремния в компьютерных чипах) и значительная теплопроводность.
Специфические свойства объясняются именно что двумерной структурой. Мы имеем дело с пластинками, имеющими практически бездефектную структуру. Вся модель прочности в материаловедении держится на том, что появившаяся трещина растёт по энергетически выгодному направлению. Но если структура практически идеальная, а из трёх направлений осталось два, то и трещине расти значительно сложнее 😁 Это простое приближенное объяснение высокой прочности графена. В каком-то смысле можно сравнивать графен с монокристаллом, который при этом ещё и пластичен.
Физические свойства тоже можно объяснить. Пользуясь стандартной моделью, мы можем утверждать, что электрический ток - это упорядоченное движение частиц. Если материал объемный, то такому движению мешает множество факторов. В случае материала линейного сокращается количество дефектов и внутренних факторов, способных влиять на движение частичек. Да и перемещаться/колебаться они будут в одной плоскости, что значительно упрощает процесс.
Очень условно это можно сравнить с распространением обычной волны. Есть такое понятие, как "внутренние волны". По сути дела - это волны, которые распространяются под водой. Даже без глубокого анализа вы наверняка понимаете, что такой волне гораздо сложнее распространяться, нежели волне на поверхности воды. Такая же история и с током. Тут ещё и добавляется скин-эффект. Вот и получается, что в плёнке току распространяться выгоднее. Такая же история с теплопроводностью.
В виду линейной структуры листы графена ещё и не нагреваются сами, поскольку проходящей энергии некуда деться, кроме как расходоваться на движение вперёд.
В последнее время для графена находят всё новые и новые применения, где он демонстрирует отличные показатели: сенсоры, чувствительные слои, внутренности чипов.
Но есть и важная проблема. Графен сложно получить.
Получение графена...скотчем...
Наибольший интерес обычно вызывает способ получения графена с помощью обычного скотча.
Действительно, взяли скотч, наклеили на графит и получили графен! Как всё просто...Но получаем мы таким образом не графен в виде листа, как кажется очень многим, а всего лишь чешуйки этого графена. Они представлены нескольким сгруппированными атомами, образовавшими такую странную линейную конструкцию. Для того, чтобы объединить эти чешуйки в целый лист, нужно использовать дополнительные ухищрения. Самый простой вариант - многократно (сильно многократно) повторять способ прилипания и одиночные чешуйки рано или поздно соединятся друг с другом. Это можно контролировать микроскопом.
Если чешуйки соединятся, то прочность такого соединения будет очень высокой. В дело вступают даже Ван-Дер-Ваальсовы силы. Об этом писали в Nature. Это ответ на популярный вопрос как при способе получения скотчем можно говорить о полноценном листовом материале. На практике таким методом, конечно же, не получают целые листы. Обычно это образцы 2 на 2 сантиметра.
В Telegram-канале проекта я размещал фотографию графена под микроскопом из неизвестного источника.
Кстати, с помощью скотча получается отщепленный графен. Весь графен классифицируют по типам получения. Есть ещё химический графен, эпитаксиальный графен на металлах или эпитаксиальный графен на SiC и графен на никеле или на меди.
Полученный графен можно разместить на полимерной пленке и получить невероятный полимерный материал с весьма интересными свойствами. Сама же пленка графена напоминает по поведению прочное покрывало, но не кусок доски.
Прочие способы получения графена
Химический графен получается в результате химического расслоения. Тут очень много подходов. Самый простой вариант - восстанавливать оксид графита с получением тончайшей пленки на поверхности, которая и будет графеном. Есть вариант расслоения графита с участием ПАВ.
Следующий метод - эпитаксиальный. На поверхности металлов или кремниевой подложке выращивается эпитаксиальная пленка, толщиной в один атом. Так и получается графен. При высоких температурах в присутствии какого-либо источника углерода в результате химического осаждения углерода из газовой фазы происходит насыщение металла. На поверхности формируется пленка.
Ну и следующий метод был известен даже раньше, чем популярная методика со скотчем и отщеплением. Это химическое осаждение из газовой фазы. Углеродосодержащий газ раскладывают на углерод и составляющие. При повышенных температурах атомы углерода из этого газа осаждаются на никелевую подложку. При ещё больших температурах они диффундируют в поверхность. Полученную конструкцию нагревают, а при охлаждении до комнатных температур происходит интереснейшее явление - атомы углерода выдавливаются на поверхность подложки и образуется тонкая графеновая пленка.
В смеси углеродсоащего газа, водорода и аргона при различных давлениях (от нескольких долей милиторра до атмосферного) при нагревании происходит разложение на углерод и составляющие при температурах ниже 400°С.
Далее, при повышении температуры атомы углерода осаждаются на никелевую подложку, начиная с 650°С. При температурах выше 800°С они начинают диффундировать в объём никеля. Нагрев останавливается при температурах 950-1000°С, и затем, при охлаждении образца до комнатной температуры кристаллическая решётка металла (вследствие термического сжатия) выдавливает атомы углерода на поверхность, где они формируют графитоподобную структуру, так как постоянная решётки никеля очень близка к постоянной решётке графита.
На этом список не заканчивается, но для обзорной статьи, я думаю, информации уже вполне достаточно.
🚧🚧🚧
⚡ Подпишитесь на Telegram моего проекта и читайте интересные эксклюзивные заметки!
✅ Подписывайтесь на канал в ДЗЕНе и обязательно возвращайтесь! Обновления выходят регулярно👀
👍 Ставьте лайк материалу, чтобы поддержать проект!