Что такое графен и где его применяют. Что такое графен и его применение

Что такое графен?

Слово "суперматериал" стало достаточно популярным в последнее время: керамический суперматериал, аэрогелевый суперматериал, эластомерный суперматериал. Но один суперматериал затмевает их всех, заработав своим изобретателям Нобелевскую премию, и определив предел научного ажиотажа и вдохновения. У него есть потенциал революционизации обработки информации, хранения энергии, и даже исследования космоса... но он пока ничего не достиг. Он называется графен, и это дедушка всех прорывов в области современного материаловедения. Графен обладает потенциалом одного из самых разрушительных одиночных изобретений всех времен - но почему?

Ученые говорили о графене большую часть последних ста лет, хоть и не всегда называя его этим именем. Идея была достаточно проста: а что если бы мы могли взять алмаз и нарезать его пластинками, толщиной в один атом? Это позволит сделать его так называемым двухмерным веществом, сделанным полностью из углерода, но обладающим такой гибкостью, которая никогда не будет доступна алмазу. У него не только невероятные физические свойства, которые вы можно получить от листового кристалла (он широко цитируется как самый прочный материал по отношению к весу), но он также обладает невероятно высокой электрической проводимостью. Учитывая атомарный размер, графен мог бы предоставить гораздо, гораздо более плотное расположение транзисторов в процессоре, например, и позволить индустрии электроники сделать огромные шаги вперед.

Исследования показали, что в то время, как нарезка алмаза может быть очень сложной, атомно-тонкий углерод крайне легко добывать в малых количествах. Кусочки графена даже получаются, когда школьники пишут чистым графитом на бумаге.

Однако, несмотря на некоторые храбрые попытки получить его на начальном уровне, пришлось ждать до 2004 года, когда, наконец, графен смогли создать достаточно быстро и большого размера, чтобы тот стал полезным. Техника основана на так называемом "снятии" слоев графена с образца при помощи "метода скотча", который заключается в приклеивании и срывании скотча с графита. С каждым отрыванием скотча, с графита снимается по несколько атомов. Английской команде впоследствии присудили Нобелевскую премию за выяснение того, как экономно создать субстанцию, которая, после премии, захватила все научно-исследовательские лаборатории.

Структура графена на молекулярном уровне.

Но волнение все еще сохранилось. Почему? Ну, потому что потенциал материала настолько велик, что его игнорировать просто невозможно.

Невероятные физические свойства графена практически умоляют применить его в разного рода сложных экспериментах. Если бы удалось из такого волокна соткать нить хотя бы в метр длиной, ученые полагают, ее прочность и гибкость были бы достаточно высоки, чтобы нить можно было бы использовать для лифта в космос. Этого кусочка хватило бы чтобы растянуть его от поверхности Земли до геостационарной орбиты. Эти научно-фантастические изобретения станут реальными если производство графена наладится на постоянной основе.

Графеновая вода, тест IBM.

Графен может быть революционным для самых разнообразных областей науки и техники. В биоинженерии ученые пытаются использовать невероятно малый размер графена, чтобы проникнуть в стенки клетки, вводя в нее молекулу, которую хотят ученые. Графен также может использоваться для создания ульра-тонких и анти-биотических водных фильтров для быстрой, простой фильтрации потенциально опасной питьевой воды. Он мог бы просто позволить строительство и дизайн при более маленьких масштабах, чем прежде, и совсем не удивительно, что дизайнеры и инженеры теряют голову, когда речь заходит об этом материале.

Однако, есть ограничения для практически идеальной полезности графена. Несмотря на его высокую проводимость, графен не обладает полезной маленькой "запрещенной зоной", которая нужна для многих приложений в мире электроники. Запрещенная зона вещества это разность потенциалов между проводящей и непроводящей полосой для электронов в этом веществе. А использование приложенного тока для движения электронов между этими состояниями является основой всех современных вычислительных систем. Без умения легко переключать графеновый транзистор между "вкл" и "выкл", регулируя протекающий через него ток, графеновый процессор будет первопроходцем-альтернативой стандартному цифровому исчислению.

Трисульфид титана является примером нового, вдохновленного графеном материала.

Проблема запрещенной зоны также ограничивает графен в усовершенствовании солнечной энергии. Низкое электрическое сопротивление графена может сделать технологии солнечных панелей в разы эффективней, но энергия, которая хранится в фотоне, слишком мала, чтобы активировать графеновый транзистор. Добавление разных загрязнителей в графен для повышения поглощающей способности было основным источником исследования, так как недостаток проводимости графена и его свойство быть запрессованным достаточно плотно, могут предоставить огромный прирост производства энергии, причем очень быстро. Впрочем, как и со всеми изобретениями, основанными на графене, чтобы убедиться с их работоспособности, надо подождать.

Слово "графен" очень часто взаимозаменяемо используется с понятием "карбоновые нанотрубки" или CNT. CNT - полностью соответствуют названию: это листы графена, свернутые в нано-трубки. Стенки трубки толщиной всего в один атом, но трубка более стабильна, и менее активно реагирует с другими веществами, чем простой листовой графен. Многие исследователи добились большего успеха, используя технологию CNT, но поскольку углеродные нанотрубки сделаны из графена, многие из наиболее перспективных применений по-прежнему сдерживаются основной неэффективностью производства.

Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения.

Уже давно решено, что графен изменит мир - единственный вопрос в том, будет это непосредственно, или косвенно. На самом деле, вывод графена на рынок, влияние графеновых технологий на мир - вот что имеется в виду. Но также легко представить, что множество конкретных, графеноподобных материалов с учетом специфики каждого конкретного применения, превзойдут сам графен. Все равно, даже если единственным достижением материала станет вдохновение нового поколения науки двумерных материалов, он будет иметь невероятно большое значение в формировании облика современной технологии.

По теме:

vido.com.ua

Что такое графен и где его применяют

Доброго времени суток, в данной статье вы узнаете, что такое графен, откуда он взялся и где его используют.

Многие люди даже и не ведают, что несколько лет назад был открыт материал на столько мал по размерам и превышающий все характеристики нынешних материалов в ассоциации графен как тот муравей, который может выдерживать массу в 4 раза больше своего тела.

Не давно учёные компании Samsung открыли недорогой способ массового производства графена. Многие скажут, а что такое этот ваш графен. В данной статье вы и узнаете, что такое графен и почему его называют материалом будущего.

Что такое графен

И так что же такое графен, узнаем из термина ниже:

Графен — это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом.

Графен открыли два русских учёных в 2004 году, Андреем Геймом и Константином Новосёловым. Не получив должного финансирования от своей страны, они уехали работать в Нидерланды и Великобританию. За открытие графена русские учёные получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

У графена есть множества свойств которые прославят его в будущем. Но мы перечислим не все, а те которые представляют максимальный интерес и уже доказали своё превосходство над другими материалами.

Механические свойства графена

Прочность графена не сравнима ни с какими материалами виданными до него. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Параллельно этому благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что в будущем позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур.

При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату. Также в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений.

Применение графена в электронике

Также графен обладает не заменимым свойством для электрических приборов, очень высокой проводимостью электричества и тепла. В сочетании с его гибкостью и полной оптической прозрачности. Учёными был уже создан экспериментальный прототип солнечной батареи, в которых графен используется в качестве замены сравнительно дорогого селенида индия. В сравнении с селенидом индия, графеновые батареи выдают в разы больше энергии.

Ещё одно возможное применение графена, является создание гибкой электроники и конкретно гибких дисплеев. На данном этапе развития в экранах, как жидкокристаллических, так и OLED, в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, который является дороже графена и при этом хрупок. По всем своим характеристикам графен обходит оксид индия-олова, что делают его идеальным кандидатом на замену. Если графен пустить в массы, то это даст хороший стимул развитию носимой электроники, и позволит увеличить как прочность так и габариты различных чипов и много другого оборудования.

Графен является перспективным материалом для создания полевых транзисторов, что даёт возможность на миниатюризацию электроники. Транзисторы на основе графена, можно сделать очень небольшими и без потери полезных свойств. Компания IBM уже объявила о создании интегральных схем на основе графеновых транзисторов, которые к тому же способны бесперебойно работать при температурах до 128 градусов Цельсия.

Применение графена в фильтрационных технологиях

Графеновая плёнка, является отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, в будущем это поможет снизить стоимость опреснения морской воды. Компания Lockheed Martin представила графеновый фильтр для воды под названием Perforene, которые, по утверждению производителя, на 99% снижает энергетические затраты на опреснение.

Интересное спонсирование графена

Благотворительность фонда Билла и Мелинды Гейтс выделил грант в размере 100 тысяч долларов, вы ни когда не угадаете на что, на «разработку новых композитных эластичных материалов для презервативов, включающих наноматериалы типа графена».

О графене, материале будущего / графен

Будучи формой углерода, он способен передавать электричество и тепло лучше, чем все остальное. И он не только самый твердый, но и лучше всего поддается обработке. Его толщина — один атом. Графен может изменить электронную промышленность, сделать возможным создание гибких цифровых устройств и квантовых компьютеров, электронной одежды и микрокомпьютеров, которые смогут целиком помещаться в одной клетке человеческого тела.

Хотя материал был создан около десяти лет назад, он привлек внимание широкой публики лишь в 2010 году, когда его создатели, физики Манчестерского университета, получили Нобелевскую премию.

В 2012 году Американское химическое общество сообщило, что графен в 200 раз прочнее стали и так легок, что его нужно чуть больше грамма, чтобы покрыть футбольное поле. Китайские ученые создали графеновый аэрогель, вес которого составляет одну седьмую веса воздуха. Кубический дюйм такого материала можно прикрепить к вершине травинки, которая не согнется под ним.

Аравинд Виджаяраванпрофессор Манчестерского университета

Графен один из немногих материалов, являющихся одновременно прозрачным, гибким и электропроводящим - все эти свойства очень редко можно найти в одном материале.

Итак, что можно сделать с помощью графена?

Физики говорят, что мы скоро сможем делать электронику, которая будет быстрее, легче и тоньше, чем что-либо созданное на кремниевой основе. Еще одна возможность — долговечные батареи, которые будут работать даже в воде.

Графеновые транзисторы, закрепленные на кусочке прозрачного пластика. Графен не только самый прочный материал в мире, но и самый податливый.

В 2011 году научные сотрудники Северо-Западного университета Бостона создали комбинированную батарею на основе графена и кремния. По их словам, она заряжается за 15 минут и работает более недели. В сообщении Американского химического общества от 2012 года говорится, что достижения в работе с графеном приведут к созданию мобильных телефонов, тонких как лист бумаги.

Доктор Виджаяраван строит на основе графена датчики газа, света и наличия жизни гораздо меньших размеров, чем это было возможно до сих пор. Меньше двух недель назад исследователи из Института продвинутых технологий Samsung при Университете Сонгюнгван заявили, что в Samsung уже разработали технологию создания графеновых транзисторов. Это означает, что Samsung готов к производству гибких дисплеев для электроники следующего поколения, говорится в их заявлении.

Журналист Extreme Tech Себастьян Энтони утверждает, что это может означать прорыв в промышленном применении графена. Samsung не единственная компания, ведущая исследования в этой области. В IBM, Nokia и SanDisk тоже экспериментируют с материалом для создания транзисторов, датчиков и устройств хранения данных.

Профессор Колумбийского университета Джеймс Хон говорит, что его лабораторные исследования доказали, что графен может растягиваться на 20%, сохраняя свою электропроводность. «Знаете, что еще может растягиваться на 20%? Резина», - поясняет он. - «Для сравнения, основа современной микроэлектроники, кремний, может растягиваться только на 1% до появления трещин».

Ко всему этому, графен еще и дешев. Если вы приведете пример чего-то современного из области электроники, скорее всего, это можно улучшить при помощи графена.

В 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли сделали аудиоколонки, которые передавали звук с качеством наушников Sennheiser и были гораздо меньше. Графен не окисляется, будучи погруженным в жидкость, в отличие от других проводников. Благодаря этому устройства из графена могут имплантироваться в живые организмы.

Другими словами, когда вы купите гаджет, имплантирующийся в вас и следящий за состоянием здоровья, он будет сделан из графена. Есть и другие сферы для его применения. В 2013 году Фонд Билла и Мелинды Гейтс заплатил за разработку презерватива на графеновой основе — тонкого, легкого и непроницаемого.

Автопроизводители изучают возможности создания кузовов из графена, которые будут не только сверхпрочными, но и работать как солнечные батареи. Авиакомпании занимаются такими же разработками. Ко всему прочему, международная команда ученых в Массачусетском технологическом институте уже изучает возможности графена в строительстве квантовых компьютеров, которые будут превосходить традиционную кремниевую архитектуру так же, как интегральные микросхемы в свое время превзошли классические транзисторы.

www.qwrt.ru

Графен и его свойства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Славянский Педагогический Государственный университет

КАФЕДРА ФИЗИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По теме: Графен и его свойства. Нобелевская премия 2010 года по физике

Выполнила

студентка 3-го курса,

физико-математического факультета , группа 3

Щербина И.Л.

Преподаватель

Костиков А.П

Славянск 2011г.

Содержание

1. История открытия

2. Получение

3. Дефекты

4. Возможные применения

5. Физика

5.1 Теория

5.1.1 Кристаллическая структура

5.1.2 Зонная структура

5.1.3 Линейный закон дисперсии

5.1.4 Эффективная масса

5.1.5 Хиральность и парадокс Клейна

5.2 Эксперимент

5.2.1 Проводимость

5.2.2 Квантовый эффект Холла

6. Интересные факты

Литература

1. История открытия

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристаллграфита.

Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит являетсяполуметаллом. Как было показано в1947 годуП. Воллесом, взонной структуреграфена также отсутствуетзапрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны, изоны проводимостиэнергетический спектрэлектронов идыроклинеен, как функцияволнового вектора. Такого рода спектром, обладают безмассовыефотоныи ультрарелятивистские частицы, а такженейтрино. Поэтому говорят, что эффективная массаэлектронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являютсяфермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытияуглеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простойкарандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит)в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science , где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрикаSiO2по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощьюМПЭ. Впервые были измереныпроводимость,эффект Шубникова— де Гааза,эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов:BN,MoS2,NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

2. Получение

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графитиликиш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм).Найденныес помощью оптического микроскопа, (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена) или, используякомбинационное рассеяние. Используя стандартнуюэлектронную литографиюиреактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смесисернойисолянойкислот. Графит окисляется и на краях образца появляютсякарбоксильные группыграфена. Их превращают в хлориды при помощитионилхлорида. Затем под действиемоктадециламинав растворахтетрагидрофурана,тетрахлорметанаидихлорэтанаони переходят в графеновые слои толщиной 0,54нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

В статьях описан ещё один химический метод получения графена, встроенного вполимернуюматрицу. Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD ), рост при высоком давлении и температуре (англ.HPHT ) . Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластинуслюды.

Существует также несколько сообщений, посвящённых получению графена, выращенного на подложкахкарбида кремнияSiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла:C - стабилизированная или Si - стабилизированная поверхность — в первом случае качество плёнок выше. В работах та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC- C из-за разностиработ выходадвух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

3. Дефекты

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного родадефектам.

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названиемфуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

4. Возможные применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был полученполевой транзисторна графене, а такжеквантово-интерференционныйприбор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщинойтранзисторовдо 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при созданииполевого транзисторабез токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть, не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерномуэффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем вкремнии, используемом вмикроэлектронике) 104см²·В−1·с−1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения предложена в статьеи заключается в использовании графена в качестве очень чувствительногосенсорадля обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, какNh4,CO,h3O,NO2. Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать какдонорыиакцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работетеоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. В работебыло показано, что NO2молекула является хорошим акцептором из-за своихпарамагнитныхсвойств, адиамагнитнаямолекула N2O4создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеютмагнитный момент(неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

mirznanii.com

Что такое графен? История открытия, применение, фото графена. Графен—материал будущего. Графеновый источник бесконечной энергии. | iScience.ru

С помощью нанотехнологий ученым удалось изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.

Что же такое графен с научной точки зрения? Графен—это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Простыми словами, этот новейший материал с уникальными свойствами, многие связывают с ним будущее всей электронной индустрии. Он прочнее стали, гибок, обладает высокой электропроводимостью, теплопроводимостью, его температура плавления находится выше 3000 грудусов, он непроницаем для большинства газов и жидкостей, при этом состоит всего из одного слоя атомов углерода.

История открытия

Первые свойства графена были упомянуты в 1947 году и имели аналогичную металлам структуру. Но только в 2004 году русскими учёными Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество и стало гениальным открытием исследователей, за которое они были удостоены Нобелевской премии. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена.

Устройство

Основными методами новейшего наноматериала являются следующие способы:

Химическое перофазное охлаждение или CVD-процесс;
Эпитаксиальный рост в вакууме;
Механическая эксфолиация.

Самым легкодоступным из этих трёх способов является третий и осуществляется следующим образом:

Специальный графит наносится на клейкую поверхность изоляционной ленты;
Затем производится отделение необходимого материала, при этом нужно сгибать и разгибать основу.

При применении эпитаксильного метода:

Используют тонкие кремниевые пластины, у которых поверхностный слой состоит из кабрида кремния;
Дальше данный материал нагревают при высокой температуре 1000 градусов;
Вследствие химической реакции осуществляется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остаётся графен в чистом виде.

Наиболее простым и надёжным способом, который применяется для массового производства графена, является CVD-процесс. Данный метод представляет собой способ, при котором протекает химическая реакция между углеводородными газами и металлическим покрытием-катализатором.

Применение Графена

При механическом отслаивании графен применяется для исследований;
При химическом отслаивании графена и оксида графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоёв.
При методе CVD графен применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоёв.
Для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и других устройств.

Почему графен с уверенностью можно назвать материалом будущего? Ответ очевиден. Он обладает рядом свойств, делающих его практически универсальным и применимым в совершено любой сфере производства. На сегодняшний день на исследование свойств не до конца изведанного материала выделено около десяти миллиардов долларов на десять лет. Но даже уже сейчас поступают гениальные идеи по разработке вещей, в состав которых входит графен и которые дадут мощный толчок в развитии человечества.

Графеновая куртка спасёт от жары и холода

Совсем недавно фирма Fast Company выпустила первую в мире куртку с применением графена, который ранее для этих целей практически не использовался. Причем инновационный материал в данном случае применяется не только ради того, чтобы выделиться на фоне конкурентов, но и для согревания, охлаждения пользователя и некоторых других полезных свойств в зависимости от ситуации.

Графен в «куртке будущего» располагается «с двух сторон». С внешней стороны размещены графеновые мембраны, а подкладка создана на основе специальных трубок. Подобная конструкция позволяет отводить тепло в жаркую погоду, согревать в холода, а также уничтожать болезнетворные бактерии. При этом сама одежда получилась очень тонкой и легкой, а также крайне прочной и способной выдержать огромную нагрузку. Сама куртка окрашена в серый цвет, а изнутри покрыта слоем черного нейлона.

Обои предупредят о пожаре

Разработка огнеупорных неорганических обоев с применением графена привела многих в восторг. В состав таких обоев входят нити гидроксиапатита и особые термодатчики. Именно они и предупреждают о возникшем пожаре. Время отклика таких датчиков составляет всего 2 секунды, и сохраняют работоспособность они более 5 минут, а это очень и очень хороший результат.

Графеновый фильтр, способный очистить даже морскую воду

Австралийская команда ученых представила дешевый метод фильтрации воды (даже морской) на основе одной из разновидностей графена — материала, получившего название GraphAir.

В отличие от обычного графена, который получают в результате энергоемкого химического процесса, GraphAir изготавливается из соевого масла, недорогого и возобновляемого материала, из которого ученые могут получать тонкие графеновые пленки. Эта «соевая графеновая пленка» имеет микроскопические наноканалы. В ходе очистки жидкость проходит через них и очищается от загрязнений. Ученые сообщают, что их материал способен на 100 процентов отфильтровывать содержащиеся в жидкости соли, а также другие загрязнения бытового происхождения.

Конечно же графеновые аккумуляторы, которые зарядят ваш телефон за 5 минут.

Как заявляет один из сотрудников Elecjet Уэйд Лам,

«Ключевой особенностью проекта является аккумуляторная батарея на основе графена, производимая нашим партнером CellsX, который уже 13 лет специализируется на производстве композитных батарей на основе графена. Графен обеспечивает сверхбыструю зарядку ваших устройств. Аккумулятор может полностью зарядить ваш девайс, пока вы пьете кофе, кроме того, у вас в кармане также всегда будет находиться розетка для ноутбука».

А как же без них?

После всех вышеперечисленных достоинств полезнейшего графена можно подумать, что недостатки на его фоне могут показаться незначительными. И это именно так. Рассмотрим:

На данный момент трудно получать графен большой площади в промышненных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удаётся получить лишь его небольшие по размерам листы.
Промышленный графен по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удаётся, несмотря на совершенствование технологий.
Производство требует больших затрат, что ограничивает его применение.

Все эти трудности, вероятней всего, преодолимы в дальнейшем.

iscience.ru

Что такое Графен?

Графен обладает многими невероятными свойствами. Это самый тонкий и прочный материал, известный человеку. Это превосходный тепло и электро проводник, даже лучший чем бриллианты, медь и серебро. Он сверхлегкий, но в то же время в 200 раз прочнее стали, и, кроме того, он биологически разлагаем, поэтому не представляет угрозы для окружающей среды.

Вы подумаете, что с такими впечатляющими свойствами графен должен быть очень сложным и специфическим материалом. Это отчасти верно; но в то же время как графен достаточно трудно производить в больших масштабах, он уже есть в вашем доме.

Как вы уже догадались из названия, этот материал происходит из графита, того самого, который находится внутри обычных чертежных карандашей. Когда вы пишете, чешуйки графита толщиной в несколько слоев прилипают к бумаге, но истинный графен более тонкий. Какую толщину имеет самый тонкий материал в мире? Один атом! Это настолько тонко, что можно считать этот материал двумерным в виду того что он практически не имеет толщины, только ширину и длину. Поэтому он производится в аккуратных тончайших листах. Таким образом, графен представляет собой гексагональную решетку атомов углерода толщиной в один атом. Вы можете самостоятельно создать его, удалив лишний слой графита из бумаги с помощью липкой ленты, сложив ленту и снова развернув её, чтобы отделить пласты углерода друг от друга.

Именно так его открыли в 2004 году ученые сэр Андрей Гейм (Andre Geim) сэр Константин Новоселов, которые впоследствии получили Нобелевскую премию по физикеза свои открытия, а также звания рыцаря-бакалавра указом королевы Елизаветы II.

Когда графен был обнаружен, это был шок для многих учёных, которые не верили, что один слой углерода может быть стабильным, особенно при комнатной температуре. Тем не менее, он не только был стабильным, он проводил электроны быстрее, чем любое другое вещество при комнатной температуре, учитывая идеальное, высокое качество его решётки. Отсутствие дефектов в структуре решётки означает отсутствие рассеянных электронов, что приводит к очень сильной, но гибкой связи. Манипулирование этими электронами также означает, что графен может быть преобразован в магнит толщиной в один атом-потенциально увеличивая хранение данных в миллион раз.

Где ещё может применяться графен? Список длинный и очень интересный.

Графен может выдерживать нагрузку 5 тонн и более без разрушения. Он прочнее алмаза, хотя алмаз и графен не слишком далеки друг от друга. Оба они состоят из углерода, который может стать только двумя естественными кристаллами — графитом или алмазом. Но алмаз не такой стабильный, как графен. Прочность графена может привести к созданию гибких небъющихся экранов телефонов, лучших пуленепробиваемых жилетов и более прочных городских строений. Предполагается, что графен станет будущим строительным материалом для космических кораблей, автомобилей, поездов, самолетов и даже лифтов, поднимающихся в космос.

Компания Samsung уже работает над внедрением графена в свои батареи с помощью графеновых шариков. В результате электрическая емкость увеличилась на 45%, а скорость зарядки — в пять раз. Полная зарядка такой батареи для телефона Samsung занимает 12 минут. Батарея также очень стабильна к перепадам температур. 20 минут зарядки подобного графенового аккумулятора дадут вам 600 км езды на электромобиле.

Электронное хранилище из графена обеспечит более эффективные солнечные элементы, которые смогут работать даже когда идет дождь.

Слои графена непроницаемы. Смешивание его с такими материалами, как резина или пластмасса, могут сделать их воздухонепроницаемыми, что обеспечивает более безопасные корабли и пищу, которая может сохраняться намного дольше.

Графеновые оксидные мембраны позволяют получить более дешевую воду для засушливых бедных районов мира. В то время как современные процессы опреснения воды являются дорогостоящими и используют много энергии, применение графена, как показали эксперименты, дало сокращение энергопотребления на 46%, что делает опресненную воду намного более доступной. Есть некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть в отношении оксида графена и его проницаемости для соли, но прогресс в этой области является многообещающим.

Другие потенциальные сферы применения графена включают фильтрацию ядерных отходов, использование в суперкомпьютерах, а также создание лучших медицинских сканеров, транзисторов и секвенсоров ДНК. Внедряя графен непосредственно в наши клетки, врачи могли контролировать наше тело изнутри с помощью наноботов. Предполагается, что биоприложения графена станут реальностью к 2030 году.

Так почему же мы до сих пор не видим его повсюду?

Недостаток графена состоит в том, что его очень сложно производить. До сих пор учёным удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах, самым крупным из которых был лист размером с кредитную карту. До недавнего времени мы даже не могли изготовить его за пределами лаборатории.

Для того чтобы произвести лист графена размером с кредитную карточку, масло сои было нагрето до 800 градусов Цельсия на листе фольги никеля, что заставило углерод упорядочиться в тонкую пластину графена. Но это все равно пока остается проблемой масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако, эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была в прошлые годы. Сферы применения этого материала и получаемая выгода слишком огромны, чтобы не продолжать исследования.

Перевод: Сергей Базанов

www.20khvylyn.com

Тот самый графен: топ-5 применений "материала будущего"

Не так давно компания Samsung объявила о том, что ее ученые открыли недорогой способ массового производства графена. Но что такое графен, где он пригодится и почему его принято называть «материалом будущего»? Попробуем еще раз ответить на эти вопросы.

Графен — это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединенные в гексагональную кристаллическую решетку атомы образуют слой толщиной в один атом.

Графен был открыт в 2004 году двумя выходцами из России — Андреем Геймом и Константином Новоселовым — которые, как это часто бывает, не смогли реализовать свой научный потенциал в родной стране и уехали работать в Нидерланды и Великобританию соответственно.

Рис. 1. За открытие графена Гейм и Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Чем он интересен?

Необычные свойства графена сулят этому материалу блестящее будущее. Вот лишь некоторые из них, которые на наш взгляд, представляют максимальный интерес.

1. Графен обладает очень высокой прочностью. Лист графена площадью в один квадратный метр (и толщиной, напомним, всего лишь в один атом!) способен удерживать предмет массой 4 килограмма.

Вследствие двумерной структуры, графен является очень гибким материалом, что в будущем позволит использовать его, например, для плетения нитей (при этом тоненькая графеновая «веревка» по прочности будет аналогична толстому и тяжелому стальному канату). Кроме того, в определенных условиях графен способен сам «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре.

Рис. 2.

2. Графен — это материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла, что делает его идеальным для применения в различных электронных устройствах, особенно если впомнить о его гибкости и полной оптической прозрачности.

Уже были изготовлены экспериментальные солнечные батареи, в которых графен используется в качестве замены сравнительно дорогого селенида индия. При этом «графеновые» солнечные батареи демонстрируют более высокую эффективность.

Рис. 3.

3. Еще одно возможное применение графена — создание гибкой электроники и, в частности, гибких дисплеев. Сейчас в экранах (как жидкокристаллических, так и OLED) в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, который относительно дорог и при этом хрупок. В этом смысле высокая прочность и гибкость графена делают его идеальным кандидатом на замену.

Широкое распространение графена наверняка даст хороший стимул развитию носимой электроники, поскольку позволит встраивать чипы в одежду, бумагу и другие повседневные вещи.

Рис. 4.

4. Графен также рассматривается в качестве перспективного материала для создания полевых транзисторов, что открывает широкие возможности по миниатюризации электроники. Например, в последнее время принято говорить о том, что знаменитый «закон Мура» скоро себя исчерпает, поскольку классический кремниевый транзистор нельзя уменьшать бесконечно. В то же время транзисторы, в которых используется графен, можно сделать очень небольшими без потери полезных свойств.

Компания IBM уже объявила о создании интегральных схем на основе графеновых транзисторов, которые к тому же способны бесперебойно работать при температурах до 128 градусов Цельсия.

Рис. 5.

5. Графеновая пленка оказалась отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, в будущем это поможет снизить стоимость опреснения морской воды.

Несколько месяцев назад компания Lockheed Martin представила графеновый фильтр для воды под названием Perforene, которые, по утверждению производителя, на 99% снижает энергетические затраты на опреснение.

Не можем не отметить, что благотворительный Фонд Билла и Мелинды Гейтс в прошлом году выделил грант в размере 100 тысяч долларов на «разработку новых композитных эластичных материалов для презервативов, включающих наноматериалы типа графена».

Рис. 6.

У каждой эпохи есть свое ключевое открытие, которое задает темпы и направление прогресса на много лет вперед. Например, металлургия стала основой промышленной революции, а изобретение полупроводникового транзистора в XX веке сделало возможным появление современного мира в том виде, каким мы его знаем.

Станет ли графен таким чудо-материалом XXI века, который позволит создавать устройства, о которых мы сейчас и не догадываемся? Вполне может быть. Пока же нам остается только с интересом следить за исследованиями в этой области.

www.nanonewsnet.ru