Графен

Графен представляет собой гексагональную решетку атомного масштаба, состоящую из атомов углерода .

Графен ( / ɡ г æ е я п / ^[1] ) является аллотроп углерода , состоящего из одного слоя атомов , расположенных в двумерной гексагональной решетке . ^{[2] [3]} Название представляет собой сочетание слов «графит» и суффикс -ene , что отражает тот факт, что графитовый аллотроп углерода состоит из уложенных друг на друга слоев графена. ^{[4] [5]}

Каждый атом в листе графена связан со своими тремя ближайшими соседями σ-связью и вносит один электрон в зону проводимости, которая простирается по всему листу. Это соединение того же типа, которое наблюдается в углеродных нанотрубках и полициклических ароматических углеводородах , а также (частично) в фуллеренах и стеклоуглероде . ^{[6] [7]} Эти зоны проводимости делают графен полуметаллом с необычными электронными свойствами , которые лучше всего описываются теориями безмассовых релятивистских частиц. ^[2]Носители заряда в графене демонстрируют линейную, а не квадратичную зависимость энергии от импульса, и можно сделать полевые транзисторы с графеном, демонстрирующие биполярную проводимость. Транспорт заряда баллистический на большие расстояния; материал демонстрирует большие квантовые колебания и большой нелинейный диамагнетизм . ^[8] Графен очень эффективно проводит тепло и электричество вдоль своей плоскости. Материал сильно поглощает свет всех видимых длин волн ^{[9] [10],} что объясняет черный цвет графита; тем не менее, один лист графена почти прозрачен из-за своей чрезвычайной толщины. Кроме того, этот материал примерно в 100 раз прочнее, чем самая прочная сталь такой же толщины.^{[11] [12]}

Фотография подвешенной графеновой мембраны в проходящем свете. Этот материал толщиной в один атом можно увидеть невооруженным глазом, поскольку он поглощает примерно 2,3% света. ^{[10] [9]}

Ученые строили теории о графене десятилетиями. Скорее всего, он производился в небольших количествах в течение столетий с помощью карандашей и других подобных применений графита. Первоначально его наблюдали в электронные микроскопы в 1962 году, но изучали только при нанесении на металлические поверхности. ^[4] Материал позже был заново открыт, выделены и охарактеризованы в 2004 году Андре Гейм и Константин Новоселов в Университете Манчестера , ^{[13] [14]} , которые были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году за свои исследования на материале. Оказалось, что высококачественный графен на удивление легко выделить.

Мировой рынок графена был 9000000 $ в 2012 году, ^[15] с большинством спроса от научных исследований и разработок в области производства полупроводников, электроники, электрических батарей , ^[16] и композитов . В 2019 году прогнозировалось, что к 2021 году он превысит 150 миллионов долларов ^[17].

ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии) рекомендует использовать название «графит» для трехмерного материала, и «графен» только тогда , когда реакции, структурные отношения или другие свойства отдельных слоев обсуждаются. ^[18] Более узкое определение «изолированного или отдельно стоящего графена» требует, чтобы слой был достаточно изолирован от окружающей его среды ^[19], но должен включать слои, взвешенные или перенесенные на диоксид кремния или карбид кремния . ^[20]

История [ править ]

Структура графита и его интеркаляционных соединений [ править ]

В 1859 году Бенджамин Броди отметил сильно пластинчатую структуру термически восстановленного оксида графита . ^{[21] [22]} В 1916 году Питер Дебие и П. Шеррер определили структуру графита с помощью порошковой дифракции рентгеновских лучей . ^{[23] [24] [25]} Более подробно структура была изучена В. Кольшюттером и П. Хэнни в 1918 году, которые также описали свойства бумаги из оксида графита . ^[26] Его структура была определена методом дифракции на монокристаллах в 1924 году. ^{[27] [28]}

Теория графена была впервые исследована П. Р. Уоллесом в 1947 году в качестве отправной точки для понимания электронных свойств трехмерного графита. Возникающее безмассовое уравнение Дирака было впервые указано в 1984 году Гордоном Уолтером Семеновым , Дэвидом П. Ди Винченцо и Юджином Дж. Меле. ^[29] Семенов подчеркнул возникновение в магнитном поле электронного уровня Ландау именно в точке Дирака . Этот уровень отвечает за аномальный целочисленный квантовый эффект Холла . ^{[30] [31] [32]}

Наблюдения за тонкими слоями графита и родственными структурами [ править ]

Изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) тонких образцов графита, состоящих из нескольких слоев графена, были опубликованы Г. Рюссом и Ф. Фогтом в 1948 году. ^[33] ) В конце концов, отдельные слои также наблюдались напрямую. ^[34] Отдельные слои графита также наблюдались с помощью просвечивающей электронной микроскопии в объемных материалах, в частности внутри сажи, полученной путем химического расслоения. ^[7]

В 1961–1962 годах Ханс-Петер Бём опубликовал исследование чрезвычайно тонких чешуек графита и ввел термин «графен» для гипотетической однослойной структуры. ^{[35] В} этой статье описываются графитовые хлопья, которые дают дополнительный контрастный эквивалент до ~ 0,4 нм или 3 атомных слоя аморфного углерода. Это было наилучшее возможное разрешение для ТЕА 1960 года. Однако ни тогда, ни сегодня невозможно спорить, сколько слоев было в этих хлопьях. Теперь мы знаем, что ТЕМ-контраст графена наиболее сильно зависит от условий фокусировки. ^[34]Например, невозможно различить подвешенный монослой и многослойный графен по их контрасту в ПЭМ, и единственный известный способ - проанализировать относительные интенсивности различных дифракционных пятен. Первые надежные наблюдения монослоев с помощью просвечивающего электронного микроскопа, вероятно, даны в работах. 24 и 26 обзора Гейма и Новоселова 2007 г. ^[2]

Начиная с 1970-х годов К. Осима и другие описали отдельные слои атомов углерода, которые были выращены эпитаксиально поверх других материалов. ^{[36] [37]} Этот «эпитаксиальный графен» состоит из гексагональной решетки толщиной в один атом из sp ² -связанных атомов углерода, как в отдельно стоящем графене. Однако между двумя материалами происходит значительный перенос заряда и, в некоторых случаях, гибридизация между d-орбиталями атомов подложки и π-орбиталями графена; которые значительно изменяют электронную структуру по сравнению со структурой отдельно стоящего графена.

Термин «графен» была вновь использована в 1987 году для описания отдельных листов графита в качестве компонента интеркалированных соединений графита , ^[38] , которые можно рассматривать в качестве кристаллических солей интеркалянта и графена. Она также используется в описании углеродных нанотрубок по Р. Саито в 1992 году, ^[39] и полициклических ароматических углеводородов в 2000 году S. Wang и др. ^[40]

Попытки сделать тонкие пленки из графита механическим отслаиванием начались в 1990 году. ^{[41] В} первых попытках использовались методы отслаивания, подобные методу вытягивания. Были получены многослойные образцы толщиной до 10 нм. ^[2]

В 2002 году Роберт Б. Резерфорд и Ричард Л. Дадман подали в США патент на способ производства графена путем многократного отслаивания слоев от чешуек графита, приклеенных к подложке, с получением толщины графита 0,00001 дюйма (2,5 × 10 мм). ⁻⁷ метров ). Ключом к успеху было высокопроизводительное визуальное распознавание графена на правильно выбранной подложке, обеспечивающей небольшой, но заметный оптический контраст. ^[42]

Еще один патент США был подан в том же году Бором З. Янгом и Вен С. Хуангом на способ производства графена на основе отшелушивания с последующим истиранием. ^[43]

Полная изоляция и характеристика [ править ]

Графен был правильно выделен и охарактеризован в 2004 году Андре Гейм и Константин Новоселов в Университете Манчестера . ^{[13] [14]} Они вытащили слои графена из графита с помощью обычной клейкой ленты в процессе, называемом либо микромеханическим расщеплением, либо техникой скотча . ^[44] Затем чешуйки графена были перенесены на тонкий слой диоксида кремния (кремнезема) на кремниевой пластине («пластине»). Кремнезем электрически изолировал графен и слабо с ним взаимодействовал, создавая почти нейтральные по заряду слои графена. Кремний под SiO
₂ может использоваться в качестве электрода «заднего затвора» для изменения плотности заряда в графене в широком диапазоне.

Эта работа привела к двум лауреатам Нобелевской премии по физике в 2010 г. «за новаторские эксперименты с двумерным материалом графена». ^{[45] [46] [44]} Их публикация и описанный ими удивительно простой метод приготовления вызвали «графеновую золотую лихорадку». Исследования расширились и разделились на множество различных областей, исследуя различные исключительные свойства материала - квантово-механические, электрические, химические, механические, оптические, магнитные и т. Д.

Изучение коммерческих приложений [ править ]

С начала 2000-х годов ряд компаний и исследовательских лабораторий работали над коммерческими приложениями графена. В 2014 году с этой целью в Манчестерском университете был создан Национальный институт графена с первоначальным финансированием в 60 миллионов фунтов стерлингов . ^[47] В северо-восточной Англии два коммерческих производителя, Applied Graphene Materials ^[48] и Thomas Swan Limited ^{[49] [50]} , начали производство. Cambridge Nanosystems , ^[51] - крупное предприятие по производству графенового порошка в Восточной Англии .

Структура [ править ]

Связь [ править ]

Три из четырех электронов внешней оболочки каждого атома в листе графена занимают три гибридных sp ² орбитали - комбинацию орбиталей s, p _x и p _y - которые являются общими с тремя ближайшими атомами, образуя σ-связи . Длина этих связей составляет около 0,142 нанометра . ^{[52] [53] [54]}

Оставшийся электрон внешней оболочки занимает ap _z- орбиталь, ориентированную перпендикулярно плоскости. Эти орбитали гибридизуются вместе, образуя две наполовину заполненные зоны свободно движущихся электронов π и π ∗, которые ответственны за большую часть заметных электронных свойств графена. ^[53] Недавние количественные оценки ароматической стабилизации и предельного размера, полученные на основе энтальпии гидрирования (ΔH _гидро ), хорошо согласуются с литературными сообщениями. ^[55]

Листы графена складываются в стопку графита с межплоскостным расстоянием 0,335  нм (3,35  Å ).

Листы графена в твердой форме обычно демонстрируют дифракционные признаки наслоения графита (002). Это верно для некоторых одностенных наноструктур. ^[56] Однако неслойный графен только с кольцами (hk0) был обнаружен в сердцевине пресолнечных графитовых луковиц. ^[57] ПЭМ-исследования показывают огранку дефектов в плоских листах графена ^[58] и предполагают роль двумерной кристаллизации из расплава.

Геометрия [ править ]

Гексагональной решетки структура изолированной, однослойного графена можно непосредственно увидеть с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) листов графена , взвешенных между прутья металлической сеткой ^[34] Некоторые из этих изображений показал «рябью» плоского листа, с амплитудой около одного нанометра. Эта рябь может быть характерной для материала в результате нестабильности двумерных кристаллов ^{[2] [59] [60]} или может возникать из-за повсеместной грязи, наблюдаемой на всех изображениях графена, полученных с помощью ПЭМ. Остатки фоторезиста , которые необходимо удалить для получения изображений с атомным разрешением, могут быть « адсорбатами », наблюдаемыми на изображениях ПЭМ, и могут объяснить наблюдаемую рябь. ^{[цитата необходима ]}

Гексагональная структура также видна на изображениях графена на подложках из диоксида кремния, полученных с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) ^[61] . Волны, наблюдаемые на этих изображениях, вызваны конформацией графена к решетке субстрата и не являются внутренними. ^[61]

Стабильность [ править ]

Расчеты ab initio показывают, что лист графена термодинамически нестабилен, если его размер меньше примерно 20 нм, и становится наиболее стабильным фуллереном (как в графите) только для молекул, размер которых превышает 24000 атомов. ^[62]

Свойства [ править ]

Электронный [ править ]

Графен - это полупроводник с нулевой запрещенной зоной , поскольку его зона проводимости и валентная зона пересекаются в точках Дирака. Точки Дирака - это шесть мест в импульсном пространстве на краю зоны Бриллюэна , разделенных на два неэквивалентных набора по три точки. Эти два набора обозначены буквами K и K '. Наборы придают графену вырождение долины gv = 2 . Напротив, для традиционных полупроводников основной интерес обычно представляет собой Γ, где импульс равен нулю. ^[53] Четыре электронных свойства отделяют его от других систем конденсированного состояния .

Однако, если направление в плоскости больше не будет бесконечным, а ограниченным, его электронная структура изменится. Их называют графеновыми нанолентами . Если это "зигзаг", запрещенная зона все равно будет равна нулю. Если это «кресло», ширина запрещенной зоны будет ненулевой.

Гексагональную решетку графена можно рассматривать как две чередующиеся треугольные решетки. Эта перспектива была успешно использована для расчета полосовой структуры для одного слоя графита с использованием приближения сильной связи. ^[53]

Электронный спектр [ править ]

Электроны , распространяющиеся через соты графена решетки эффективно теряют свою массу, производя квази-частицы , которые описаны с помощью 2D - аналога уравнения Дирака , а не уравнением Шредингера для спин - ¹ / ₂ частиц. ^{[63] [64]}

Отношение дисперсии [ править ]

Техника расщепления привела к первому наблюдению аномального квантового эффекта Холла в графене в 2005 году группой Гейма и Филипом Кимом и Юаньбо Чжаном . Этот эффект явился прямым доказательством теоретически предсказанной Берри фазой безмассовых дираковских фермионов графена и первым доказательством дираковской фермионной природы электронов. ^{[30] [32]} Эти эффекты наблюдались в массивном графите Яковом Копелевичем , Игорем А. Лукьянчуком и другими в 2003–2004 годах. ^{[65] [66]}

Когда атомы помещаются на гексагональную решетку графена, перекрытие между орбиталями p _z (π) и s или p _x и p _y орбиталями равно нулю по симметрии. Таким образом, p _z- электроны, образующие π-зоны в графене, можно рассматривать независимо. В рамках этого приближения π-зоны, используя обычную модель сильной связи , дисперсионное соотношение (ограниченное только взаимодействиями первых ближайших соседей), которое производит энергию электронов с волновым вектором k, равно ^{[67] [68]}

${\displaystyle E(k_{x},k_{y})=\pm \,\gamma _{0}{\sqrt {1+4\cos ^{2}{{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}+4\cos {{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}\cdot \cos {{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}ak_{y}}}}}$

с энергией прыжка ближайшего соседа (π-орбитали) γ ₀ ≈2,8 эВ и постоянная решетки a ≈2,46 Å . Зона проводимости и валентная зона соответственно соответствуют разным знакам. Вэтой моделис однимэлектроном p _z на атом в этой модели валентная зона полностью занята, а зона проводимости свободна. Две полосы касаются углов зоны (точка K в зоне Бриллюэна), где плотность состояний равна нулю, но нет запрещенной зоны. Таким образом, графеновый лист имеет полуметаллический (или бесщелевой полупроводник) характер, хотя этого нельзя сказать о листе графена, свернутом в углеродную нанотрубку из-за его кривизны. Две из шести точек Дирака независимы, а остальные эквивалентны по симметрии. В непосредственной близости от K-точки энергия линейно зависит от волнового вектора, как у релятивистской частицы. ^{[67] [69]} Поскольку элементарная ячейка решетки имеет базис из двух атомов, волновая функция имеет эффективную 2-спинорную структуру .

Как следствие, при низких энергиях, даже без учета истинного спина, электроны могут быть описаны уравнением, формально эквивалентным безмассовому уравнению Дирака . Следовательно, электроны и дырки называются фермионами Дирака . ^[67] Это псевдорелятивистское описание ограничено киральным пределом , т. Е. Нулевой массой покоя M ₀ , что приводит к интересным дополнительным особенностям: ^{[67] [70]}

${\displaystyle v_{F}\,{\vec {\sigma }}\cdot \nabla \psi (\mathbf {r} )\,=\,E\psi (\mathbf {r} ).}$

Здесь v _F ~10 ⁶  м / с (0,003 c) - скорость Ферми в графене, которая заменяет скорость света в теории Дирака; - вектор матриц Паули , - двухкомпонентная волновая функция электронов, E - их энергия. ^[63]${\displaystyle {\vec {\sigma }}}$${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )}$

Уравнение, описывающее соотношение линейной дисперсии электронов, имеет вид

${\displaystyle E(q)=\hbar v_{F}q}$

где волновой вектор q отсчитывается от вершины зоны Бриллюэна K, а нуль энергии совпадает с точкой Дирака. В уравнении используется матричная формула псевдоспина, которая описывает две подрешетки сотовой решетки. ^[69]${\displaystyle q=\left|\mathbf {k} -\mathrm {K} \right|}$

Распространение одноатомных волн [ править ]

Электронные волны в графене распространяются внутри одноатомного слоя, что делает их чувствительными к близости других материалов, таких как диэлектрики с высоким κ , сверхпроводники и ферромагнетики .

Амбиполярный перенос электронов и дырок [ править ]

Графен демонстрирует замечательную подвижность электронов при комнатной температуре, с заявленными значениями, превышающими15 000  см ² V ⁻¹ s ⁻¹ . ^[2] Дырочная подвижность и подвижность электронов почти одинаковы. ^[64] Подвижность не зависит от температуры между10 К и100 K , ^{[30] [71] [72]} и показывает небольшое изменение даже при комнатной температуре (300 K), ^[2], что означает, что преобладающим механизмом рассеяния является рассеяние на дефектах . Рассеяние на акустических фононах графена по сути ограничивает подвижность автономного графена при комнатной температуре до200 000  см ² ⋅V ^-1 ⋅s ^-1 при плотности носителей10 ¹²  см ^-2 . ^{[72] [73]}

Соответствующее удельное сопротивление листов графена было бы10 ⁻⁶  Ом⋅см . Это меньше, чем удельное сопротивление серебра , самое низкое из известных при комнатной температуре. ^[74] Однако на SiO
₂подложек, рассеяние электронов на оптических фононах подложки является большим эффектом, чем рассеяние на собственных фононах графена. Это ограничивает мобильность40 000  см ² V ⁻¹ s ⁻¹ . ^[72]

Перенос заряда вызывает серьезные опасения из-за адсорбции загрязняющих веществ, таких как молекулы воды и кислорода. Это приводит к неповторению и большому гистерезису ВАХ. Исследователи должны проводить электрические измерения в вакууме. Исследователи обсуждали защиту поверхности графена с помощью покрытия такими материалами, как SiN, PMMA , h-BN и т. Д. В январе 2015 года было сообщено о первой стабильной работе графенового устройства на воздухе в течение нескольких недель для графена, поверхность которого была защищена оксидом алюминия . ^{[75] [76]} В 2015 году графен с литиевым покрытием продемонстрировал сверхпроводимость , впервые для графена. ^[77]

Электрическое сопротивление в нанолентах эпитаксиального графена шириной 40 нанометров изменяется дискретно. Проводимость лент превышает прогнозируемые в 10 раз. Ленты могут действовать больше как оптические волноводы или квантовые точки , позволяя электронам плавно перемещаться по краям ленты. В меди сопротивление увеличивается пропорционально длине, когда электроны сталкиваются с примесями. ^{[78] [79]}

На транспорте преобладают два вида транспорта. Один баллистический и не зависит от температуры, а другой активируется термически. Баллистические электроны напоминают электроны в цилиндрических углеродных нанотрубках . При комнатной температуре сопротивление резко увеличивается на определенной длине - в баллистическом режиме на 16 микрометров, а в другом - на 160 нанометрах (1% от прежней длины). ^[78]

Электроны графена могут преодолевать микрометровые расстояния без рассеяния даже при комнатной температуре. ^[63]

Несмотря на нулевую концентрацию носителей вблизи точек Дирака, графен демонстрирует минимальную проводимость порядка . Происхождение этого минимума проводимости до сих пор неясно. Однако рябь на листе графена или ионизированные примеси в SiO${\displaystyle 4e^{2}/h}$
₂субстрат может привести к местным лужам носителей, обеспечивающих проводимость. ^[64] Несколько теорий предполагают, что минимальная проводимость должна быть ; однако большинство измерений имеют порядок или выше ^[2] и зависят от концентрации примеси. ^[80]${\displaystyle 4e^{2}/{(\pi }h)}$${\displaystyle 4e^{2}/h}$

Около нулевой плотности носителей графен демонстрирует положительную фотопроводимость и отрицательную фотопроводимость при высокой плотности носителей. Это регулируется взаимодействием между фотоиндуцированными изменениями как веса Друде, так и скорости рассеяния носителей. ^[81]

Графен, легированный различными газообразными частицами (как акцепторами, так и донорами), можно вернуть в нелегированное состояние путем осторожного нагрева в вакууме. ^{[80] [82]} Даже для концентраций примесей, превышающих 10 ¹² см ^-2, подвижность носителей не обнаруживает заметных изменений. ^[82] Графен, легированный калием в сверхвысоком вакууме при низкой температуре, может снизить подвижность в 20 раз. ^{[80] [83]} Уменьшение подвижности обратимо при нагревании графена для удаления калия.

Считается, что из-за двухмерности графена происходит дробление заряда (когда кажущийся заряд отдельных псевдочастиц в низкоразмерных системах меньше одного кванта ^[84] ). Поэтому он может быть подходящим материалом для создания квантовых компьютеров ^[85] с использованием любых электронных схем. ^[86]

Киральный полуцелый квантовый эффект Холла [ править ]

Квантовый эффект Холла является квантово - механическим вариантом эффекта Холла , который является производством поперечного (перпендикулярно основному ток) проводимость в присутствии магнитного поля . Квантование эффекта Холла в целых кратных (« уровне Ландау ») основной величины (где e - элементарный электрический заряд, а h - постоянная Планка ). Обычно это наблюдается только в очень чистых твердых телах кремния или арсенида галлия при температурах около${\displaystyle \sigma _{xy}}$${\displaystyle e^{2}/h}$3  К и очень сильные магнитные поля.

Графен демонстрирует квантовый эффект Холла по отношению к квантованию проводимости: эффект необычен тем, что последовательность шагов сдвинута на 1/2 относительно стандартной последовательности и с дополнительным фактором 4. Холловская проводимость графена равна , где N - уровень Ландау, двойная долина и двойное спиновое вырождение дают коэффициент 4. ^[2] Эти аномалии присутствуют не только при экстремально низких температурах, но и при комнатной температуре, то есть примерно при 20 ° C (293 K). ^[30]${\displaystyle \sigma _{xy}=\pm {4\cdot \left(N+1/2\right)e^{2}}/h}$

Такое поведение является прямым результатом киральных безмассовых дираковских электронов графена. ^{[2] [87]} В магнитном поле их спектр имеет уровень Ландау с энергией точно в точке Дирака. Этот уровень является следствием теоремы Атьи – Зингера об индексе и наполовину заполнен нейтральным графеном ^{[67], что} приводит к «+1/2» холловской проводимости. ^[31] Двухслойный графен также демонстрирует квантовый эффект Холла, но только с одной из двух аномалий (т.е. ). Во второй аномалии первое плато при N = 0 отсутствует, что указывает на то, что двухслойный графен остается металлическим в точке нейтральности. ^[2]${\displaystyle \sigma _{xy}=\pm {4\cdot N\cdot e^{2}}/h}$

В отличие от обычных металлов, продольное сопротивление графена показывает максимумы, а не минимумы для интегральных значений фактора заполнения Ландау при измерениях осцилляций Шубникова – де Гааза , что означает термин интегральный квантовый эффект Холла. Эти колебания показывают фазовый сдвиг π, известный как фаза Берри . ^{[30] [64]} Фаза Берри возникает из-за хиральности или зависимости (блокировки) псевдоспинового квантового числа от импульса низкоэнергетических электронов вблизи точек Дирака. ^[32] Температурная зависимость колебаний показывает, что носители имеют ненулевую циклотронную массу, несмотря на их нулевую эффективную массу в формализме дираковских фермионов. ^[30]

Образцы графена, приготовленные на никелевых пленках, а также на кремниевой и углеродной грани карбида кремния , показывают аномальный эффект непосредственно при электрических измерениях. ^{[88] [89] [90] [91] [92] [93]} Графитовые слои на углеродной поверхности карбида кремния демонстрируют четкий дираковский спектр в экспериментах по фотоэмиссии с угловым разрешением , и этот эффект наблюдается в экспериментах по циклотронному резонансу и туннелированию. . ^[94]

Сильные магнитные поля [ править ]

В магнитных полях выше 10 тесла или около того наблюдаются дополнительные плато холловской проводимости при σ _xy = νe ² / h с ν = 0, ± 1, ± 4 . ^[95] Плато при v , = 3 ^[96] и дробного квантового эффекта Холла при ν = ¹ / ₃ также сообщалось. ^{[96] [97]}

Эти наблюдения с ν = 0, ± 1, ± 3, ± 4 показывают, что четырехкратное вырождение (две долинные и две спиновые степени свободы) энергетических уровней Ландау частично или полностью снимается.

Эффект Казимира [ править ]

Эффект Казимира - это взаимодействие непересекающихся нейтральных тел, вызванное флуктуациями электродинамического вакуума. Математически это можно объяснить, рассматривая нормальные режимы электромагнитных полей, которые явно зависят от граничных (или согласованных) условий на поверхностях взаимодействующих тел. Поскольку взаимодействие графена с электромагнитным полем является сильным для материала толщиной в один атом, эффект Казимира вызывает растущий интерес. ^{[98] [99]}

Сила Ван-дер-Ваальса [ править ]

Сила Ван-дер-Ваальса (или сила дисперсии) также необычна, подчиняясь обратному кубическому, асимптотическому степенному закону в отличие от обычной обратной квартики. ^[100]

«Массивные» электроны [ править ]

В элементарной ячейке графена есть два идентичных атома углерода и два состояния с нулевой энергией: одно, в котором электрон находится на атоме A, другое, в котором электрон находится на атоме B. Однако, если два атома в элементарной ячейке не идентичны, ситуация меняется. Hunt et al. показывают, что размещение гексагонального нитрида бора (h-BN) в контакте с графеном может изменить потенциал, ощущаемый на атоме A по сравнению с атомом B, настолько, что электроны приобретут массу и соответствующую ширину запрещенной зоны около 30 мэВ [0,03 электрон-вольт (эВ)]. ^[101]

Масса может быть положительной или отрицательной. Расположение, которое немного увеличивает энергию электрона на атоме A по сравнению с атомом B, дает ему положительную массу, в то время как устройство, которое увеличивает энергию атома B, дает отрицательную массу электрона. Эти две версии ведут себя одинаково и не различимы с помощью оптической спектроскопии . Электрон, перемещающийся из области положительной массы в область отрицательной массы, должен пересечь промежуточную область, где его масса снова становится равной нулю. Эта область является бесщелевой и поэтому металлической. Металлические моды, ограничивающие полупроводниковые области противоположной массы, являются отличительной чертой топологической фазы и демонстрируют во многом те же физические свойства, что и топологические изоляторы. ^[101]

Если можно контролировать массу в графене, электроны могут быть ограничены безмассовыми областями, окружая их массивными областями, что позволяет создавать узор из квантовых точек , проводов и других мезоскопических структур. Он также производит одномерные проводники вдоль границы. Эти провода будут защищены от обратного рассеяния и могут нести токи без рассеяния. ^[101]

Разрешимость [ править ]

Диэлектрическая проницаемость графена зависит от частоты. В диапазоне частот от микроволн до миллиметрового диапазона он составляет примерно 3,3. ^[102] Эта диэлектрическая проницаемость в сочетании со способностью образовывать как проводники, так и изоляторы означает, что теоретически компактные конденсаторы из графена могут накапливать большое количество электрической энергии.

Оптический [ править ]

Уникальные оптические свойства графены производят неожиданно высокую непрозрачность для атомного монослоя в вакууме, поглощая я ≈ 2,3% от света , от видимого до инфракрасного. ^{[9] [10] [103]} Здесь α - постоянная тонкой структуры . Это является следствием «необычной низкоэнергетической электронной структуры монослоя графена, в котором конические зоны электронов и дырок встречаются в точке Дирака ... [которая] качественно отличается от более распространенных массивных квадратичных зон ». ^[9]На основе модели графита с полосами Слончевского – Вейсса – МакКлюра (SWMcC) межатомное расстояние, величина прыжка и частота компенсируются, когда оптическая проводимость рассчитывается с использованием уравнений Френеля в пределе тонкой пленки.

Хотя это подтверждено экспериментально, измерение недостаточно точное, чтобы улучшить другие методы определения постоянной тонкой структуры . ^[104]

Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс использовался для характеристики как толщины, так и показателя преломления графеновых пленок, выращенных методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Измеренные значения показателя преломления и коэффициента экстинкции на длине волны 670  нм (6,7 × 10 ^-7  м ) составляют 3,135 и 0,897, соответственно. Толщина была определена как 3,7 Å с площади 0,5 мм, что согласуется с 3,35 Å, указанным для межслойного расстояния между атомами углерода кристаллов графита. ^[105]В дальнейшем метод может быть использован также для безметочного взаимодействия графена с органическими и неорганическими веществами в реальном времени. Кроме того, существование однонаправленных поверхностных плазмонов в невзаимных гиротропных интерфейсах на основе графена было продемонстрировано теоретически. Эффективно управляя химическим потенциалом графена, однонаправленную рабочую частоту можно непрерывно настраивать от ТГц до ближнего инфракрасного и даже видимого. ^{[106] В} частности, однонаправленная ширина полосы частот может быть на 1-2 порядка больше, чем в металле при том же магнитном поле, что является результатом превосходства чрезвычайно малой эффективной массы электрона в графене.

Ширина запрещенной зоны графена может быть изменена от 0 до0,25 эВ (длина волны около 5 микрометров) путем подачи напряжения на двухзатворный двухслойный графеновый полевой транзистор (FET) при комнатной температуре. ^[107] Оптический отклик графеновых нанолент настраивается на терагерцовый режим с помощью приложенного магнитного поля. ^[108] Системы графен / оксид графена демонстрируют электрохромные свойства , что позволяет настраивать как линейные, так и сверхбыстрые оптические свойства. ^[109]

Изготовлена брэгговская решетка на основе графена (одномерный фотонный кристалл ), которая продемонстрировала свою способность возбуждать поверхностные электромагнитные волны в периодической структуре с использованием He – Ne-лазера с длиной волны 633  нм (6,33 × 10 ⁻⁷  м ) в качестве источника света. . ^[110]

Насыщенное поглощение [ править ]

Такое уникальное поглощение может стать насыщенным, когда входная оптическая интенсивность превышает пороговое значение. Это нелинейное оптическое поведение называется насыщающимся поглощением, а пороговое значение называется плотностью потока насыщения. Графен может легко насыщаться при сильном возбуждении в видимой и ближней инфракрасной области благодаря универсальному оптическому поглощению и нулевой запрещенной зоне. Это имеет отношение к синхронизации мод волоконных лазеров , где полнополосная синхронизация мод достигается с помощью насыщающегося поглотителя на основе графена. Благодаря этому особому свойству графен нашел широкое применение в сверхбыстрой фотонике . Более того, оптический отклик слоев графена / оксида графена можно регулировать электрически. ^{[109] [111][112] [113] [114] [115]}

Насыщающееся поглощение в графене могло происходить в микроволновом и терагерцовом диапазонах из-за его широкополосного оптического поглощения. Поглощение с возможностью насыщения микроволн в графене демонстрирует возможность использования графеновых устройств для микроволновой и терагерцовой фотоники, таких как поглотитель с насыщением микроволн, модулятор, поляризатор, обработка микроволнового сигнала и широкополосные сети беспроводного доступа. ^[116]

Нелинейный эффект Керра [ править ]

При более интенсивном лазерном освещении графен также может обладать нелинейным фазовым сдвигом из-за оптического нелинейного эффекта Керра . На основе типичного измерения z-сканирования при открытой и закрытой апертуре, графен обладает гигантским нелинейным коэффициентом Керра10 ⁻⁷  см ² ⋅ Вт ⁻¹ , что почти на девять порядков больше, чем у объемных диэлектриков. ^[117] Это предполагает, что графен может быть мощной нелинейной средой Керра с возможностью наблюдения множества нелинейных эффектов, наиболее важным из которых является солитон . ^[118]

Excitonic [ править ]

Расчеты из первых принципов с квазичастичными поправками и многочастичными эффектами выполняются для исследования электронных и оптических свойств материалов на основе графена. Подход описывается как три этапа. ^[119] С помощью расчета GW точно исследуются свойства материалов на основе графена, включая объемный графен, ^[120] наноленты , ^[121] краевые и поверхностные функциональные ленты кресла, ^[122] насыщенные водородом ленты кресла, ^[123] эффект Джозефсона. в SNS-переходах графена с одиночным локализованным дефектом ^[124] и скейлинг-свойствами кресла. ^[125]

Спиновый транспорт [ править ]

Графен считается идеальным материалом для спинтроники из-за его небольшого спин-орбитального взаимодействия и почти полного отсутствия ядерных магнитных моментов в углероде (а также слабого сверхтонкого взаимодействия ). Ввод и обнаружение электрического спинового тока были продемонстрированы до комнатной температуры. ^{[126] [127] [128]} Наблюдалась длина спиновой когерентности более 1 микрометра при комнатной температуре, ^[126] и контроль полярности спинового тока с помощью электрического затвора наблюдался при низкой температуре. ^[127]

Магнитные свойства [ править ]

Сильные магнитные поля [ править ]

Квантовый эффект Холла графена в магнитных полях выше 10 Тесла обнаруживает дополнительные интересные особенности. Наблюдаются дополнительные плато холловской проводимости при с . ^[95] Также сообщалось о наблюдении плато в ^[96] и дробном квантовом эффекте Холла в точке . ^{[96] [97]}${\displaystyle \sigma _{xy}=\nu e^{2}/h}$${\displaystyle \nu =0,\pm {1},\pm {4}}$${\displaystyle \nu =3}$${\displaystyle \nu =1/3}$

Эти наблюдения показывают, что четырехкратное вырождение (две долинные и две спиновые степени свободы) энергетических уровней Ландау частично или полностью снимается. Одна гипотеза состоит в том, что магнитный катализ из нарушения симметрии отвечает за снятие вырождения. ^{[ необходима цитата ]}${\displaystyle \nu =0,\pm 1,\pm 3,\pm 4}$

Спинтронные и магнитные свойства могут присутствовать в графене одновременно. ^[129] Графеновые наномешалки с низким уровнем дефектов, изготовленные нелитографическим методом, демонстрируют ферромагнетизм большой амплитуды даже при комнатной температуре. Кроме того, эффект спиновой накачки обнаружен для полей, приложенных параллельно плоскостям многослойных ферромагнитных нанометров, в то время как петля гистерезиса магнитосопротивления наблюдается в перпендикулярных полях.

Магнитные подложки [ править ]

В 2014 году исследователи намагничили графен, поместив его на атомно-гладкий слой магнитного железо-иттриевого граната . На электронные свойства графена это не повлияло. Предыдущие подходы включали допирование графена другими веществами. ^[130] Присутствие допанта отрицательно сказалось на его электронных свойствах. ^[131]

Теплопроводность [ править ]

Тепловой перенос в графене - активная область исследований, которая привлекла внимание из-за потенциала приложений для управления тепловым режимом. Следуя предсказаниям для графена и связанных с ним углеродных нанотрубок , ^[132] первые измерения теплопроводности взвешенного графена показали исключительно большую теплопроводность вплоть до5300 Вт⋅м ⁻¹ ⋅K ⁻¹ , ^[133] по сравнению с теплопроводностью пиролитического графита примерно2000 Вт⋅м ⁻¹ ⋅K ⁻¹ при комнатной температуре. ^[134] Однако более поздние исследования, главным образом, более масштабируемого, но более дефектного графена, полученного методом химического осаждения из паровой фазы, не смогли воспроизвести измерения такой высокой теплопроводности, что позволило получить широкий диапазон значений теплопроводности между1500 -2500 Вт⋅м ⁻¹ ⋅K ⁻¹ для подвешенного однослойного графена. ^{[135] [136] [137] [138]} Большой диапазон заявленных значений теплопроводности может быть вызван большой погрешностью измерения, а также вариациями качества графена и условий обработки. Кроме того, известно, что когда однослойный графен нанесен на аморфный материал, теплопроводность снижается примерно до500 -600 Вт⋅м ⁻¹ ⋅K ⁻¹ при комнатной температуре в результате рассеяния волн решетки графена подложкой ^{[139] [140]} и может быть даже ниже для многослойного графена, заключенного в аморфный оксид. ^[141] Точно так же полимерный остаток может способствовать аналогичному снижению теплопроводности взвешенного графена примерно до500 -600 Вт⋅м ⁻¹ ⋅K ⁻¹ для двухслойного графена. ^[142]

Было высказано предположение, что изотопный состав, отношение 12 C к 13 C , оказывает значительное влияние на теплопроводность. Например, изотопно чистый ¹² C графен имеет более высокую теплопроводность, чем соотношение изотопов 50:50 или естественное соотношение 99: 1. ^[143] С помощью закона Видемана – Франца можно показать , что теплопроводность преобладает над фононами . ^[133] Однако для стробируемой полосы графена приложенное смещение затвора вызывает сдвиг энергии Ферми, намного превышающий k _B Tможет привести к увеличению электронного вклада и преобладанию над фононным при низких температурах. Баллистическая теплопроводность графена изотропна. ^{[144] [145]}

Потенциал такой высокой проводимости можно увидеть, рассмотрев графит, трехмерную версию графена, имеющую теплопроводность в базовой плоскости более1000 Вт⋅м ⁻¹ K ⁻¹ (сравнимо с алмазом ). В графите теплопроводность по оси c (вне плоскости) примерно в 100 раз меньше из-за слабых сил связи между базисными плоскостями, а также большего интервала решетки . ^[146] Кроме того, показано, что баллистическая теплопроводность графена дает нижний предел баллистической теплопроводности на единицу окружности длины углеродных нанотрубок. ^[147]

Несмотря на свою двумерную природу, графен имеет 3 моды акустических фононов . Две плоские моды (LA, TA) имеют линейное дисперсионное соотношение , тогда как внеплоскостная мода (ZA) имеет квадратичное дисперсионное соотношение. Вследствие этого вклад линейных мод в теплопроводность, зависящую от T ^2, преобладает при низких температурах за счет вклада T ^1,5 внеплоской моды. ^[147] Некоторые фононные полосы графена отображают отрицательные параметры Грюнайзена . ^[148] При низких температурах (где большинство оптических мод с положительными параметрами Грюнайзена еще не возбуждаются) вклад отрицательных параметров Грюнайзена будет доминирующим икоэффициент теплового расширения (который прямо пропорционален параметрам Грюнайзена) отрицательный. Самые низкие отрицательные параметры Грюнайзена соответствуют самым низким поперечным акустическим ZA-модам. Частоты фононов для таких мод увеличиваются с увеличением параметра решетки в плоскости, поскольку атомы в слое при растяжении будут менее свободно перемещаться в направлении z. Это похоже на поведение струны, которая при растяжении будет иметь колебания меньшей амплитуды и более высокой частоты. Это явление, получившее название «мембранный эффект», было предсказано Лифшицем в 1952 г. ^[149]

Механический [ править ]

(Двумерная) плотность графена составляет 0,763 мг на квадратный метр. ^{[ необходима цитата ]}

Графен является самым прочным материалом из когда-либо испытанных ^{[11] [12]} с внутренней прочностью на растяжение 130  ГПа (19 000 000  фунтов на квадратный дюйм ) (с типичным инженерным пределом прочности на разрыв ~ 50-60 ГПа для растяжения отдельно стоящего графена большой площади) и модулем Юнга ( жесткость) около 1  ТПа (150 000 000  фунтов на кв . дюйм ). Объявление Нобелевской премии проиллюстрировало это, сказав, что гамак из графена площадью 1 кв.4 кг кошка, но весит не больше одного из усов кошки, при0,77 мг (около 0,001% от веса1 м ² бумаги). ^[150]

Изогнутый под большим углом монослой графена был получен с незначительной деформацией, что свидетельствует о механической устойчивости двумерной углеродной наноструктуры. Даже при экстремальной деформации можно сохранить отличную подвижность носителей в однослойном графене. ^[151]

Пружины взвешенных графеновых листов была измерена с использованием атомно - силового микроскопа (АСМ). Листы графена подвешивались над SiO.
₂полости, в которых наконечник АСМ использовался для приложения напряжения к листу для проверки его механических свойств. Его жесткость пружины находилась в диапазоне 1–5 Н / м, а жесткость составляла0,5 ТПа , что отличается от объемного графита. Эти внутренние свойства могут привести к применению в таких приложениях, как NEMS, в качестве датчиков давления и резонаторов. ^[152] Из-за большой поверхностной энергии и пластичности плоских графеновых листов они нестабильны по отношению к скроллингу, то есть изгибаются в цилиндрическую форму, что является его более низкоэнергетическим состоянием. ^[153]

Как и все материалы, области графена подвержены тепловым и квантовым флуктуациям относительного смещения. Хотя амплитуда этих флуктуаций ограничена в трехмерных структурах (даже в пределе бесконечного размера), теорема Мермина – Вагнера показывает, что амплитуда длинноволновых флуктуаций логарифмически растет с масштабом 2D-структуры и, следовательно, будет неограниченной. в конструкциях бесконечного размера. На локальную деформацию и упругую деформацию это дальнодействующее расхождение относительного смещения незначительно влияет. Считается, что достаточно большая 2D-структура при отсутствии приложенного бокового натяжения будет изгибаться и деформироваться, образуя колеблющуюся 3D-структуру. Исследователи наблюдали рябь во взвешенных слоях графена ^[34].и было высказано предположение, что рябь вызвана тепловыми колебаниями в материале. Вследствие этих динамических деформаций остается спорным, действительно ли графен является двумерной структурой. ^{[2] [59] [60] [154] [155]} Недавно было показано, что эта рябь, если она усиливается за счет введения вакансионных дефектов, может придавать графену отрицательный коэффициент Пуассона, в результате чего получается самый тонкий из известных ауксетических материалов. далеко. ^[156]

Нанолисты графена были включены в матрицу Ni посредством процесса гальванического покрытия, чтобы сформировать композиты Ni-графен на целевой подложке. Улучшение механических свойств композитов объясняется сильным взаимодействием между Ni и графеном и предотвращением скольжения дислокаций в матрице Ni графеном. ^[157]

Вязкость разрушения [ править ]

В 2014 году исследователи из Университета Райса и Технологического института Джорджии показали, что, несмотря на свою прочность, графен также является относительно хрупким с вязкостью разрушения около 4 МПа · м. ^[158] Это указывает на то, что несовершенный графен, вероятно, будет хрупким, как керамические материалы , в отличие от многих металлических материалов, которые имеют тенденцию иметь вязкость разрушения в диапазоне 15–50 МПа · м. Позже в 2014 году команда Райса объявила, что графен показал большую способность распределять силу от удара, чем любой известный материал, в десять раз больше, чем сталь на единицу веса. ^[159] Сила передавалась со скоростью 22,2 км в секунду (13,8 миль / с). ^[160]

Поликристаллический графен [ править ]

Различные методы, в первую очередь химическое осаждение из паровой фазы (CVD), как обсуждается в разделе ниже, были разработаны для производства крупномасштабного графена, необходимого для устройств. Такие методы часто позволяют синтезировать поликристаллический графен. ^[161] На механические свойства поликристаллического графена влияет природа дефектов, таких как границы зерен (GB) и вакансии , присутствующие в системе, и средний размер зерна. Как изменяются механические свойства с такими дефектами, исследователи исследовали теоретически и экспериментально. ^{[162] [161] [163] [164]}

Границы зерен графена обычно содержат пары семиугольник-пятиугольник. Расположение таких дефектов зависит от того, находится ли ГБ в зигзагообразном или кресельном направлении. Кроме того, это зависит от угла наклона ГБ. ^[165] В 2010 году исследователи из Университета Брауна с помощью расчетов предсказали, что по мере увеличения угла наклона прочность границ зерен также увеличивается. Они показали, что самое слабое звено на границе зерен находится в критических связях семиугольных колец. По мере того как угол границы зерен увеличивается, напряжение в этих семиугольных кольцах уменьшается, в результате чего граница зерен становится прочнее, чем ГЗ с меньшим углом. Они предположили, что на самом деле для ГБ с достаточно большим углом прочность такой же, как у чистого графена. ^[166]В 2012 году было также показано, что прочность может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от детального расположения дефектов. ^[167] Эти прогнозы с тех пор подтверждаются экспериментальными данными. В исследовании 2013 года, проведенном группой Джеймса Хоуна, исследователи исследовали упругую жесткость и прочность графена, выращенного методом CVD, путем сочетания наноиндентирования и ПЭМ высокого разрешения . Они обнаружили, что упругая жесткость идентична, а прочность лишь немного ниже, чем у чистого графена. ^[168] В том же году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе исследовали бикристаллический графен с помощью ПЭМ и АСМ.. Они обнаружили, что прочность границ зерен действительно увеличивается с увеличением угла наклона. ^[169]

В то время как наличие вакансий является распространенным явлением не только в поликристаллическом графене, вакансии могут иметь существенное влияние на прочность графена. По общему мнению, прочность уменьшается с увеличением плотности вакансий. Фактически, различные исследования показали, что для графена с достаточно низкой плотностью вакансий прочность не сильно отличается от прочности чистого графена. С другой стороны, высокая плотность вакансий может сильно снизить прочность графена. ^[163]

По сравнению с довольно хорошо изученной природой влияния, которое границы зерен и вакансии оказывают на механические свойства графена, нет четкого консенсуса в отношении общего влияния среднего размера зерна на прочность поликристаллического графена. ^{[162] [163] [164]} Фактически, три заметных теоретических / вычислительных исследования по этой теме привели к трем различным выводам. ^{[170] [171] [172]} Во-первых, в 2012 году Котакоски и Майер изучили механические свойства поликристаллического графена с помощью «реалистичной атомистической модели», используя молекулярно-динамическое (МД) моделирование. Чтобы имитировать механизм роста сердечно-сосудистых заболеваний, они сначала случайно выбрали нуклеацию.сайты, которые не менее 5А (произвольно выбраны) отдельно от других сайтов. Поликристаллический графен был получен из этих центров зародышеобразования и впоследствии отожжен при 3000 К, а затем закален. Основываясь на этой модели, они обнаружили, что трещины возникают на межзеренных стыках, но размер зерна не оказывает существенного влияния на прочность. ^[170]Во-вторых, в 2013 г. Z. Song et al. использовали моделирование методом МД для изучения механических свойств поликристаллического графена с шестигранными зернами одинакового размера. Зерна шестиугольника были ориентированы в различных направлениях решетки, а ЗЗ состояли только из семиугольника, пятиугольника и шестиугольных углеродных колец. Мотивация создания такой модели заключалась в том, что аналогичные системы экспериментально наблюдались в хлопьях графена, выращенных на поверхности жидкой меди. Хотя они также отметили, что трещины обычно возникают в тройных стыках, они обнаружили, что по мере уменьшения размера зерна предел текучести графена увеличивается. Основываясь на этом открытии, они предположили, что поликристалл следует псевдо соотношению Холла-Петча . ^[171]В-третьих, в 2013 г. ZD Sha et al. изучили влияние размера зерна на свойства поликристаллического графена, моделируя участки зерна с помощью конструкции Вороного . ГЗ в этой модели состояли из семиугольника, пятиугольника и шестиугольника, а также квадратов, восьмиугольников и вакансий. С помощью МД-моделирования, вопреки вышеупомянутому исследованию, они обнаружили обратную зависимость Холла-Петча, где прочность графена увеличивается с увеличением размера зерна. ^[172] Экспериментальные наблюдения и другие теоретические предсказания также дали разные выводы, аналогичные трем приведенным выше. ^[164] Такие расхождения показывают сложность влияния размера зерен, расположения дефектов и природы дефектов на механические свойства поликристаллического графена.

Химическая [ править ]

Графен имеет теоретическую удельную поверхность (SSA)2630  м 2 / г . Это намного больше, чем сообщалось на сегодняшний день для технического углерода (обычно меньше, чем900  м 2 / г ) или для углеродных нанотрубок (УНТ) от ≈100 до1000  м 2 / г и аналогичен активированному углю . ^[173] Графен - единственная форма углерода (или твердого материала), в которой каждый атом доступен для химической реакции с двух сторон (из-за двумерной структуры). Атомы на краях листа графена обладают особой химической активностью. Графен имеет самое высокое соотношение краевых атомов среди всех аллотропов . Дефекты в листе увеличивают его химическую активность. ^[174] Температура начала реакции между базисной плоскостью однослойного графена и газообразным кислородом ниже 260 ° C (530 K). ^[175] Графен горит при очень низкой температуре (например, 350 ° C (620 K)). ^[176]Графен обычно модифицируют кислородными и азотсодержащими функциональными группами и анализируют методами инфракрасной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Однако определение структур графена с функциональными группами кислорода- ^[177] и азота- ^[178] требует хорошего контроля структур.

В 2013 году физики Стэнфордского университета сообщили, что однослойный графен в сто раз более химически активен, чем более толстые многослойные листы. ^[179]

Графен может самостоятельно восстанавливать дыры в своих листах под воздействием молекул, содержащих углерод, таких как углеводороды . Бомбардированные чистыми атомами углерода, атомы идеально выстраиваются в шестиугольники , полностью заполняя дыры. ^{[180] [181]}

Биологический [ править ]

Несмотря на многообещающие результаты различных клеточных исследований и доказательство концептуальных исследований, до сих пор нет полного понимания полной биосовместимости материалов на основе графена. ^[182] Различные клеточные линии по-разному реагируют на воздействие графена, и было показано, что латеральный размер графеновых чешуек, форма и химический состав поверхности могут вызывать разные биологические реакции на одной и той же клеточной линии. ^[183]

Есть признаки того, что графен перспективен как полезный материал для взаимодействия с нервными клетками; исследования культивированных нервных клеток показывают ограниченный успех. ^{[184] [185]}

Графен также полезен в остеогенике . Исследователи из Центра исследования графена при Национальном университете Сингапура (NUS) обнаружили в 2011 году способность графена ускорять остеогенную дифференциацию мезенхимальных стволовых клеток человека без использования биохимических индукторов. ^[186]

Графен можно использовать в биосенсорах; в 2015 году исследователи продемонстрировали, что датчик на основе графена может использоваться для обнаружения биомаркера риска рака. В частности, используя эпитаксиальный графен на карбиде кремния, они многократно смогли обнаружить 8-гидроксидезоксигуанозин (8-OHdG), биомаркер повреждения ДНК. ^[187]

Поддерживающая подложка [ править ]

На электронные свойства графена может существенно повлиять поддерживающая подложка. Проведены исследования монослоев графена на чистых и пассивированных водородом (H) поверхностях кремния (100) (Si (100) / H). ^[188] Поверхность Si (100) / H не нарушает электронные свойства графена, тогда как взаимодействие между чистой поверхностью Si (100) и графеном значительно изменяет электронные состояния графена. Этот эффект является результатом ковалентной связи между C и поверхностными атомами Si, изменяющей π-орбитальную сетку графенового слоя. Локальная плотность состояний показывает, что связанные поверхностные состояния C и Si сильно нарушены вблизи энергии Ферми.

Формы [ править ]

Однослойные листы [ править ]

В 2013 году группа польских ученых представила производственную установку, позволяющую изготавливать сплошные однослойные листы. ^[189] Процесс основан на росте графена на жидкометаллической матрице. ^[190] Продукт этого процесса получил название HSMG .

Двухслойный графен [ править ]

Двухслойный графен демонстрирует аномальный квантовый эффект Холла , настраиваемую ширину запрещенной зоны ^[191] и потенциал для экситонной конденсации ^{[192], что}  делает его многообещающим кандидатом для оптоэлектронных и наноэлектронных приложений. Двухслойный графен обычно можно найти либо в скрученных конфигурациях, где два слоя повернуты относительно друг друга, либо в графитовых пакетных конфигурациях Бернала, где половина атомов в одном слое лежит поверх половины атомов в другом. ^[193] Порядок наложения и ориентация определяют оптические и электронные свойства двухслойного графена.

Одним из способов синтеза двухслойного графена является химическое осаждение из паровой фазы , которое может создавать большие двухслойные области, которые почти полностью соответствуют геометрии стопки Бернала. ^[193]

Было показано, что два графеновых слоя могут противостоять значительным деформациям или ошибкам с допированием ^[194], что в конечном итоге должно привести к их расслаиванию.

Сверхрешетки графена [ править ]

Периодически уложенный графен и его изолирующий изоморф представляют собой интересный структурный элемент в реализации высокофункциональных сверхрешеток на атомном уровне, что открывает возможности для разработки наноэлектронных и фотонных устройств. Сверхрешетки различных типов могут быть получены путем укладки графена и родственных ему форм. ^[195]Энергетическая зона в слоистых сверхрешетках оказалась более чувствительной к ширине барьера, чем в обычных полупроводниковых сверхрешетках AIIIBV. При добавлении к барьеру более одного атомного слоя в каждом периоде связь электронных волновых функций в соседних потенциальных ямах может быть значительно уменьшена, что приводит к вырождению непрерывных подзон в квантованные уровни энергии. При изменении ширины ямы уровни энергии в потенциальных ямах вдоль направления LM ведут себя иначе, чем уровни вдоль направления KH.

Сверхрешетка соответствует периодическому или квазипериодическому расположению различных материалов и может быть описана периодом сверхрешетки, который придает системе новую трансляционную симметрию, влияя на их фононные дисперсии и, следовательно, на их теплопередающие свойства. Недавно однородные однослойные структуры графен-hBN были успешно синтезированы с помощью литографии, сочетающейся с химическим осаждением из паровой фазы (CVD). ^[196] Кроме того, сверхрешетки графен-hBN являются идеальными модельными системами для реализации и понимания когерентного (волнового) и некогерентного (частицоподобного) переноса тепла фононов. ^{[197] [198]}

Графеновые наноленты [ править ]

Графеновые наноленты («нанополоски» в «зигзагообразной» ориентации) при низких температурах демонстрируют спин-поляризованные краевые металлические токи, что также предполагает их применение в новой области спинтроники . (В «кресле» края ведут себя как полупроводники. ^[63] )

Квантовые точки графена [ править ]

Графен квантовая точка (GQD) представляет собой фрагмент графен с размером менее 100 нм. Свойства GQD отличаются от «объемного» графена из-за эффектов квантового ограничения, которые проявляются только тогда, когда размер меньше 100 нм. ^{[199] [200] [201]}

Оксид графена [ править ]

Используя методы изготовления бумаги на диспергированном, окисленном и химически обработанном графите в воде, однослойные хлопья образуют единый лист и создают прочные связи. Эти листы, называемые бумагой из оксида графена , имеют измеренный модуль упругости при растяжении 32 ГПа . ^[202] Химические свойства оксида графита связаны с функциональными группами, прикрепленными к листам графена. Они могут изменить путь полимеризации и аналогичные химические процессы. ^[203] Чешуйки оксида графена в полимерах обладают улучшенными светопроводящими свойствами. ^[204]Графен обычно гидрофобен и непроницаем для всех газов и жидкостей (герметичен). Однако при формировании капиллярной мембраны на основе оксида графена и жидкая вода, и водяной пар проходят через нее так быстро, как если бы мембраны не было. ^[205]

Химическая модификация [ править ]

Растворимые фрагменты графена могут быть получены в лаборатории ^[206] путем химической модификации графита. Сначала микрокристаллический графит обрабатывают кислой смесью серной и азотной кислот . Последовательность этапов окисления и расслоения дает небольшие графеновые пластинки с карбоксильными группами по краям. Они превращаются в хлорангидридные группы обработкой тионилхлоридом ; затем они превращаются в соответствующий амид графена путем обработки октадециламином. Полученный материал (круглые графеновые слои толщиной 5,3  Å или 5,3 × 10 ^-10  м ) растворим втетрагидрофуран , тетрахлорметан и дихлорэтан .

Кипячение однослойного оксида графена (SLGO) в растворителях приводит к уменьшению размера и складыванию отдельных листов, а также к потере функциональности карбоксильных групп до 20%, что указывает на термическую нестабильность листов SLGO в зависимости от методологии их приготовления. При использовании тионилхлорида образуются ацилхлоридные группы, которые затем могут образовывать алифатические и ароматические амиды с конверсией реакционной способности около 70–80%.

Гидразиновый рефлюкс обычно используется для восстановления SLGO до SLG (R), но титрование показывает, что теряется только около 20–30% карбоксильных групп, оставляя значительное количество доступным для химического связывания. Анализ SLG (R), образованного этим путем, показывает, что система нестабильна и использование перемешивания при комнатной температуре с HCl (<1,0 M) приводит к потере примерно 60% функциональности COOH. Обработка SLGO карбодиимидами при комнатной температуре приводит к коллапсу отдельных листов в звездообразные кластеры, которые в дальнейшем проявляют плохую реакционную способность с аминами (примерно 3-5% превращения промежуточного продукта в конечный амид). ^[207]Очевидно, что обычная химическая обработка карбоксильных групп на SLGO вызывает морфологические изменения отдельных листов, что приводит к снижению химической активности, что потенциально может ограничить их использование в синтезе композитов. Таким образом, были изучены типы химических реакций. SLGO также был привит полиаллиламином , поперечно сшитым через эпоксидные группы. При фильтрации в бумагу из оксида графена эти композиты демонстрируют повышенную жесткость и прочность по сравнению с бумагой из немодифицированного оксида графена. ^[208]

Полное гидрирование с обеих сторон листа графена приводит к графану , а частичное гидрирование приводит к гидрированному графену. ^[209] Аналогичным образом, двустороннее фторирование графена (или химическое и механическое расслоение фторида графита) приводит к фторографену (фториду графена), ^{[210] в} то время как частичное фторирование (обычно галогенирование) дает фторированный (галогенированный) графен.

Графеновый лиганд / комплекс [ править ]

Графен может быть лигандом для координации металлов и ионов металлов путем введения функциональных групп. Структуры графеновых лигандов подобны, например, комплексу металл- порфирин, комплексу металл- фталоцианина и комплексу металл- фенантролин . Ионы меди и никеля могут координироваться с графеновыми лигандами. ^{[211] [212]}

Графеновое волокно [ править ]

В 2011 году исследователи сообщили о новом, но простом подходе к изготовлению графеновых волокон из графеновых пленок, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. ^[213] Этот метод был масштабируемым и управляемым, обеспечивая настраиваемую морфологию и структуру пор за счет контроля испарения растворителей с подходящим поверхностным натяжением. Гибкие твердотельные суперконденсаторы на основе этого графенового волокна были продемонстрированы в 2013 году ^[214].

В 2015 году внедрение небольших фрагментов графена в промежутки, образованные более крупными свернутыми в спираль листами графена, после отжига обеспечило пути для проводимости, в то время как фрагменты помогли укрепить волокна. ^{[ фрагмент предложения ]} Полученные волокна обладают лучшей теплопроводностью, электрической проводимостью и механической прочностью. Теплопроводность достигла 1290  Вт / м / К (1290 Вт на метр на кельвин), а предел прочности на разрыв - 1080  МПа (157000  фунтов на квадратный дюйм ). ^[215]

В 2016 году непрерывные графеновые волокна километрового масштаба с выдающимися механическими свойствами и отличной электропроводностью были произведены путем высокопроизводительного мокрого прядения жидких кристаллов оксида графена с последующей графитизацией в рамках полномасштабной синергетической стратегии разработки дефектов. ^[216] Графеновые волокна с превосходными характеристиками обещают широкое применение в функциональных тканях, легких двигателях, микроэлектронных устройствах и т. Д.

Университет Цинхуа в Пекине, возглавляемый Вэй Фэем с факультета химической инженерии, утверждает, что может создать волокно из углеродных нанотрубок, которое имеет предел прочности на разрыв 80  ГПа (12 000 000  фунтов на квадратный дюйм ). ^[217]

3D графен [ править ]

В 2013 году трехмерные соты из шестиугольного углерода были названы трехмерным графеном, также был получен самонесущий трехмерный графен. ^[218] Трехмерные структуры графена могут быть изготовлены с использованием методов химического осаждения из паровой фазы или растворов. Обзор Хуррама и Сюй и др. За 2016 г. представил краткое изложение современных методов изготовления трехмерной структуры графена и других связанных двумерных материалов. ^[219] В 2013 году исследователи из Университета Стони Брук сообщили о новом инициированном радикалами методе сшивания для изготовления пористых трехмерных автономных архитектур из графена и углеродных нанотрубок с использованием наноматериалов в качестве строительных блоков без какой-либо полимерной матрицы в качестве основы. ^[220]Эти трехмерные графеновые (полностью углеродные) каркасы / пены находят применение в нескольких областях, таких как хранение энергии, фильтрация, терморегулирование и биомедицинские устройства и имплантаты. ^{[219] [221]}

Коробчатая наноструктура графена (BSG), возникающая после механического разрушения пиролитического графита, была опубликована в 2016 году. ^[222] Обнаруженная наноструктура представляет собой многослойную систему параллельных полых наноканалов, расположенных вдоль поверхности и имеющих четырехугольное поперечное сечение. Толщина стенок канала примерно равна 1 нм. Возможные области применения BSG: сверхчувствительные детекторы , высокопроизводительные каталитические ячейки, наноканалы для секвенирования ДНК и манипуляции с ней, высокопроизводительные теплоотводящие поверхности, аккумуляторные батареи повышенной производительности, наномеханические резонаторы., каналы размножения электронов в эмиссионных наноэлектронных устройствах, высокоемкие сорбенты для безопасного хранения водорода .

Сообщалось также о трехмерном двухслойном графене. ^{[223] [224]}

Столбчатый графен [ править ]

Столбчатый графен - это гибридный углерод, структура, состоящая из ориентированного массива углеродных нанотрубок, соединенных каждым концом с листом графена. Впервые он был теоретически описан Джорджем Фроудакисом и его коллегами из Университета Крита в Греции в 2008 году. Графен с столбиками еще не был синтезирован в лаборатории, но было высказано предположение, что он может иметь полезные электронные свойства или использоваться в качестве материала для хранения водорода. .

Армированный графен [ править ]

Графен, армированный армирующими стержнями из углеродных нанотрубок (« арматурным стержнем »), легче манипулировать, улучшая при этом электрические и механические качества обоих материалов. ^{[225] [226]}

Функционализированные одно- или многослойные углеродные нанотрубки наносят методом центрифугирования на медную фольгу, а затем нагревают и охлаждают, используя сами нанотрубки в качестве источника углерода. При нагревании функциональные углеродные группы распадаются на графен, в то время как нанотрубки частично расщепляются и образуют ковалентные связи в плоскости с графеном, добавляя прочность. Стекирующие π – π- домены добавляют больше прочности. Нанотрубки могут перекрываться, что делает материал более проводящим, чем стандартный графен, выращенный методом CVD. Нанотрубки эффективно перекрывают границы зерен обычного графена. Этот метод устраняет следы подложки, на которую были нанесены разделенные позже листы с помощью эпитаксии. ^[225]

Пакеты из нескольких слоев были предложены как экономичная и физически гибкая замена оксида индия и олова (ITO), используемого в дисплеях и фотоэлектрических элементах . ^[225]

Формованный графен [ править ]

В 2015 году исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне (UIUC) разработали новый подход к формированию трехмерных фигур из плоских двухмерных листов графена. ^[227] Пленка графена, которая была пропитана растворителем, чтобы она набухла и стала податливой, была наложена на нижележащий субстрат «формирователь». Растворитель со временем испарился, оставив после себя слой графена, который принял форму основной структуры. Таким образом они смогли создать ряд относительно сложных микроструктурированных форм. ^[228] Размеры варьируются от 3,5 до 50 мкм. Чистый графен и украшенный золотом графен были успешно интегрированы с подложкой. ^[229]

Графеновый аэрогель [ править ]

Аэрогель из графеновых слоев , разделенных углеродных нанотрубок была измерена при 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр. Раствор графена и углеродных нанотрубок в форме подвергается сублимационной сушке для обезвоживания раствора, оставляя аэрогель. Материал обладает превосходной эластичностью и впитываемостью. Он может полностью восстанавливаться после сжатия более 90% и впитывать масло, в 900 раз превышающее его вес, со скоростью 68,8 грамма в секунду. ^[230]

Графеновая нанопленка [ править ]

В 2015 году спиральная форма графена была обнаружена в графитном углероде (угле). Эффект спирали создается дефектами в гексагональной сетке материала, которые заставляют его закручиваться по спирали вдоль края, имитируя риманову поверхность , причем поверхность графена приблизительно перпендикулярна оси. Когда на такую ​​катушку подается напряжение, по спирали течет ток, создавая магнитное поле. Это явление применимо к спиралям с зигзагообразным узором или узором «кресло», хотя и с другим распределением тока. Компьютерное моделирование показало, что обычный спиральный индуктор диаметром 205 микрон может соответствовать нанопленке шириной всего 70 нанометров, а напряженность поля достигает 1 тесла . ^[231]

Нано-соленоиды, проанализированные с помощью компьютерных моделей в Райсе, должны быть способны создавать мощные магнитные поля силой около 1 тесла, примерно такие же, как катушки в обычных громкоговорителях, по словам Якобсона и его команды, и примерно такой же напряженности поля, как у некоторых МРТ. машины. Они обнаружили, что магнитное поле будет самым сильным в полой полости нанометровой ширины в центре спирали. ^[231]

Соленоид сделано с такой катушкой ведет себя как квантовый проводник которого распределение тока между сердечником и внешним изменяется в зависимости от приложенного напряжения, что приводит к нелинейной индуктивности . ^[232]

Мятый графен [ править ]

В 2016 году Университет Брауна представил метод «смятия» графена, добавляя морщины к материалу в наномасштабе. Это было достигнуто путем осаждения слоев оксида графена на термоусадочную пленку, затем она сморщилась, при этом пленка растворилась перед тем, как снова сморщиться на другом листе пленки. Скомканный графен стал супергидрофобным , и при использовании его в качестве электрода батареи было показано, что этот материал имеет увеличение на 400% плотности электрохимического тока . ^{[233] [234]}

Производство [ править ]

Был разработан быстро растущий список производственных технологий, позволяющих использовать графен в коммерческих приложениях. ^[235]

Изолированные 2D кристаллы не могут быть выращены с помощью химического синтеза сверх малых размеров даже в принципе, потому что быстрый рост плотности фононов с увеличением латерального размера вынуждает 2D кристаллиты изгибаться в третье измерение. Во всех случаях графен должен связываться с подложкой, чтобы сохранить свою двумерную форму. ^[19]

Небольшие графеновые структуры, такие как графеновые квантовые точки и наноленты, могут быть получены методами «снизу вверх», которые собирают решетку из мономеров органических молекул (например, лимонной кислоты, глюкозы). С другой стороны, методы «сверху вниз» позволяют резать объемные графитовые и графеновые материалы с помощью сильнодействующих химикатов (например, смешанных кислот).

Механический [ править ]

Механическое отшелушивание [ править ]

Гейм и Новоселов сначала использовали липкую ленту, чтобы оторвать листы графена от графита. Для получения одинарных слоев обычно требуется несколько этапов отшелушивания. После отшелушивания хлопья наносятся на силиконовую пластину. Могут быть получены кристаллиты размером более 1 мм, видимые невооруженным глазом. ^[236]

По состоянию на 2014 год в результате расслоения был получен графен с наименьшим количеством дефектов и наибольшей подвижностью электронов. ^[237]

В качестве альтернативы острый клин из монокристаллического алмаза проникает в источник графита и расслаивает слои. ^[238]

В 2014 г. бездефектные, неокисленные жидкости, содержащие графен, были изготовлены из графита с использованием смесителей, обеспечивающих локальные скорости сдвига более 10 × 10 ⁴ . ^{[239] [240]}

Сдвиг отшелушивание является еще одним методом , который при помощи роторно-статорного смеситель масштабируемого производства бездефектной Графен стал возможным ^[241] Было показан , что, как турбулентность , не является необходимой для механического пилинга, ^[242] низкой скорость шаровой мельницы является Показано, что он эффективен при производстве водорастворимого графена с высоким выходом.

Ультразвуковая эксфолиация [ править ]

Диспергирование графита в жидкой среде может производить графен обработкой ультразвуком с последующим центрифугированием , ^{[243] [244] с} получением концентраций2,1 мг / мл в N-метилпирролидоне . ^[245] Использование подходящей ионной жидкости в качестве жидкой диспергирующей среды позволило получить5,33 мг / мл . ^[246] Переупаковка является проблемой при использовании этой техники.

Добавление поверхностно-активного вещества к растворителю перед обработкой ультразвуком предотвращает повторную укладку за счет адсорбции на поверхности графена. Это дает более высокую концентрацию графена, но для удаления поверхностно-активного вещества требуется химическая обработка. ^{[ необходима цитата ]}

Звуковое воздействие на графит на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, в первую очередь гептана и воды, привело к образованию макромасштабных графеновых пленок. Листы графена адсорбируются на высокоэнергетической границе раздела между материалами и не допускают переупаковки. Листы примерно на 95% прозрачны и проводят ток. ^[247]

При определенных параметрах спайности коробчатую наноструктуру графена (БСГ) можно получить на кристалле графита . ^[222]

Расщепление монослоя углерода [ править ]

Нарезка нанотрубок [ править ]

Графен можно создать, открыв углеродные нанотрубки путем резки или травления. ^[248] В одном из таких методов многостенные углеродные нанотрубки разрезаются в растворе под действием перманганата калия и серной кислоты . ^{[249] [250]}

В 2014 году графен, армированный углеродными нанотрубками, был изготовлен путем центрифугирования и отжига функционализированных углеродных нанотрубок. ^[225]

Расщепление фуллерена [ править ]

Другой подход разбрызгивает бакиболлы на подложку на сверхзвуковой скорости. Шарики раскололись при ударе, и образовавшиеся в результате расстегнутые клетки затем склеились, образуя графеновую пленку. ^[251]

Химическая [ править ]

Восстановление оксида графита [ править ]

П. Бем сообщил о получении монослойных чешуек восстановленного оксида графена в 1962 году. ^{[252] [253]} Быстрое нагревание оксида графита и расслоение дает высокодисперсный углеродный порошок с несколькими процентами графеновых чешуек.

Другой метод - восстановление монослойных пленок оксида графита, например, гидразином с отжигом в аргоне / водороде с почти неповрежденным углеродным каркасом, что позволяет эффективно удалять функциональные группы. Измеренная подвижность носителей заряда превышала 1000 см / Вс (10 м / Вс). ^[254]

При сжигании DVD с покрытием из оксида графита была получена проводящая графеновая пленка (1738 сименс на метр) с удельной поверхностью (1520 квадратных метров на грамм), которая была высокопрочной и податливой. ^[255]

Дисперсная суспензия восстановленного оксида графена была синтезирована в воде методом гидротермальной дегидратации без использования каких-либо ПАВ. Это простой, промышленно применимый, экологически чистый и экономичный подход. Измерения вязкости подтвердили, что коллоидная суспензия графена (наножидкость графена) демонстрирует ньютоновское поведение, при этом вязкость очень похожа на вязкость воды. ^[256]

Расплавленные соли [ править ]

Частицы графита могут подвергаться коррозии в расплавленных солях с образованием различных углеродных наноструктур, включая графен. ^[257] Катионы водорода, растворенные в расплавленном хлориде лития, могут выводиться на катодно поляризованные графитовые стержни, которые затем интеркалируют, отслаивая листы графена. Полученные графеновые нанолисты имели монокристаллическую структуру с поперечным размером в несколько сотен нанометров и высокой степенью кристалличности и термической стабильности. ^[258]

Электрохимический синтез [ править ]

Электрохимический синтез может расслаивать графен. Изменение импульсного напряжения контролирует толщину, площадь чешуек, количество дефектов и влияет на их свойства. Процесс начинается с погружения графита в растворитель для интеркалирования. За процессом можно следить, отслеживая прозрачность раствора с помощью светодиода и фотодиода.^{[259] [260]}

Гидротермальная самосборка [ править ]

Графен был получен с использованием сахара (например, глюкозы , сахара , фруктозы и т. Д.). Этот восходящий синтез без использования субстрата более безопасен, проще и экологически безопаснее, чем отшелушивание. Этот метод позволяет контролировать толщину, от однослойного до многослойного, что известно как «метод Танга-Лау». ^{[261] [262] [263] [264]}

Пиролиз этоксида натрия [ править ]

Гры-величины были получены восстановлением этанола с помощью натрия металла, с последующим пиролизом и промывкой водой. ^[265]

Окисление в микроволновой печи [ править ]

В 2012 году сообщалось, что микроволновая энергия позволяет напрямую синтезировать графен за один этап. ^[266] Этот подход позволяет избежать использования перманганата калия в реакционной смеси. Также сообщалось, что с помощью микроволнового излучения оксид графена с дырками или без них можно синтезировать, контролируя время микроволнового излучения. ^[267] Микроволновое нагревание может значительно сократить время реакции с нескольких дней до секунд.

Графен также можно получить с помощью гидротермального пиролиза с помощью микроволн ^{[199] [200]}

Термическое разложение карбида кремния [ править ]

Нагрев карбида кремния (SiC) до высоких температур (1100 ° C ) при низких давлениях (около 10 ^-6 торр или 10 ^-4 Па) превращает его в графен. ^{[89] [90] [91] [92] [93] [268]}

Химическое осаждение из паровой фазы [ править ]

Эпитаксия [ править ]

Эпитаксиальный рост графена на карбиде кремния - это технология производства графена в масштабе пластины. Эпитаксиальный графен может быть связан с поверхностями достаточно слабо (силами Ван-дер-Ваальса ), чтобы сохранить двумерную электронную зонную структуру изолированного графена. ^[269]

Обычная кремниевая пластина, покрытая слоем германия (Ge), смоченным в разбавленной фтористоводородной кислоте, удаляет естественно образующиеся оксидные группы германия , создавая германий с концевыми водородными группами. CVD может покрыть это графеном. ^{[270] [271]}

Прямой синтез графена на изоляторе TiO ₂ с высокой диэлектрической проницаемостью (high-κ). Показано, что двухэтапный процесс CVD позволяет выращивать графен непосредственно на кристаллах TiO ₂ или на слоистых нанолистах TiO ₂ без использования какого-либо металлического катализатора. ^[272]

Металлические подложки [ править ]

Графен CVD может быть выращен на металлических подложках, включая рутений, ^[273] иридий, ^[274] никель ^[275] и медь ^{[276] [277]}

Roll-to-roll [ править ]

В 2014 году был объявлен двухэтапный процесс производства рулонов. На первом этапе от рулона к рулону графен производится путем химического осаждения из паровой фазы. На втором этапе графен связывается с подложкой. ^{[278] [279]}

Холодная стена [ править ]

Было заявлено, что выращивание графена в промышленной CVD-системе с резистивным нагревом и холодной стенкой позволяет производить графен в 100 раз быстрее, чем традиционные системы CVD, сокращать затраты на 99% и производить материал с улучшенными электронными качествами. ^{[280] [281]}

Графен CVD шкалы пластин [ править ]

Графен CVD является масштабируемым и был выращен на осажденном тонкопленочном катализаторе Cu на стандартных пластинах Si / SiO ₂ от 100 до 300 мм ^{[282] [283] [284]} в системе Axitron Black Magic. Покрытие монослоя графена> 95% достигается на подложках от 100 до 300 мм с незначительными дефектами, что подтверждается обширным рамановским картированием. ^{[283] [284]}

Уменьшение углекислого газа [ править ]

В результате сильно экзотермической реакции магний сжигается в окислительно-восстановительной реакции с диоксидом углерода, образуя углеродные наночастицы, включая графен и фуллерены . ^[285]

Сверхзвуковой спрей [ править ]

Сверхзвуковое ускорение капель через сопло Лаваля использовалось для нанесения восстановленного оксида графена на подложку. Энергия удара перестраивает эти атомы углерода в безупречный графен. ^{[286] [287]}

Лазер [ править ]

В 2014 году СО
₂ инфракрасный лазер произвел и структурировал пористые трехмерные графеновые пленочные сети из коммерческих полимерных пленок. Результат демонстрирует высокую электропроводность. Лазерное производство, по-видимому, позволило производить процессы производства рулонов. ^[288]

Ионная имплантация [ править ]

Ускорение ионов углерода внутри электрического поля в полупроводнике, сделанном из тонких никелевых пленок на подложке из SiO ₂ / Si, создает слой графена размером 4 дюйма (100 мм) без складок / разрывов / остатков графена при относительно низком температура 500 ° С. ^{[289] [290]}

CMOS-совместимый графен [ править ]

Интеграция графена в широко используемый процесс изготовления КМОП требует его прямого синтеза без переноса на диэлектрических подложках при температурах ниже 500 ° C. На IEDM 2018 исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре продемонстрировали новый КМОП-совместимый процесс синтеза графена при 300 ° C, подходящий для приложений внутреннего уровня ( BEOL ). ^{[291] [292] [293]} Процесс включает в себя давление при содействии твердотельных диффузий из углерода через тонкую пленку металлического катализатора. Было показано, что синтезированные пленки графена большой площади демонстрируют высокое качество (черезРамановская характеристика) и аналогичные значения удельного сопротивления по сравнению с пленками графена, синтезированными методом высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы, одинакового поперечного сечения до ширины 20 нм .

Моделирование [ править ]

Помимо экспериментального исследования графена и устройств на его основе, важной темой исследований является их численное моделирование и моделирование. Формула Кубо дает аналитическое выражение для проводимости графена и показывает, что она является функцией нескольких физических параметров, включая длину волны, температуру и химический потенциал. ^[294] Более того, была предложена модель поверхностной проводимости, которая описывает графен как бесконечно тонкий (двусторонний) лист с локальной и изотропной проводимостью. Эта модель позволяет получить аналитические выражения для электромагнитного поля в присутствии графенового листа в терминах диадической функции Грина (представленной с помощью интегралов Зоммерфельда) и возбуждающего электрического тока. ^[295]Несмотря на то, что эти аналитические модели и методы могут предоставить результаты для нескольких канонических проблем для целей тестирования, многие практические проблемы, связанные с графеном, такие как проектирование электромагнитных устройств произвольной формы, аналитически неразрешимы. Благодаря недавним достижениям в области вычислительной электромагнетизма (CEM), стали доступны различные точные и эффективные численные методы для анализа взаимодействий электромагнитного поля и волн на графеновых листах и ​​/ или устройствах на основе графена. Предлагается исчерпывающий обзор вычислительных инструментов, разработанных для анализа устройств / систем на основе графена. ^[296]

Аналоги графена [ править ]

Аналоги графена ^[297] (также называемые «искусственным графеном») представляют собой двумерные системы, которые проявляют свойства, аналогичные графену. Аналоги графена интенсивно изучаются с момента открытия графена в 2004 году. Люди пытаются разработать системы, в которых физику легче наблюдать и манипулировать, чем в графене. В этих системах электроны не всегда являются частицами, которые используются. Это могут быть оптические фотоны, ^[298] микроволновые фотоны, ^[299] плазмоны, ^[300] поляритоны ^{[301] для} микрополостей, ^[301] или даже атомы. ^[302] Кроме того, сотовая структура, в которой развиваются эти частицы, может иметь другую природу, чем атомы углерода в графене. Это может быть, соответственно,фотонный кристалл , массив металлических стержней , металлических наночастиц , решетка связанных микрополостей или оптическая решетка .

Приложения [ править ]

Графен - это прозрачный и гибкий проводник, который имеет большие перспективы для использования в различных материалах / устройствах, включая солнечные элементы, ^[303] светодиоды (LED), сенсорные панели и умные окна или телефоны. ^[304] Смартфоны с графеновыми сенсорными экранами уже представлены на рынке.

В 2013 году Head анонсировала новую линейку графеновых теннисных ракеток. ^[305]

По состоянию на 2015 год для коммерческого использования доступен один продукт: порошок для принтера, наполненный графеном. ^[306] Многие другие применения графены были предложены или находятся в стадии разработки, в областях , включая электронику, биоинженерию , фильтрацию , легкие / сильные композитные материалы , фотоэлектрические и аккумулирование энергии . ^{[219] [307]} Графен часто получают в виде порошка и дисперсии в полимерной матрице. Предполагается, что эта дисперсия подходит для современных композитов ^{[308] [309]}краски и покрытия, смазочные материалы, масла и функциональные жидкости, конденсаторы и батареи, приложения для управления температурным режимом, материалы для дисплеев и упаковка, солнечные элементы, чернила и материалы для 3D-принтеров, а также барьеры и пленки. ^[310]

В 2016 году исследователям удалось создать графеновую пленку, которая может поглощать 95% падающего на нее света. ^[311]

Дешевлеет и графен. В 2015 году ученые из Университета Глазго нашли способ производить графен по цене в 100 раз меньше, чем предыдущие методы. ^[312]

2 августа 2016 года новая модель Mono от BAC, как сообщается, будет сделана из графена и станет первой из легковых дорожных автомобилей и серийных автомобилей. ^{[313] [314]}

В январе 2018 года спиральные индукторы на основе графена, использующие кинетическую индуктивность при комнатной температуре, были впервые продемонстрированы в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре под руководством Каустава Банерджи . Предполагалось, что эти катушки индуктивности позволят значительно уменьшить размеры радиочастотных интегральных схем . ^{[315] [316] [317]}

Потенциал эпитаксиального графена на SiC для метрологии был продемонстрирован с 2010 года, демонстрируя точность квантования квантового сопротивления Холла в три части на миллиард в однослойном эпитаксиальном графене. На протяжении многих лет была продемонстрирована точность квантования холловского сопротивления до частей на триллион и гигантские квантовые плато Холла. Развитие инкапсуляции и легирования эпитаксиального графена привело к коммерциализации стандартов квантового сопротивления эпитаксиального графена. ^[318]

Риски для здоровья [ править ]

Токсичность графена широко обсуждалась в литературе. Наиболее полный обзор токсичности графена, опубликованный Lalwani et al. исключительно суммирует in vitro, in vivo, антимикробные и экологические эффекты и подчеркивает различные механизмы токсичности графена. ^[319] Результаты показывают, что токсичность графена зависит от нескольких факторов, таких как форма, размер, чистота, этапы постпроизводственной обработки, окислительное состояние, функциональные группы, состояние дисперсии, методы синтеза, способ и доза введения, а также время воздействия. . ^[320]

Исследования в Университете Стони Брук показали, что графеновые наноленты , графеновые нанопластинки и графеновые нано-луковицы нетоксичны при концентрациях до 50 мкг / мл. Эти наночастицы не изменяют дифференциацию стволовых клеток костного мозга человека в сторону остеобластов (кости) или адипоцитов (жир), что позволяет предположить, что при низких дозах наночастицы графена безопасны для биомедицинских применений. ^[321] Исследования в Университете Брауна показали, что многослойные хлопья графена толщиной 10 мкм способны пробивать клеточные мембраны в растворе. Было замечено, что первоначально они входили через острые и зазубренные точки, что позволяло графену проникать в клетку. Физиологические эффекты этого остаются неопределенными, и эта область остается относительно неизученной. ^{[322] [323]}

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]