Графен: необычный потенциал весьма обычного материала

Генеральная Ассамблея ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии. Кристаллография — это наука, вклад которой практически во все новые технологии трудно переоценить. Одним из самых интересных научных открытий последних лет является графен — новая форма кристаллического углерода, которая в отличие от алмаза формирует невероятно тонкую кристаллическую сетку атомов. По своей прочности она в 200 раз крепче стали. В 2010 г. двое российских ученых — Андрей Гейм и Константин Новоселов — получили Нобелевскую премию по физике за свои передовые опыты с графеном. Профессор Росица Якимова из Линкьопинского университета в Швеции считает, что в течение ближайшего десятилетия графен может революционизировать сферу новых технологий. С ней побеседовал Никола Крастев.

*****

РЯ: Об этом материале уже написано много, с большой скоростью появляются новые статьи. В основе всего этого интереса лежат необычайные свойства графена — это совершенно новый класс материала.

НК: В чем его инновационность?

Дело в том, что графен — первый двумерный материал, он существует всего лишь в двух измерениях, поскольку толщина кристаллической сетки углерода составляет всего лишь один атом. Графен, так сказать, растет только в ширину и длину, это невероятно тонкий слой. На сегодня графен — самый тонкий материал, который когда-либо был изолирован, толщина, как я уже сказала — всего лишь один атом углерода. Это первое.

Второе, графен — исключительно крепкий материал, его трудно разорвать, он в 200 раз крепче, чем сталь, Именно по причине невероятной своей прочности, предполагается, что у графена огромный потенциал для применения в самых разных технологических направлениях. Графен прекрасно проводит электричество и обладает такими свойствами своей электронной сетки, которые очень интересны для создания новых приборов.

Возможное приложение графена находится пока на теоретической стадии, потому что производство этого материала весьма сложно и не достигло уровня массового производства. Однако в силу большой подвижности электронов в графене можно с уверенностью предсказать создание сверхскоростных транзисторов, которые могут заменить существующие в компьютерах транзисторы на кремниевой основе.

Это даст возможность уменьшить размеры и в то же время увеличить плотность этих приборов, и, что самое интересное, — уменьшить на порядок потребление энергии. Графен — очень многообещающий материал.

НК: С чем это связано и как были обнаружены необычайные свойства графена?

РЯ: Это связано, прежде всего, с его кристаллической структурой: атомы углерода расположены в виде решетки, напоминающей медовые соты. Такое расположение обеспечивает исключительно прочную атомную структуру.

НК: Профессор Якимова, для меня, как обычного человека, довольно необычно выглядит сам факт, что это форма самого обычного вещества — углерода. Почему эта форма углерода была обнаружена так поздно — менее 10 лет назад?

РЯ: На самом деле о существовании графена теоретически стало известно еще в 1947 г. Энергетическая структура графена была предсказана и рассчитана канадским ученым Филиппом Уоллесом. В то время активно проводились исследования свойств разных форм графита. Тот же углерод может образовать обычный графит, из него созданы также алмазы, а в определенных своих модификациях тот же углерод превращается в графен. Все зависит от термодинамических условий, при которых одни и те же атомы образуют связь между собой разными способами.

НК: Расскажите, пожалуйста, в чем состоят трудности практического приложения этого материала?

РЯ: Несмотря на то, что теоретически графен был предсказан еще в 1947 году, в то время он не был разработан. Ученые в то время считали, что такой исключительно тонкий, двумерный материал не может существовать в природе по причине того, что он был бы нестабильным. Предполагалось, что в таком тонком состоянии графен будет распадаться под влиянием окружающей среды. Поэтому никто и не пытался его создать.

Однако в 2004 году графен был впервые изолирован при помощи обычной клейкой ленты, которую прижимали к обычному блоку графита.

То, что оставалось на ленте, было один или два слоя графита, который приобретал уже совершенно другие, отличные от графита физические свойства. Это и есть графен.

Странные электроны графена | Наука и жизнь

Обнаружены необычные свойства поведения электронов в графене, пока теоретически.

Графен – двумерный материал, состоящий из атомов углерода, уложенных в шестиугольную решетку. Если посмотреть на грифель карандаша под мощным микроскопом, то можно увидеть, что он имеет слоистую структуру, где каждый слой и есть графен. Его высокая электрическая проводимость наряду с хорошей теплопроводностью и прочностью делает этот материал очень перспективным для применения в наноэлектронике. Хотя теоретически его изучают с 1947 года, а экспериментально с 2004 года, полного понимания его свойств так и не достигнуто.

Идеальная кристаллическая решетка графена.

‹

›

Носителями заряда в графене служат не просто обычные отдельные электроны, как в металле, а их группы, в которых поведение электронов взаимосвязано и определяется их взаимодействием между собой и с ионами кристаллической решётки. Поведение такой группы электронов похоже на поведение особой заряженной частицы. Физики называют подобные объекты квазичастицами (приставка «квази» означает «нечто вроде», «наподобие»).

Такая квазичастица при учёте зарядов ионов имеет электрический заряд, равный заряду электрона, но сильно отличается от него по другим свойствам. Например, два свободных электрона всегда отталкиваются, а между двумя квазичастицами может возникать эффективное притяжение. Они даже могут образовать своего рода «атом», состоящий из двух электрически одинаково заряженных квазичастиц. Физики называют это локализованным состоянием квазичастиц, то есть их нахождением в ограниченной области – локации. Квазичастицы также имеют другую по сравнению со свободным электроном зависимость энергии от импульса (спектр).

Сотрудники теоретического отдела Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) обнаружили новые весьма необычные свойства взаимодействия электронов в графене, которые могут пролить свет на некоторые из свойств самого графена. Об этом они рассказали в статьях, опубликованных в журналах «Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures» и «Physical Review B».

При абсолютном нуле температуры заряженные квазичастицы занимают все состояния с энергиями ниже некоторой. Эта максимальная энергия называется энергией Ферми. Исследователи рассмотрели две квазичастицы, имеющие энергии выше энергии Ферми, и обнаружили, что они способны образовать локальные состояния двух видов. Первый такой «атом» возникает в процессе рассеяния одной квазичастицы на другой. Взаимодействие этих квазичастиц между собой и время жизни состояния зависит от разницы между их энергией и энергией Ферми. Чем больше эта разница – тем больше время жизни. Во втором случае время жизни локализованного состояния формально – бесконечно, но пока неясен способ его рождения.

По материалам ИЯФ СО РАН

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Химики из США предложили метод получения графеновых нанолистков из обыкновенного кокса или каменного угля. Подробности со ссылкой на статью ученых в журнале Nature Communications приводит университет Райса.

Исследователи смогли получить из угля наночастицы, которые являются квантовыми точками, то есть объектами, которые ведут себя подобно одному атому. Графеновые диски диаметром от 4 до 40 нанометров имеют собственные энергетические уровни и за счет этого оказались способны поглощать и испускать кванты света на определенной длине волны. Иными словами, они флуоресцируют, светятся при облучении их светом с большей энергией квантов.

Эксперименты показали, что такие частицы можно растворить в воде и они, по предварительным данным, не оказывают токсического действия. Уголь при этом намного дешевле традиционно используемого в качестве сырья для синтеза графеновых чешуек графита. По словам авторов открытия, тонна графита стоит около 2000 долларов США, в Китае тонна графита продается по 800 долларов, а уголь при этом стоит от 10 до 60 долларов за тонну (в США, где было выполнено исследование).

Синтез графеновых наночастиц требует разрушения угля ультразвуком. Полученный порошок нагревают в растворе кислот и выдерживают около суток, после чего на выходе получается масса, которая содержит до 20 массовых процентов искомых частиц. Некоторые из них, как показал анализ, встречаются не в чистом виде, а с прилипшими фрагментами аморфного углерода, но для ряда задач эти примеси не столь существенны. Ученые предполагают, что для флуоресцентных красителей или солнечных батарей их графен окажется достаточно чистым.

Материалы по теме

13:17 — 24 июня 2013

Графен представляет собой одну из многочисленных аллотропных модификаций углерода. Графеновая кристаллическая решетка, в отличие от других форм углерода, двумерна и ее существование вплоть до 2005 года ставилось под сомнение: плоский лист толщиной в один атом термодинамически неустойчив. Первооткрыватели графена, Андрей Гейм и Константин Новоселов, показали невозможность кристаллизации графена из расплава, но смогли отщепить графеновые слои от обычного графита при помощи липкой ленты. Теоретические исследования графена выявили множество уникальных свойств этого материала и за свое открытие Гейм и Новоселов получили нобелевскую премию по физике.

Вопрос 2. Кристаллическая структура графена.

Кристаллическая структура      

Кристаллическая решётка графена (Рис. 10) представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что её обратная решётка тоже будет гексагональной. В элементарной ячейке кристалла находятся два атома, обозначенные A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге на вектора трансляций (любой вектор вида, где m и n — любые целые числа) образует подрешётку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. На рисунке 10 представлены две подрешётки атомов, закрашенные разными цветами: зелёным и красным.

Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках, обозначенное a₀, составляет 0,142 нм. Постоянную решётки (a) можно получить из простых геометрических соображений. Она равна , то есть 0,246 нм. Если определить за начало координат точку, соответствующую узлу кристаллической решётки (подрешётка A), из которой начинаются векторы трансляций: e₁,e₂ с длиной векторов, равной a, и ввести двумерную декартову систему координат в плоскости графена с осью ординат, направленной вверх, и осью абсцисс, направленной по отрезку, соединяющему соседние узлы A и B, то тогда координаты концов векторов трансляций, начинающихся из начала координат, запишутся в виде:

,

а соответствующие им вектора обратной решётки:

(без множителя 2π). В декартовых координатах положение ближайших к узлу подрешётки A (все атомы которой на рисунке 3 показаны красным) в начале координат, атомов из подрешётки B (показаны соответственно зелёным цветом) задаётся в виде:

 

С точки зрения своих электронных свойств, графен является двумерным полупроводником с нулевой запрещенной зоной (Рис. 1б). Квазичастицы в графене имеют линейный закон дисперсии E=ћkν_F подобно безмассовым релятивистским частицам, где роль скорости света играет Фермиевская скорость ν_F ≈ c/300. Вследствие линейности спектра, можно ожидать, что поведение квазичастиц в графене будет в корне отличаться от поведения квазичастиц в обычных металлах и полупроводниках, имеющих параболический закон дисперсии и подобных свободным электронам.

 

Графен, нанотрубки и все-все-все – аналитический портал ПОЛИТ.РУ

 

Интеллектуальный партнер проекта

Создание новых материалов – это путь, пожалуй, максимально быстрого применения последних достижений физики и химии в практической области. Современное материаловедение достигло уровня, на котором рассматривается связь строения веществ на атомном и молекулярном масштабе с их свойствами в макромире.  В течение года мы неоднократно рассказывали о разработанных учеными новых материалах в новостях и обзорах ProScience, в лекциях Полит. ру, однако всегда есть исследования, которые еще не были упомянуты. О некоторых из них мы хотим рассказать в конце года.

Много новых материалов, разработанных в 2013 году, связаны с  использованием графена, точнее с сочетанием этой формы углерода с другими веществами. Ученые из Массачусетского технологического института, как сообщает их статья в Science, получили графеновый полупроводник, нанеся слой графена на подложку из нитрида бора. При этом свойства графена изменяются в зависимости от того, под каким углом пересекаются его кристаллическая решетка и кристаллическая решетка нитрида бора. Другой коллектив исследователей сумел обосновать использование графена в качестве основы электродов в аккумуляторах. Согласно расчетам, литиевый аккумулятор с электродами из бора, нанесенного на графеновую основу, будет иметь емкость более 7,6 мегаджоулей на килограмм (примерно в пять раз больше современных).

Большая перспектива у технологии, опробованной испанскими исследователями. Ученые из Мадридского института передовых исследований в нанонауке (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia), Мадридского университета Комплутенсе (Universidad Complutense de Madrid) и Мадридского автономного университета (Universidad Autónoma de Madrid) попробовали нанести на графен тетроциано-пара-хинодиметан (TCNQ), графеновый слой при этом располагался на подложке из рубидия. TCNQ – это вещество с формулой (NC)₂CC₆H₄C(CN)₂. Оказалось, что при нанесении на графен оно приобретает магнитный момент: его молекулы располагаются зонами с одинаковой ориентацией спинов. Это явление в будущем можно будет использовать при создании электронных устройств, в которых для кодирования информации будет использоваться не только заряд, но и спин частиц (так называемая спинтроника). Эта технология позволит значительно улучшить устройства хранения и передачи информации. Статья испанских ученых была опубликована у Nature Physics.

В Китае создан аэрогель графена – самое легкое твердое вещество, в семь раз легче воздуха. Прошлый рекорд легкости твердых веществ принадлежал аэрографиту, плотность которого 0,18 миллиграмма на кубический сантиметр. Плотность аэрогеля графена 0,16 мг на кубический сантиметр. Он настолько легок, что один его кубический сантиметр может лежать на тычинках цветка или пухе одуванчика. Новый материал способен восстанавливаться после сжатия почти на 90%. Перспективная область его применения – ликвидация разливов нефти в океане. Аэрогель графена способен впитать нефть массой в 900 раз больше собственной. Скорость впитывания 68,8 граммов в секунду. Также его можно использовать как изоляционный материал и в качестве электрода в ионисторах.

Другая перспективная область – использование углеродных нанотрубок. Исследователи из Университета Уильяма Райса (Хьюстон, США) совместно с коллегами из Израиля и Нидерландов смогли в этом году заплести нанотрубки в волокно. Получившиеся нити сочетают в себе высокую прочность и гибкость с высокой электропроводностью, сравнимой с электропроводностью меди. Они найдут применение в электронике и технологии передачи электроэнергии на большие расстояния.

Журнал Nature Nanotechnology рассказал о разработанном учеными из Университета штата Мичиган и Института фотонных исследований в Барселоне (ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques) методе определения слабых колебаний электростатического поля при помощи углеродных нанотрубок. Этот метод основан на колебаниях нанотрубок в электрическом поле. Как сказал один из авторов исследования, силы, отражающиеся в этих колебаниях столь малы, что их можно сравнить «с гравитационным притяжением двух людей, находящихся на расстоянии 4,5 тысячи километров». Новая технология сможет регистрировать изменение спина отдельного электрона. Это сделает возможным значительное увеличение точности магнитно-резонансной томографии.

Весьма интересны и перспективны свойства станена – материала, аналогичного по строению графену, но состоящего не из атомов углерода, а из атомов олова. Группа исследователей под руководством профессора Шоучэн Чжана в Стенфордском университете занимается исследованием топологических изоляторов – материалов, поверхность которых электропроводна, а остальная часть представляет собой диэлектрик. В случае сверхтонкой пленки электропроводными оказываются края материала. Топологические изоляторы были предсказаны теоретически в 2005 году, а впервые синтезированы в 2008 (антимонид висмута). Ученые предполагают, что материал на основе станена с добавленными атомами фтора станет высокоэффективным топологическим изолятором. Предвидя блестящее будущее станена в качестве компонента микросхем, профессор Чжан даже предположил, что когда-нибудь кремниевую долину придется переименовать в Оловянную.

Несколько неожиданным оказалось появление в такой новейшей области физики конденсированных сред, как изучение топологических изоляторов, природного материала, тем не менее 2013 год принес и такой сюрприз. Найденный в старом руднике в Чехии, где когда-то добывали золото, минерал кавалюзит оказался наделенным свойствами топологического изолятора. Его описала в журнале Nano Letters группа немецких и швейцарских физиков во главе с Паскалем Герингом. Примерный состав этого минерала – Bi₂(Te,Se)₂(Se,S). При этом его качество оказалось выше, чем у полученных до сих пор синтетических изоляторов, так как он не содержит дефектов, приводящих к появлению областей проводимости внутри материала. Возможно, более выгодным будет добывать природный топологический изолятор, чем синтезировать искусственные.

Если упомянутый нами выше метод увеличения емкости литий-ионных аккумуляторов с использованием электродов из графена и бора пока находится на теоретической стадии, то другой способ, предложенный в Высшей технической школе Цюриха (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich),  можно реализовать уже сейчас. Группа исследователей под руководством Максима Коваленко смогла вырастить нанокристаллы олова и оксида олова размером от 9 до 23 нанометров с большой точностью. Нанокристаллы образуют подобие «губки», связывающей ионы лития и выпускающей их при разрядке аккумулятора. Один атом олова в нанокристалле способен связать до четырех ионов лития. Емкость аккумулятора, на аноде которого будут расположены эти нанокристаллы, увеличится в два раза по сравнению с существующими моделями. При этом емкость начальной зарядки отличаться не будет, но после многочисленных циклов зарядки и разрядки аккумулятора разница в емкости станет заметной.

Другая конструкция сверхмощных литиевых аккумуляторов представлена учеными из Университета Иллинойса. Они также получены благодаря наноматериалам: анод состоит из сплава олова и никеля, а катод из соли лития (LiMnO₂). Трехмерная структура анода и катода напоминает микроскопические «гребенки» с пористыми зубцами. Она обеспечивает быстрое прохождение химических реакций. Всё это позволяет новым батареям как запасать много энергии, так и выделять ее в краткое время.

Теоретические работы российских физиков предсказывают необычное поведение электронов в графене

Теоретические работы российских физиков предсказывают необычное поведение электронов в графене

22. 07.2019

Графен – это материал, который популярен благодаря своим уникальным электрическим, механическим и оптическим свойствам, а также уникальной теплопроводности. В будущем, возможно, этот материал получит широкое распространение в области наноэлектроники. С использованием этого материала учёные надеются создать энергоэффективные процессоры, способные обрабатывать больший объем данных при меньшем нагреве. Сотрудники теоретического отдела Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) при изучении электрон-электронного взаимодействия в графене обнаружили весьма необычные свойства этого процесса, которые могут пролить свет на некоторые из свойств графена. Результаты опубликованы в журналах Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures и Physical Review B.

Графен – двумерный материал, состоящий из атомов углерода, уложенных в шестиугольную решетку. Если посмотреть на грифель карандаша под мощным микроскопом, то можно увидеть, что он имеет слоистую структуру, где каждый слой и есть графен. Хотя теоретические исследования свойств этого материала начались еще в 1947 г., синтезировать графен для экспериментальных исследований долгое время не получалось, поскольку двумерный кристалл в трехмерном пространстве нестабилен. Получить графен удалось лишь в 2004 г. После синтеза этого материала началось интенсивное изучение его свойств, например, было показано, что графен обладает уникальной электрической проводимостью, а движение носителей заряда напоминает движение релятивистских частиц. Кроме того, материал обладает уникальной теплопроводностью и прочностью. За работы по созданию и изучению графена в 2010 году была присуждена Нобелевская премия.

 Для того, чтобы разобраться со свойствами графена и определить его место в прикладных областях науки и техники, необходимы как экспериментальные, так и теоретические исследования материала. Для понимания высокой проводимости требуется исследовать множество эффектов, таких как взаимодействие носителей заряда с примесями, с фононами (квазичастицами, описывающими колебания решетки) и между собой. Этими носителями заряда являются не обычные электроны, а конгломерат электронов, вовлечённых в движение благодаря взаимодействию между собой и с ионами кристаллической решётки. Этот конгломерат электронов (заряженная квазичастица) при учёте зарядов ионов, имеет электрический заряд, равный заряду электрона, но совершенно другую, по сравнению со свободным электроном, зависимость энергии от импульса (то есть спектр). Вблизи нулевого импульса эта зависимость является линейной, то есть напоминает спектр частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

 

Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решетку. Автор AlexanderAlUS. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11294534

 

«Высокая электрическая проводимость графена, которая и делает его перспективным для применения в наноэлектронике, определяется тем, что спектр заряженных квазичастиц в графене существенно отличается от их спектра в металлах и полупроводниках, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Иван Терехов. – Чтобы продвинуться в понимании свойств графена, мы сосредоточились на изучении взаимодействия носителей заряда в графене. При абсолютном нуле температуры заряженные квазичастицы занимают все состояния с энергиями ниже некоторой. Эта максимальная энергия называется энергией Ферми. Представим себе, что мы добавили ещё две квазичастицы выше энергии Ферми. Наши результаты показали, что взаимодействие этих квазичастиц между собой зависит от разницы между их энергией и энергией Ферми».

Существенная разница между взаимодействием двух свободных электронов и двух квазичастиц состоит в том, что два свободных электрона отталкиваются, а между двумя квазичастицами может возникать эффективное притяжение и даже образование локализованного состояния, своего рода атома, состоящего из двух электрически одинаково заряженных квазичастиц.

«Можно выделить два типа этих локализованных состояний. В первом случае локализованное состояние проявляет себя в виде долгоживущего резонанса, возникающего в процессе рассеяния одной квазичастицы на другой, – поясняет заведующий теоретическим отделом ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Александр Мильштейн. – Время жизни этого резонанса определяется разностью между энергией квазичастиц и энергией Ферми: чем больше эта разница – тем больше время жизни. Во втором случае время жизни локализованного состояния формально является бесконечным, но это состояние нельзя получить в процессе рассеяния, то есть требуется другой метод его рождения».

Таким образом, теоретические результаты сотрудников ИЯФ СО РАН, направленные на изучение поведения электронов в графене, могут не только пролить свет на понимание необычных свойств графена, но и открывают широкие возможности для экспериментального изучения необычных явлений, происходящих в этом материале.

Британские ученые получили графен в блендере

22 апреля 2014

Автор фото, Science Photo Library

Ученым удалось создать «чудо-материал» графен при помощи кухонного блендера.

По своим свойствам графен является одним из самых легких и жестких материалов с необычными свойствами электропроводности. Его применение может трансформировать производство электроники, а также внести коренные изменения и в другие технологии.

Группа исследователей из Ирландии и Великобритании смешала в обычном блендере графитовый порошок, полученный из грифеля карандашей, воду и жидкость для мытья посуды. Блендер включался на высокую скорость вращения.

Поисками новых возможностей использования этого уникального материала занимаются многие исследователи. Их главной задачей является изыскание путей производства бездефектного графена в больших объемах.

Графен является двумерной аллотропной модификацией углерода, образованной слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Графит фактически состоит из множества слоев графена.

Расслоение графита

Джонатан Коулман и его коллеги из Тринити-колледжа в Дублине проводили эксперименты с использованием различных специальных лабораторных миксеров, а также кухонных блендеров в качестве возможного инструмента для промышленного производства «чудо-материала».

В результате было установлено, что срезающей силы, получающейся в результате быстрого вращения лопастей блендера, было достаточно для расслоения графита и сохранения двухмерной структуры материала.

Подобные эксперименты не рекомендуется проводить в домашних условиях. Точное количество жидкости для мытья посуды зависит от многих факторов. Также после эксперимента необходимо разделить черный раствор, в которой содержится графен.

Но, по мнению ученых, их исследование «является значительным шагом» к началу повсеместного применения графена в промышленности.

Помимо потенциального использования в электронике графен может быть полезен и в других сферах, например в очистке воды, при ликвидации разливов нефти и даже при производстве ультратонких презервативов.

Графен впервые был синтезирован группой исследователей из Манчестерского университета. Авторы открытия, выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов, в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

Графен: структура и форма | Graphene-Info

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода. Он состоит из атомов углерода, расположенных в форме шестиугольника, который, можно сказать, напоминает проволочную сетку.

Один слой атомов углерода, расположенный в такой сотовой структуре, образует единый лист графена. Несколько листов, наложенных друг на друга, считаются многослойным графеном, вплоть до того момента, когда материал становится графитом (обычно более 30 слоев, хотя четкая стандартизация в настоящее время сильно отсутствует).Графит, трехмерный кристалл, состоящий из слабо связанных слоев графена, является относительно распространенным материалом, который используется в наконечниках карандашей, батареях и многом другом.

В графене каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими атомами углерода. Благодаря прочности ковалентных связей между атомами углерода графен может похвастаться большой стабильностью и очень высокой прочностью на разрыв (силой, с которой вы можете растянуть что-либо, прежде чем оно сломается). Поскольку графен плоский, каждый атом находится на поверхности и доступен с обеих сторон, поэтому взаимодействие с окружающими молекулами больше.Кроме того, атомы углерода связаны только с тремя другими атомами, хотя они могут связываться с четвертым атомом. Эта способность в сочетании с вышеупомянутой прочностью на разрыв и высоким отношением площади поверхности к объему графена может сделать его привлекательным для использования в композитных материалах. Графен также обладает более высокой подвижностью электронов, чем любой известный материал, и исследователи разрабатывают методы использования этого свойства в электронике.

Используя графен, когда-нибудь станет возможным изготавливать транзисторы и другие электронные устройства, которые будут намного тоньше, чем устройства, сделанные из традиционных материалов, и это только один пример потенциала графена в области электроники.Поскольку графен электропроводный, прозрачный, прочный и гибкий, он также может быть привлекательным материалом для использования в сенсорных экранах. Графен также обладает очень высокой теплопроводностью, поэтому его можно использовать для отвода тепла от электронных схем.

Графен как основа других углеродных структур

Графен может быть исходной формой для многих углеродных структур, таких как вышеупомянутый графит, углеродные нанотрубки (которые можно рассматривать как свернутые листы графена, сформированные в трубки) и букиболов. (сферические структуры с каркасной структурой из графена только с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами).

Графен — один из первых и самых известных примеров двумерного кристалла. Двумерные материалы и системы во многом принципиально отличаются от трехмерных. Графен может использоваться в качестве модельной системы для изучения двумерной физики и химии в целом, и поэтому он привлекает большой академический интерес с момента его выделения в 2004 году. Также считается, что он имеет огромный потенциал для множества приложений, таких как следующие. gen аккумуляторы, датчики, солнечные элементы и многое другое — благодаря широкому спектру свойств, некоторые из которых уже упоминались в этой статье, например, отличная электрическая и теплопроводность, механическая прочность, уникальные оптические свойства и многое другое.

Физики открыли, как изменить кристаллическую структуру графена

Трехслойные слои графена могут быть уложены в две разные конфигурации, которые в естественных условиях могут находиться в одной и той же пластинке. Их разделяет резкая граница. Предоставлено: Пабло Сан-Хосе ICMM-CSI.

Группа физиков из Университета Аризоны обнаружила, как изменить кристаллическую структуру графена, более известного как грифель карандаша, с помощью электрического поля, что является важным шагом на пути к возможному использованию графена в микропроцессорах, которые будут меньше и быстрее. чем нынешняя кремниевая технология.

Графен состоит из очень тонких листов графита: при письме карандашом графеновые листы отслаиваются от графитовой сердцевины карандаша и прилипают к странице. Если поместить графен под мощный электронный микроскоп, он обнаружит свою пластинчатую структуру из сшитых атомов углерода, напоминающую проволочную сетку.

Под воздействием электрического поля части материала превращаются из металла в полупроводник, как выяснили физики UA.

Графен — самый тонкий материал в мире, для которого требуется 300 000 листов, равных толщине человеческого волоса или листа бумаги. Ученые и инженеры заинтересованы в этом из-за его возможных применений в микроэлектронных устройствах в надежде продвинуть нас от эпохи кремния к эпохе графена. Сложная часть состоит в том, чтобы контролировать поток электронов через материал, что является необходимым условием для того, чтобы заставить его работать в любой электронной схеме.

Брайан Лерой, доцент физики UA, и его сотрудники преодолели препятствие на пути к этой цели, продемонстрировав, что электрическое поле способно управлять кристаллической структурой трехслойного графена, который состоит из трех слоев графена.

Большинство материалов требуют высоких температур, давления или того и другого для изменения своей кристаллической структуры, поэтому графит не превращается самопроизвольно в алмаз или наоборот.

«Крайне редко материал может изменить свою кристаллическую структуру просто под действием электрического поля», — сказал Лерой. «Создание трехслойного графена — исключительно уникальная система, которую можно использовать для создания новых устройств».

Трехслойный графен можно сложить двумя уникальными способами.Это аналогично складыванию слоев бильярдных шаров в треугольную решетку, при этом шары представляют собой атомы углерода.

Используя острый металлический наконечник для сканирующей туннельной микроскопии, Лерой и его сотрудники смогли перемещать границу домена между двумя конфигурациями графена. Предоставлено: Пабло Сан-Хосе ICMM-CSI.

«Когда вы складываете два слоя бильярдных шаров, их« кристаллическая структура »фиксируется, потому что верхний слой шаров должен находиться в отверстиях, образованных треугольниками нижнего слоя», — объяснил Мэтью Янковиц, аспирант третьего курса в LeRoy’s. лаборатория.Он является первым автором опубликованного исследования, которое опубликовано в журнале Nature Materials . «Третий слой шаров может быть уложен таким образом, чтобы его шары были заподлицо над шарами в нижнем слое, или он может быть немного смещен, чтобы его шары лежали над отверстиями, образованными треугольниками в нижнем слое».

Эти две конфигурации наложения естественно могут существовать в одной и той же чешуйке графена.Эти два домена разделены резкой границей, где углеродные шестиугольники деформированы, чтобы приспособиться к переходу от одного рисунка наложения к другому.

«Из-за различных конфигураций наложения по обе стороны от доменной стенки, одна сторона материала ведет себя как металл, а другая сторона ведет себя как полупроводник», — пояснил Лерой.

Изучая доменную стенку с помощью электрического поля, приложенного чрезвычайно острым металлическим наконечником для сканирующей туннельной микроскопии, исследователи из группы Лероя обнаружили, что они могут изменять положение доменной стенки внутри чешуйки графена. И по мере того, как они перемещали доменную стенку, кристаллическая структура трехслойного графена менялась вслед за ним.

«У нас была идея, что на границе могут быть интересные электронные эффекты, и граница продолжала двигаться вокруг нас», — сказал Лерой. «Сначала это было неприятно, но как только мы поняли, что происходит, это оказался самый интересный эффект».

Применяя электрическое поле для перемещения границы, теперь впервые стало возможным изменять кристаллическую структуру графена контролируемым образом.

«Теперь у нас есть ручка, которую мы можем повернуть, чтобы изменить материал с металлического на полупроводниковый и наоборот, чтобы управлять потоком электронов», — сказал Лерой. «По сути, это дает нам двухпозиционный переключатель, который еще не был реализован в графене».

Брайан Лерой (справа) и аспирант и первый автор исследования Мэтью Янковиц используют туннельный электронный микроскоп для исследования электронных свойств графена. Предоставлено: Даниэль Столте / UAnews.

Хотя необходимы дополнительные исследования, прежде чем графен может быть применен в технологических приложениях в промышленных масштабах, исследователи видят способы его использования.

«Если бы вы использовали широкий электрод вместо заостренного наконечника, вы могли бы переместить границу между двумя конфигурациями на большее расстояние, что могло бы сделать возможным создание транзисторов из графена», — сказал Янковиц.

Транзисторы являются основным элементом электронных схем, потому что они контролируют поток электронов.

В отличие от кремниевых транзисторов, используемых сейчас, транзисторы на основе графена могут быть чрезвычайно тонкими, что делает устройство намного меньше, а поскольку электроны движутся через графен намного быстрее, чем через кремний, эти устройства позволят ускорить вычисления.

Кроме того, кремниевые транзисторы производятся для работы в одном из двух типов — p-типа или n-типа, тогда как графен может работать как в обоих. Это сделало бы их более дешевыми в производстве и более универсальными в применении.

---

Изготовление графена на кухне

---

Дополнительная информация: Бумага: dx.doi.org/10.1038/nmat3965 Предоставлено Университет Аризоны

Ссылка : Физики открывают, как изменить кристаллическую структуру графена (2014, 30 апреля) получено 25 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-04-Physicists-crystal-graphene.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Графен | химия | Британника

Полная статья

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Мембраны из нанопористого графена можно использовать для опреснения воды.Молекулы воды проходят через поры, а ионы соли поворачиваются обратно.

© Массачусетский технологический институт (партнер по изданию Britannica) См. Все видео к этой статье

Графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо один слой атомов углерода, образующих сотовую (гексагональную) решетку, либо несколько спаренные слои этой сотовой структуры. Слово графен , когда используется без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен), обычно относится к однослойному графену.Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных слоев графена; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и бакиболлы, сферические молекулы, сделанные из графена с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретическое исследование графена было начато в 1947 году физиком Филипом Р. Уоллесом как первый шаг к пониманию электронной структуры графита.Термин графен был введен химиками Ханнсом-Питером Боем, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , обозначающего углерод в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , относящегося к до полициклических ароматических углеводородов, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики из Манчестерского университета Константин Новоселов и Андре Гейм с коллегами выделили однослойный графен с помощью чрезвычайно простого метода отслаивания от графита.В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита и последующего нанесения слоев на материал подложки. После снятия ленты на подложке осталось немного графена в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; Каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы было не только выделение хлопьев графена, но и изучение их физических свойств.В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен может быть использован в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.

В этих первых экспериментах подложкой для графена был кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым под стандартным оптическим микроскопом.У такой видимости есть две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают цвета радуги в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства очень своеобразны.Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать электронную или дырочную (область, где отсутствует электрон, который действует как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников есть определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, для определенных напряжений затвора и типов химического легирования полупроводник действует как изолятор.С другой стороны, графен не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, включая нулевое. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая — разительное отличие графена от обычных полупроводников. Состояния электронов и дырок в графене, имеющие отношение к транспорту носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (предельная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена фактически состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например,ж., электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет всего около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным стендом для физики высоких энергий: некоторые квантовые релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, потому что их более низкой скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры. Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

1: а) графен с постоянной решетки, равной 2,46 A, отмечен красным …

Контекст 1

… — это первый 2D-материал, доступный ученым. Он состоит из листа атомов углерода, связанных sp 2, как видно на рис. 2.1a. Все вышеупомянутые материалы могут быть геометрически построены из графена. …

Контекст 2

… Укладка графеновых слоев выполняется по периодичности ABAB. Чтобы понять, что означает периодичность ABAB, обратите внимание, что на рисунке 2.1b показаны два неэквивалентных атомных положения. …

Контекст 3

… поймите, что означает периодичность ABAB, обратите внимание, что на рисунке 2.1b показаны две неэквивалентные атомные позиции. Рассмотрим верхний слой графена с рис. 2.1b. Сайт A (также называемый α-сайтом, отмечен серым) имеет атом C внизу, в соседнем слое, в то время как сайт B (β-сайт, отмечен красным) не имеет атома C. …

Контекст 4

… показали с помощью расчетов LDA, что полная плотность состояний ВОПГ в пределах 1 эВ вокруг уровня Ферми является параболической. Это можно увидеть на рисунке 2.2a. Важно отметить, что большинство наших исследований плотности состояний графита методом сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) проводится в диапазоне от -0,5 эВ до + 0,5 эВ. …

Контекст 5

… для проверки сходства между результатами расчетов и экспериментальными результатами, STS проводился на HOPG (0001) вдали от дефектов конструкции или краев ступеней, так как это известно что эти особенности вводят локализованные состояния [8].Типичный графитовый STS представлен на рисунке 2.2b. Небольшое перекрытие между зоной проводимости и валентной зоной в ВОПГ делает этот материал полуметаллом. …

Контекст 6

… перенос электронов в графите происходит в основном в каждой плоскости ВОПГ из-за гексагональной сети перекрывающихся π− орбиталей. Этот тип транспорта носителей заряда, особенно при низких температурах, намекает на квази-2D 2.1. Высокоориентированный пиролитический графит a) b) Рисунок 2.2: a) Расчет LDA для графита, указывающий на плавную параболическую плотность состояний вокруг уровня Ферми с небольшим конечным значением при это [7]….

Контекст 7

… фононные моды были рассчитаны и измерены для всех трех точек симметрии:, K и M. Как можно заметить, было достигнуто хорошее согласие между экспериментальной работой и теоретической работой . Измерения IETS проводились при 6,5 К. Другой вклад в спектр IET был идентифицирован как плазмонная мода графита, обнаруженная при 40 мэВ, наблюдаемая на рисунке 2.3. В модели свободных электронов энергия энергии плазмона может быть выражена следующим образом: E p = ne 2 mm0, и можно видеть, что энергия плазмона прямо пропорциональна квадратному корню электронной плотности n и обратно пропорциональна квадратному корню из масса электрона, м….

Контекст 8

… из вычислений DFT. Согласие между экспериментом и теорией можно наблюдать на рис. 2.4, где форма жгута димеров (A и B) очень похожа. …

Контекст 9

… положения являются орто (димер A) и пара (димер B) по отношению к первому хемосорбированному водороду, что объясняет наличие метастабильных структур. На рис. 2.4g схематически показано орто-, мета- и пара-положения по отношению к радикалу, названному B, в бензольном кольце….

Контекст 10

… диаметр трубки и угол хиральности нанотрубок можно выразить индексами m и n, обозначенными как (n, m). В зависимости от индекса хиральности (n, m) можно выделить три класса нанотрубок: кресло (n, n), зигзагообразные (n, 0) и хиральные (n, m) (рис. 2.5). Если геометрическая структура углеродных нанотрубок известна, электронные свойства углеродных нанотрубок могут быть рассчитаны с помощью приближения сильной связи, что дает результаты, согласующиеся с экспериментами [36] [37] [38]….

Context 11

… геометрическая структура углеродных нанотрубок известна, электронные свойства углеродных нанотрубок могут быть рассчитаны с помощью приближения сильной связи, что дает результаты, согласующиеся с экспериментами [36] [37] [38]. Из расчета можно получить плотность состояний нанотрубок, как показано на рисунке 2.6. Например, для нанотрубки с индексом хиральности (4,4) пересечение зон вблизи уровня Ферми дает небольшую и постоянную плотность состояний, а при удалении от уровня Ферми одномерный характер энергетических зон приводит к Ван Хову. особенности (VHS)….

Контекст 12

… означает, что существует энергетическая щель E gap, равная расстоянию между первыми двумя сингулярностями Ван Хова. Эта запрещенная зона также показана на рисунке 2.7. Зигзагообразные нанотрубки обычно представляют собой полупроводниковые трубки, за исключением трубок с индексом хиральности (nn 0) с na, кратным 3. …

Контекст 13

… трубки являются металлическими, когда хиральные индексы 2n + m равны кратное 3. Кроме того, металлический зигзаг и все нанотрубки типа кресло удовлетворяют одному и тому же условию.Простая карта нанотрубок малого диаметра, показывающая их металлический или полупроводниковый характер, показана на рисунке 2.8 [40]. …

Контекст 14

… расчеты связывания показывают, что этот сдвиг составляет порядка 0,2 эВ, что согласуется с экспериментальными наблюдениями [43,44]. Этот эффект представлен на рис. 2.9, где представлены рассчитанные и измеренные значения плотности состояний нанотрубки на золотой подложке, чтобы указать сдвиг уровня Ферми. …

Контекст 15

…. аналогичный результат [48], что и описанный выше, был получен для примесей замещения бора («акцептор») и азота («донор»). Квазисвязанные состояния можно наблюдать на рис. 2.10 [46]. …

Контекст 16

… эти модификации, дефекты также опосредуют перераспределение электронной плотности в больших масштабах. Расчеты сильного связывания Lu et al. показывают, что одиночные вакансии в трубках приводят к типичным дефектным состояниям с острым рисунком. Рис. 2.10: a) LDOS на дефекте SW на (7,7) кресле, (12,0) зигзагообразной и (9,6) киральной нанотрубке [46] -все три УНТ являются металлическими, и (b) LDOS на дефекте SW на металлической (10,10) нанотрубке кресло обнаруживает мелкие квазисвязанные состояния, приписываемые пятиугольникам, действующим как « акцепторный » уровень (при ∼ -0.7 эВ) и семиугольники, выступающие в роли «донорного» уровня (при ∼ 0.5 эВ). …

Контекст 17

… происхождение уровня, близкого к энергии Ферми, приписывается оставшейся оборванной связи. Экспериментальные результаты STS [51] подтверждают наличие этого уровня в соответствии с расчетами, как это видно на рисунке 2.11. В главе 5 этой диссертации будут представлены результаты СТС модификации УНТ LDOS при хемосорбции водорода. …

Контекст 18

… Как видно на рис. 2.12, форма проола линии Фано изменяется с q. Если q стремится к innnity или 0, то форма линии Фано заменяется проолем лоренцевой линии. …

Контекст 19

… Укладка ABAB (или укладка αβαβ) графеновых плоскостей в трехмерном кристалле создает два неэквивалентных узла, α-узлы, в которых плотность заряда на уровне Ферми подавлена из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса и β-узлов, которые действительно представляют плотность заряда на уровне Ферми и могут быть замечены при сканировании с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) [30].На рисунке 2.1 показана кристаллографическая структура ВОПГ. Как видно, в каждом шестиугольнике есть два набора неэквивалентных атомов. …

Context 20

… Рисунок 4.4a два димера типа A можно легко идентифицировать, в то время как на рисунке 4.4b был идентифицирован димер B. Димеры типа A и типа B проиллюстрированы на рисунке 2.4 этого тезиса. Поперечное сечение топографии над конструкцией, показанное сплошной линией на рисунке 4.4b, показывает гофру около 0.3 нанометра, что хорошо согласуется с расчетами DFT [33]. …

Контекст 21

… продолжая исследования LDOS системы H / HOPG, измерения STS на чистом графите были выполнены при 77 K (рисунок 2.2b) и 4,8 K, рисунок 4.7 . …

Контекст 22

…, полученный поверх водородного пятна, изображен на рисунке 4.18. Исходя из предыдущей экспериментальной и теоретической работы, ожидается, что наиболее энергетически стабильный димер (следовательно, самая высокая частота встречаемости) — это димер A (TDOS на рисунке 4.10, димер А представлен на рис. 4.4a и 2.4a, c, e) [31]. …

Контекст 23

… возможность туннелирования в локализованное состояние и континуум (море свободных электронов) можно измерить по форме резонанса Фано. Как показано на рисунке 2.12, фактор Фано (q) больше, когда туннелирование происходит больше в локализованное состояние, чем в континуум. Сравнивая состояния интерференции, измеренные и изображенные на рис. 4.14 и рис. 4.16, кажется, что коэффициент q уменьшается при увеличении температуры и / или расстояния….

Контекст 24

… видно, лучшим кандидатом является нанотрубка с индексом хиральности (14,2). Таблица 5.2: Металлические нанотрубки диаметром от 0,8 до 1,5 нм и углом хиральности от 4 до 11 • (н, м) диаметр хирального угла (нм) E зазор (10,1) 4,72 0,83 0 (17,2) 5,50 1,42 0 (14,2) 6,59 1,18 0 (11,2) 8,21 0,95 0 (15,3) 8,95 …

Контекст 25

… видно, лучшим кандидатом является нанотрубка с хиральный индекс (14,2).Таблица 5.2: Металлические нанотрубки диаметром от 0,8 до 1,5 нм и углом хиральности от 4 до 11 • (н, м) диаметр хирального угла (нм) E зазор (10,1) 4,72 0,83 0 (17,2) 5,50 1,42 0 (14,2) 6,59 1,18 0 (11,2) 8,21 0,95 0 (15,3) 8,95 …

Контекст 26

… 0 (12,3) 10,89 1,08 0 …

Контекст 27

… кроме того, перед водородной обработкой необходимо определить хиральный индекс. Эти электронные состояния подобны квазисвязанным электронным состояниям, введенным дефектами Стоуна-Уэльса в ОСУНТ [40], как описано в параграфе 2.2 этого тезиса и проиллюстрировано на Рисунке 2.10. …

(а) Сотовая решетчатая структура графена. Элементарная ячейка состоит из …

Context 1

… оптические константы выводятся из эллипсометрических данных и используются для расчета спектров поглощения для графена и графита. Янг и др. Теоретически предсказали оптический отклик графена, двухслойного графена и графита с экситонными резонансными эффектами и без них, как показано на рис. 10 [79]. Спектры поглощения имеют максимум при 4.6 эВ, это связано с особенностями ван Хова плотности состояний и экситонными эффектами [68,74,78]. …

Context 2

… обнаружил, что в ультрафиолетовой области поглощение быстро растет, давая пик при 5,1 эВ из-за сингулярности Ван Хова, и он смещен вниз на 600 мэВ. Этот сдвиг вниз объясняется эффектами экситонного резонанса, как показано на рис. 10а. Это вызванное экситонами смещение вниз было экспериментально подтверждено Кравецом и др. [68]. …

Контекст 3

… расчеты молекулярной динамики (МД) показали, что захваченная вода будет формировать сплошной однослойный слой воды, если d ≥ 6 Å [81]. На рисунке 11 представлен частотно-зависимый показатель преломления для образцов GO и различных отожженных образцов rGO. Для образцов, отожженных при температурах ≥ 180 o C, показатель преломления приближается к показателю графита. …

Контекст 4

… освещение белым светом, однослойный графен на Si-пластине со стандартной толщиной SiO 2 300 нм виден, но невидим поверх 200 нм SiO 2.При использовании узкополосных фильтров графен виден на SiO 2 любой толщины, кроме 150 нм и ниже 30 нм. На рисунке 12 показан цветной график зависимости контраста от длины волны и толщины SiO 2. Это полезно при выборе фильтров, подходящих для данной толщины SiO 2. …

Контекст 5

… типы релаксации возможны для этих горячих носителей: (i) сверхбыстрая релаксация порядка фемтосекунд за счет межзонных столкновений носителей и фотоэмиссии (ii) релаксация в пикосекундном масштабе времени, соответствующая межзонной релаксация и охлаждение горячих электронов.После фотовозбуждения и релаксации в субпикосекундном масштабе времени около точки Дирака формируется ферми-дираковское распределение носителей, как показано на рис. 13а. Такое распределение носителей заряда уменьшает дальнейшее поглощение фотонов блокировкой Паули и приводит к явлению насыщающегося поглощения, как показано на рис. 13b. …

Контекст 6

… фотовозбуждение и релаксация в субпикосекундном масштабе времени, распределение носителей Ферми-Дирака формируется вблизи точки Дирака, как показано на рис. 13a.Такое распределение носителей заряда уменьшает дальнейшее поглощение фотонов блокировкой Паули и приводит к явлению насыщающегося поглощения, как показано на рис. 13b. Это можно дополнительно модулировать, варьируя количество слоев графена. …

Контекст 7

… в этих гибридных материалах возможно нелинейное поглощение, в зависимости от энергии падающего излучения, и оно может быть измерено методом z-сканирования с открытой апертурой. На рисунке 13c показано переключение нелинейного поглощения с насыщающегося на обратное насыщение в гибридных пленках ZnO / графен [136].Это переключение нелинейного поглощения в самоорганизованных пленках ZnO / графен можно продемонстрировать следующим образом. …

Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики Стэнфордского университета

Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики, Стэндфордский Университет

Пол Лим

(Представлено как курсовая работа для AP272, Стэнфорд Университет, зима 2007 г.)

Фиг.1: Атомная структура графена.

В последние годы было много ажиотажа генерируется материалом, называемым графеном. Графен — одинарный планарный лист из sp2-связанных атомов углерода, плотно упакованных в соты кристаллическая решетка. Он образует базовую структуру для всех остальных графитовых материалы, включая графит, углеродные нанотрубки и фуллерены. Что такое Возбуждение в графене вызвано открытием его прекрасного электронная транспортная собственность, о которой мы поговорим здесь.Высота подвижность носителей в графене делает его отличным материалом для использования в качестве канал в сверхбыстрых электронных транзисторах. Фактически, оценки утверждают что такие транзисторы из грпахена могут работать примерно в тысячу раз быстрее чем обычные кремниевые транзисторы, используемые сегодня. Как использование кремний в электронных устройствах быстро приближается к своему физическому ограничений, поиск альтернативных материалов, таких как графен, получил некоторая срочность.

Структура графена

Графен — это в основном один атомный слой графит, а значит, и двухмерная структура.В 1930-х годах Ландау и Пайерлс показали, что строго двумерные кристаллы термодинамически нестабильны и поэтому не существует. Они объяснили, что расходящийся вклад тепловые флуктуации в низкоразмерных кристаллических решетках приведут к смещения атомов, чтобы они стали сравнимыми с межатомными расстояния при любой конечной температуре. Позднее Мермин расширил это аргумент, который подтверждается экспериментальными результатами. Таким образом, это Предполагалось, что любая отдельно стоящая двумерная кристаллическая структура будет нестабильной. и быстро разлагаются.

Существование графена представляет собой проблему. к этому аргументу. Кажущаяся стабильность двумерной структуры графен можно объяснить, утверждая, что двумерные кристаллиты являются закалены в метастабильном состоянии, потому что они извлечены из 3-D материал. Еще один аргумент в пользу его существования — то, что графен становится внутренне стабильный благодаря мелкому сминанию в третьем измерении для компенсации тепловых колебаний. Это смятие действительно наблюдается в листах графена.

Электронные свойства графена

В большинстве материалов перенос электронов может быть точно описывается с помощью нерелятивистского уравнения Шредингера. Однако графен ведет себя как бесщелевой полупроводник. При низких энергиях вблизи вершин гексагональной зоны Бриллюэна графена E-k отношение примерно линейное

, где vf — скорость Ферми, около 1000000 м / с. Это все еще в 300 раз медленнее скорости света, но намного быстрее, чем скорости носителей в обычных полупроводниках.Потому что линейности зависимости E-k в этих областях электроны ведут себя как безмассовые релятивистские частицы. Следовательно, эти электроны лучше описывается уравнением Дирака для частиц со спином 1/2. Это прямой следствие симметрии кристалла графена. Его сотовая решетка имеет вид состоящий из двух эквивалентных углеродных подрешеток и косинусоподобной энергии полосы, связанные с подрешетками, пересекаются в нуле E вблизи краев зоны Бриллюэна, порождая конические участки энергии спектр для | E |

Экспериментальные измерения показали, что электрон подвижность в графене при комнатной температуре чрезвычайно высока, около 15000 квадратных сантиметров на вольт-секунду, по сравнению с несколькими тысячи для большинства полупроводников.

Графеновые транзисторы и наноленты

Обладая такими превосходными свойствами электронного транспорта, графен определенно интенсивно исследуется для использования в электронных транзисторы. Проблема в том, что из-за его ближнего баллистического электрона транспортные свойства, графен по-прежнему достаточно проводящий даже с наличие всего нескольких электронов. Итак, хотя графен все еще может быть между различными состояниями электропроводности ( так называемые состояния включения / выключения в электронных транзисторах), соотношение электрический ток между этими двумя состояниями невелик.Графен Было обнаружено, что транзисторы имеют отношение включения / выключения только 30. По сравнению к кремниевым транзисторам, выключенное состояние которых близко к идеальному изолятора, графеновые транзиторы будут продолжать проводить электроны даже когда «выключили». Это приводит к утечке электрического тока и трата огромного количества энергии. Таким образом, графен непрактично для такого использования.

Текущие исследования в этой области применения сосредотачиваясь на уменьшении этого отношения включения / выключения. Текущая тенденция — вырезать листы графена в очень узкие ленты, которых всего несколько нанометров шириной.Литографические методы обычно используются для изготовления этих наноленты. Профессор Хунцзе Дай с химического факультета Стэнфордский университет использует другой подход, основанный на решениях, основанных на техника, которая разбивает графен на длинные тонкие ломтики. Транзисторы сделанные из этих лент, имели отношение включения / выключения порядка 100000.

© 2007 Пол Лим. Эта работа распространяется под условия лицензии Creative Commons. Автор дает разрешение копировать, распространять и отображать произведение в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Новоселов К.С. и др. , «Электрическое поле» Эффект в атомно тонких углеродных пленках, Science 306 , 666 (2004).

[2] Новоселов К.С. et al. , «Двумерный Газ безмассовых фермионов Дирака в графене, Nature 438 , 197 (2005).

[3] Н. Д. Мермин, «Кристаллический порядок в двух» Размеры, Физ.Ред. , 176, , 250 (1968).

[4] H. Dai, et al. , «Химически производное», Сверхгладкие графеновые полупроводники с нанолентой, Science 319 , 1229 (2008).

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.

No related posts.