Главная Окна

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др. Графен и его применение

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен , карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы” .

Описание графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp 2 -связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань .

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит , известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах.

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали . Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

– благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

– графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния . Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы ,

– обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди ,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света,

– графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

– инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

– благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур.

Физические свойства графена*:

* при комнатной температуре.

Получение графена:

Основными способами получения графена считаются:

– микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,

– диспергирование графита в водных средах,

– механическая эксфолиация;

– эпитаксиальный рост в вакууме;

– химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

– метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

Получение графена в домашних условиях:

Необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Графен - революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.

Графен был найден Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера, за что русские ученые были удостоены Нобелевской премии. На сегодняшний день на исследование свойств графена выделено около десяти миллиардов долларов на десять лет, и ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности.

Однако двухмерная структура наподобие этого углеродсодержащего материала была предсказана и для других элементов Периодической системы химических элементов и весьма необычные свойства одного из таких веществ недавно удалось изучить. А называется это вещество «синий фосфор».

Выходцы из России, работающие в Британии, Константин Новоселов и Андрей Гейм создали графен – полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом – в 2004 году. С этого момента практически сразу и повсюду мы стали слышать хвалебные оды о самых разных удивительных свойствах материала, обладающего потенциалом изменить наш мир и найти свое применение в самых разных сферах, начиная от производства квантовых компьютеров и заканчивая производством фильтрами для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена так и не изменился. Почему?

Все современные электронные устройства используют для передачи информации электроны. Сейчас вовсю идет разработка квантовых компьютеров, которые многие считают будущей заменой традиционных устройств. Однако есть и еще один, при этом не менее интересный путь развития. Создание, так называемых, фотонных компьютеров. И недавно группа исследователей из Университета Эксетера () обнаружила свойство частицы, которое может помочь в разработке новых компьютерных схем.

Волокна графена под сканирующим электронным микроскопом. Чистый графен восстановлен из оксида графена (GO) в микроволновой печи. Масштаб 40 мкм (слева) и 10 мкм (справа). Фото: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

Графен - 2D-модификация углерода, образованная слоем толщиной в один атом углерода. Материал обладает высокой прочностью, высокой теплопроводностью и уникальными физико-химическими свойствами. Он демонстрирует максимальную подвижность электронов среди всех известных материалов на Земле. Это делает графен практически идеальным материалом в самых различных приложениях, в том числе в электронике, катализаторах, элементах питания, композитных материалах и т.д. Дело за малым - научиться получать качественные слои графена в промышленных масштабах.

Химики из Ратгерского университета (США) нашли простой и быстрый метод производства высококачественного графена путём обработки оксида графена в обычной микроволновой печи . Метод на удивление примитивный и эффективный.

Оксид графита - соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Чтобы избавиться от оставшегося кислорода в оксиде графита, а затем получить чистый графен в двумерных листах, нужно приложить значительные усилия.

Оксид графита смешивают с сильными щелочами и ещё дальше восстанавливают материал. В результате получаются мономолекулярные листы с остатками кислорода. Эти листы принято называть оксидом графена (GO). Химики испробовали разные способы удаления лишнего кислорода из GO ( , , , ), но восстановленный такими способами GO (rGO) остаётся сильно неупорядоченным материалом, который далёк по своим свойствам от настоящего чистого графена, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD).

Даже в неупорядоченной форме rGO потенциально может быть полезен для энергоносителей ( , , , , ) и катализаторов ( , , , ), но для извлечения максимальной выгоды от уникальных свойств графена в электронике нужно научиться получать чистый качественный графен из GO.

Химики из Ратгерского университета предлагают простой и быстрый способ восстановления GO до чистого графена, используя 1-2-секундные импульсы микроволнового излучения. Как видно на графиках, графен, полученный «микроволновым восстановлением» (MW-rGO) по своим свойствам намного ближе к чистейшему графену, полученному с помощью ХОГФ.

Физические характеристики MW-rGO, по сравнению с нетронутым оксидом графена GO, восстановленным оксидом графена rGO и графеном, полученным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Показаны типичные хлопья GO, осаждённые на кремниевую подложку (А); рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (B); рамановская спектроскопия и соотношение размера кристаллов (L a) к отношению пиков l 2D /l G в рамановском спектре для MW-rGO, GO и ХОГФ (CVD).

Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University

Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.

Окисление графита модифицированным методом Хаммерса и растворение его до однослойных хлопьев оксида графена в воде.
Отжиг GO, чтобы материал стал более восприимчив к микроволновому облучению.
Облучение хлопьев GO в обычной микроволновой печи мощностью 1000 Вт на 1-2 секунды. Во время этой процедуры GO быстро нагревается до высокой температуры, происходит десорбция кислородных групп и великолепная структуризация углеродной решётки.

Съёмка просвечивающим электронным микроскопом показывает, что после обработки СВЧ-излучателем образуется высокоупорядоченная структура, в которой кислородные функциональные группы практически полностью уничтожены.

На изображениях с просвечивающего электронного микроскопа показана структура листов графена со шкалой 1 нм. Слева - однослойный rGO, на котором много дефектов, в том числе функциональные группы кислорода (синяя стрелка) и дыры в углеродном слое (красная стрелка). По центру и справа - отлично структурированный двуслойный и трёхслойный MW-rGO. Фото: Rutgers University

Великолепные структурные свойства MW-rGO при использовании в полевых транзисторах позволяют увеличить максимальную подвижность электронов примерно до 1500 см 2 /В·с, что сравнимо с выдающимися характеристиками современных транзисторов с высокой подвижностью электронов.

Кроме электроники, MW-rGO пригодится в производстве катализаторов: он показал исключительно маленькое значение коэффициента Тафеля при использовании в качестве катализатора при реакции выделения кислорода: примерно 38 мВ на декаду. Катализатор на MW-rGO также сохранил стабильность в реакции выделения водорода, которая продолжалась более 100 часов.

Всё это предполагает отличный потенциал для использования восстановленного в микроволновом излучении графена в промышленности.

Научная статья "High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide" опубликована 1 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah3398).

Высокие технологии в домашних условиях. Лауреат Нобелевской премии Константин Новоселов рассказал, как можно самому из подручных материалов изготовить графен. В мире науки он произвел настоящий фурор, и в будущем его можно будет использовать во всех сферах - от приготовления еды до полетов в космос.

Построить сцену для Нобелевского лауреата – это, конечно, не графен изобрести. Экран для показа фото- и видеослайдов собрали всего за несколько минут. Каркас, крепления и вот она, магия минимализма. Оборудование для рассказа о самом громком научном открытии последнего времени Константин Новоселов привез с собой в обычном рюкзаке.

Внутри оказался ноутбук. Лауреат Нобелевской премии по физике привык путешествовать налегке. Первый вопрос из зала – и сразу будоражащий фантазию ответ. Оказывается, получить материал, которому прочат грандиозное будущее, может практически каждый.

"Все, что вам нужно, это купить хороший графит. В принципе, можно пользоваться и карандашами, но лучше купить хороший графит. Вы потратите 100 долларов на это. Вы должны потратить долларов 20 на кремниевые подложки, 1 доллар на скотч. Вот за 121 доллар, я вам обещаю, что вы научитесь делать изумительный графен", - рассказал ученый.

Не случайно про это открытие в мире науки сразу сказали: все гениальное просто. Материал на основе графита может произвести настоящую революцию в электронике. Мы уже привыкли, что современные гаджеты – это и мобильный телефон, и компьютер, и фотокамера в одном устройстве. С графеном эти приборы станут намного тоньше, да к тому же еще прозрачными и гибкими. Благодаря уникальным особенностям материи такой аппарат и уронить не страшно.

"У него очень интересные электронные свойства. Его можно использовать для транзисторов. И, в частности, многие компании пытаются изготовить высокоскоростные транзисторы из этого материала, чтобы использовать, например, в мобильной связи", - пояснил нобелевский лауреат.

В перспективе, как утверждают специалисты, этот материал сможет полностью заменить во всех электронных приборах постепенно устаревающий кремний. Пока такая техника кажется чудом. Впрочем, еще совсем недавно такое же удивление вызывали, например, жидкокристаллические телевизоры или Интернет. Кстати, Всемирная компьютерная сеть с использованием графена станет в десятки раз быстрее. В биологии вместе с новым материалом появятся прогрессивные технологии расшифровки химической структуры ДНК. Использование сверхлегкого и высокопрочного графена найдет применение в авиации и при строительстве космических кораблей.

"Материал, который самый тонкий, самый прочный, самый проводящий. Самый непроницаемый, самый эластичный. В общем, самый-самый, это и будет графен", - подчеркнул Новоселов.

Вручение Нобелевской премии по физике за передовые опыты с графеном состоялось в 2010 году. Это первый случай, когда материал, ставший продуктом научных исследований, так быстро перебирается из академических лабораторий в индустриальное производство. В России интерес к разработкам Константина Новоселова исключительный. Площадка фестиваля "Букмаркет" и Парка Горького открыта для всех желающих. А прохладная погода и дождь для настоящей науки не помеха.

Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University

Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.

Окисление графита модифицированным методом Хаммерса и растворение его до однослойных хлопьев оксида графена в воде.
Отжиг GO, чтобы материал стал более восприимчив к микроволновому облучению.
Облучение хлопьев GO в обычной микроволновой печи мощностью 1000 Вт на 1-2 секунды. Во время этой процедуры GO быстро нагревается до высокой температуры, происходит десорбция кислородных групп и великолепная структуризация углеродной решётки.