Печать
Опубликовано: 05 декабря 2014 05 декабря 2014
Просмотров: 2538 2538

Мир исследования материалов в настоящее время охвачен исследованиями ультра-тонких углеродных пленок, самой тонкой из которых является графен. Исследовательские группы по всему миру в настоящее время изучают графен в надежде обнаружить явление, не открытое никем ранее. Почти десять лет  исследований графена должны привести нас к его прикладному использованию для  более долговечных батарей, более эффективных солнечных элементов, защите от коррозии, печатных плат, дисплеев и лекарственных технологий.

 Графен (рис. 1) является шестиугольной структурой, состоящая из атомов углерода c sp2-гибридизацией, по сути является строительным блоком для углеродных нанотрубок (фактически "скатанные" графеновые листы) и графита (сложенные графеновые листы, скрепленные силами Ван-дер-Ваальса).

 

Рис. 1. Структура графена.

Эра исследований графена началась в середине 2000-х годов, когда Гейм и Новоселов выделили и охарактеризовали чистый графен, впервые использовав "скотч-метод”, который является удивительно простым способом получения графена. Вкратце, этот метод предполагает использование куска липкой ленты, чтобы удалить чешуйки графита из образца высокоупорядоченного пиролитического графита, которые затем наносят на предметное стекло с силикагелем (рис. 2). Затем операцию повторяют, используя более клейкую ленту, с отслоившимися хлопьями до тех пор пока не получают слой графита толщиной один атом, это и есть графен. Свойства графена, полученного таким способом, были измерены, так, например, графен обладает очень высокой подвижностью носителей заряда из 2000-5000 см2/В·с.

 

Рис. 2. Получение графена "скотч-методом”.

До 2005 года некоторыми исследователями были получены соединения графена, но ни в одном из докладов не сообщалось о его уникальных свойствах. Авторы (Гейм и Новоселов) были награждены Нобелевской премией по физике в 2010 году за новаторскую работу в отношении двумерных атомных кристаллов.

Способ производства графена быстро стал всеобщей проблемой, поскольку  с помощью "скотч-метода” можно только изолировать небольшие количества графена и это довольно трудоемкий процесс. Современные методы крупномасштабного синтеза графена включают множество вариаций так называемого метода «Хаммерс», разработанной Уильямом Хаммерсом в конце 1950-х годов.
Способ использует мощные окислители и сильные кислоты, чтобы получить слои графена из графита. По этому методу получают оксид графена, а уже из него графен.

Имеется огромное количество работ по исследованию физических свойств графена. Ранее упоминалось, что подвижность носителей заряда в графене является чрезвычайно высокой. С тех пор, было показано, что при оптимальных условиях подвижность носителей заряда в графене может составлять 200 000 см2/В·с. Такие высокие значения подвижности графена привели к разработке полевых транзисторов на его основе, которые в 2010 году могли работать на частотах до 100 ГГц, а в последнее время графеновые полевые транзисторы могут работать на терагерцовых частотах.

Графен обладает чрезвычайно высоким коэффициентом пропускания до 97,7% (или, наоборот, низким оптическим поглощением до 2,3%). Такие свойства позволяют использовать графен для прозрачных электродов в солнечных элементах и хранения голографической информации.

Также графен имеет высокую теплопроводность 5000 Вт/(мK), высокое значение модуля Юнга ~1 ТПа и чрезвычайно большую удельную площадь поверхности 2630 м2/г.

На рис. 3 представлен график распределения количества публикаций про графен по годам, начиная с 2004-го, там же отмечены самые знаковые события этого периода.

Рис. 3. Количество публикаций про графен и самые знаковые события периода его изучения.

Литература:

1. E.P. Randviir, D.A.C. Brownson, C.E. Banks. A decade of graphene research: production, applications and outlook// Materials Today. V.17, N.9.