загрузка...
загрузка...
На головну

Графен

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Графен (Англ. Graphene) - двовимірна аллотропная модифікація вуглецю, шар атомів вуглецю товщиною в один атом з'єднується за допомогою sp? зв'язків в гексагональну двовимірну кристалічну решітку. Його можна уявити як одну площину графіту, відокремлену від об'ємного кристала. Графен має велику механічну жорсткістю і гарну теплопровідність. Висока рухливість робить його перспективним матеріалом для використання в самих різних додатках, зокрема, як майбутню основу наноелектроніки та можливу заміну кремнію в інтегральних мікросхемах.

Основним з існуючих в даний час способів отримання графена, в умовах наукових лабораторій заснований на механічному відщепленні або відлущування шарів графіту. Він дозволяє отримувати найбільш якісні зразки з високою рухливістю носіїв. Цей метод не передбачає використання масштабного виробництва, оскільки це ручна процедура.

Інший відомий спосіб - метод термічного розкладання підкладки карбіду кремнію набагато ближче до промислового виробництва. Оскільки графен вперше був отриманий тільки в 2004 році, він ще недостатньо добре вивчений і привертає до себе підвищений інтерес.

Через особливості енергетичного спектру носіїв графен проявляє специфічні, на відміну від інших двовимірних систем, електрофізичні властивості.

 

Історія відкриття

Першовідкривачам графена, А. К. Гейм і К. С. Новосьолова, була присуджена Нобелівська премія з фізики за 2010 рік.

Графен є двовимірним кристалом, що складається з одиночного шару атомів вуглецю, зібраних в гексагональну решітку.

Мал. 1. Ідеальна кристалічна структура графена є гексагональную кристалічну решітку.

Теоретичні дослідження зі створення графена почалися задовго до отримання реальних зразків матеріалу. З графена можна зібрати тривимірний кристал графіту, тому графен є базою для побудови теорії цього кристала. Графіт є напівметал, і як було показано в 1947 році П. Воллес, в зонної структурі графена також відсутня заборонена зона, причому в точках дотику валентної зони і зони провідності енергетичний спектр електронів і дірок лине як функція хвильового вектора. Такого роду спектром володіють безмасові фотони і ультрарелятивістських частки, а також нейтрино. Тому кажуть, що ефективна маса електронів і дірок в графені поблизу точки дотику зон дорівнює нулю. Але тут варто зауважити, що, незважаючи на схожість фотонів і безмассових носіїв, в графені існує кілька істотних відмінностей, що роблять носії в графені унікальними по своїй фізичній природі, а саме: електрони і дірки є ферміонами, і вони заряджені. В даний час аналогів для цих безмассових заряджених фермионов серед відомих елементарних частинок немає.

Незважаючи на такі специфічні особливості, експериментального підтвердження ці висновки не отримали до 2005 року, оскільки не вдавалося створити графен. Крім того, ще раніше було доведено теоретично, що вільну ідеальну двовимірну плівку отримати неможливо через нестабільність щодо згортання або скручування. Теплові флуктуації призводять до плавлення двовимірного кристала при будь-якій кінцевій температурі.

Інтерес до графену з'явився знову після відкриття вуглецевих нанотрубок, оскільки вся первісна теорія будувалася на простої моделі нанотрубки як розгортки циліндра. Тому теорія для графена в додатку до нанотрубок добре опрацьована.

Спроби отримання графена, прикріпленого до іншого матеріалу, почалися з експериментів, що використовують простий олівець, і продовжилися з використанням атомно-силового мікроскопа для механічного видалення шарів графіту, але не досягли успіху. Використання графіту з впровадженими (інтеркалірованних графіт) в межплоскостное простір чужорідними атомами (використовується для збільшення відстані між сусідніми шарами і їх розщеплення) також не привело до результату.

У 2004 році російськими і британськими вченими була опублікована робота в журналі Science, де повідомлялося про отримання графена на підкладці окисленого кремнію. Таким чином, стабілізація двовимірної плівки досягалася завдяки наявності зв'язку з тонким шаром діелектрика . Вперше були виміряні провідність, ефект Шубнікова - де Гааза, ефект Холла для зразків, що складаються з плівок вуглецю з атомарної товщиною.

Ефект Шубникова - де Гааза названий на честь радянського фізика Л. В. Шубнікова і нідерландського фізика В. де Хааса, які відкрили його в 1930 році.

Спостережуваний ефект полягав в осциляція магнетосопротивления плівок вісмуту при низьких температурах. Пізніше ефект Шубнікова - де Гааза спостерігали в багатьох інших металах і напівпровідниках. Ефект Шубникова - де Гааза використовується для визначення тензора ефективної маси і форми поверхні Фермі в металах і напівпровідниках.

Терміни поздовжній і поперечний ефекти Шубникова - де Гааза вводять, щоб розрізняти орієнтацію магнітного поля щодо напрямку течії електричного струму. Особливий інтерес заслуговує поперечний ефект Шубнікова - де Гааза в двовимірному електронному газі.

Причина виникнення осциляцій провідності і опору криється в особливостях енергетичного спектра двовимірному електронному газі, а саме тут мова йде про рівні Ландау з енергіями

де - Постійна Планка,

- Циклотронна частота осцилятора Ландау,

m * - ефективна маса електрона,

n - номер рівня Ландау,

c - швидкість світла,

Метод відлущування є досить простим і гнучким, оскільки дозволяє працювати з усіма шаруватими кристалами, тобто тими матеріалами, які представляються як слабо (в порівнянні з силами в площині) пов'язані шари двовимірних кристалів. Його можна використовувати для отримання інших двовимірних кристалів: , , та ін.

отримання графена

Мал. 2. Шари інтеркальованого графіту можна відокремлювати один від одного

Шматочки графена отримують при механічному впливі на високоорієнтованих пиролитический графіт. Спочатку плоскі шматки графіту поміщають між липкими стрічками (скотч) і отщепляют раз по раз створюючи досить тонкі шари (серед багатьох плівок можуть потрапляти одношарові і двошарові, які і становлять інтерес). Після відлущування скотч з тонкими плівками графіту притискають до підкладки окисленого кремнію. При цьому важко отримати плівку певного розміру і форми в фіксованих частинах підкладки (горизонтальні розміри плівок становлять зазвичай близько 10 мкм). Знайдені за допомогою оптичного мікроскопа (вони слабо видно при товщині діелектрика 300 нм) плівки готують для вимірювань. Товщину можна визначити за допомогою атомно-силового мікроскопа (вона може варіюватися в межах 1 нм для графена). Використовуючи стандартну електронну літографію і реактивне полум'яне травлення, задають форму плівки для електрофізичних вимірів.

Шматочки графена також можна приготувати з графіту використовуючи хімічні методи. Змінюючи органічні розчинники і хімікати, можна отримати нанометрові шари графіту. Вирощування графена при високому тиску і температурі можна використовувати для отримання плівок великої площі.

Якщо кристал пиролитического графіту і підкладку помістити між електродами, можна домогтися того, що шматочки графіту з поверхні, серед яких можуть виявитися плівки атомарної товщини, під дією електричного поля можуть переміщатися на підкладку окисленого кремнію. Для запобігання пробою (між електродами прикладали напругу від 1 до 13 кВ) між електродами також поміщали тонку пластину слюди.

Ідеальний графен складається виключно з шестикутних осередків. Присутність п'яти- і семикутна осередків буде приводити до різного роду дефектів. Наявність п'ятикутних осередків призводить до згортання атомної площини в конус. Структура з 12 такими дефектами одночасно відома під назвою фуллерен. Присутність семикутна осередків призводить до утворення сідлоподібних викривлень атомної площині. Комбінація цих дефектів і нормальних осередків може призводити до утворення різних форм поверхні.

Можливі області застосування графена

Вважається, що на основі графену можна сконструювати балістичний транзистор. У березні 2006 року група дослідників з технологічного інституту штату Джорджія заявила, що ними було отримано польовий транзистор на графені, а також квантово-інтерференційний прилад. Дослідники вважають, що завдяки їхнім досягненням незабаром з'явиться новий клас графеновой наноелектроніки з базовою товщиною транзисторів до 10 нм. Даний транзистор має великий струмом витоку, тобто не можна розділити два стану з закритим і відкритим каналом.

Використовувати безпосередньо графен при створенні польового транзистора без струмів витоку не представляється можливим завдяки відсутності забороненої зони в цьому матеріалі, оскільки не можна домогтися суттєвої різниці в опорі при будь-яких доданих напружених до затвору, тобто не виходить поставити два стану придатних для двійковій логіки: проводить і непроводящее . Спочатку потрібно створити якимось чином заборонену зону достатньої ширини при робочої температурі (щоб термічно збуджені носії давали малий внесок у провідність). Один з можливих способів заснований на створенні тонкої смужки графену з такою шириною, щоб завдяки квантово-розмірного ефекту ширина забороненої зони була достатньою для переходу в діелектричне стан (закрите стан) приладу при кімнатній температурі (28 меВ відповідає ширині смужки 20 нм). Завдяки високій рухливості швидкодія такого транзистора буде помітно вище, ніж кремнієвого.

Інша область застосування полягає в використанні графена в якості дуже чутливого сенсора для виявлення окремих молекул хімічних речовин, приєднаних до поверхні плівки. Досліджувалися такі речовини, як , , , . Сенсор розміром 1 мкм ? 1 мкм використовувався для детектування приєднання окремих молекул до графену. Принцип дії цього сенсора полягає в тому, що різні молекули можуть виступати як донори і акцептори, що в свою чергу веде до зміни опору графена. Теоретично досліджено вплив різних домішок на провідність графена. молекула є хорошим акцептором через своїх парамагнітних властивостей, а діамагнітная молекула створює рівень близько до точки електронейтральності. У загальному випадку домішки, молекули яких мають магнітний момент (неспарених електронів), мають більш сильними легирующими властивостями.

Ще одна перспективна область застосування графена - його використання для виготовлення електродів в іоністорів (Суперконденсаторах) для використання їх в якості перезаряджаються джерел струму. Дослідні зразки іоністорів на графені вже мають питому енергоємність, порівнянну з енергоємністю свинцево-кислотними аккумулятораміі.

Нещодавно був створений новий тип світлодіодів на основі графену (LEC).

Ідеальну двовимірну плівку у вільному стані не можна отримати через її термодинамічної нестабільності. Але якщо в плівці будуть дефекти або вона буде деформована в просторі (в третьому вимірі), то така «неідеальна» плівка може існувати без контакту з підкладкою. В експерименті з використанням просвічує електронного мікроскопа було показано, що вільні плівки графена існують і утворюють поверхню складної хвилястої форми, з латеральними розмірами просторових неоднорідностей близько 5-10 нм і висотою 1 нм. У статті було показано, що можна створити вільну від контакту з підкладкою плівку, закріплену з двох країв, утворюючи, таким чином, Наноелектромеханічні систему. В даному випадку підвішений графен можна розглядати як мембрану, зміна частоти механічних коливань якої пропонується використовувати для детектування маси, сили і заряду, тобто використовувати в якості високочутливого сенсора.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

Ефект Мейснера і його практичне застосування

ОСНОВНІ ТИПИ акустоелектронні ПРИСТРОЇВ Лінії затримки

Обробка інформації в перемикальних ядрах і провідних шляхах сенсорної системи. Латеральне гальмування.

Принцип роботи скануючого тунельного мікроскопа

Фізична електроніка та нанофізика, нанотехнології і наноматеріали, загальні зауваження

Площа рецептивних полів сенсорних нейронів

Квантовий осцилятор на базі електромеханічного резонатора

Дослідження хімічних і біологічних процесів на поверхні кантільовери. Хемосорбція низькомолекулярних речовин і поверхневі хімічні реакції

емісійна електроніка

MEMS-джерела живлення для портативних пристроїв

Глава 11. Макроскопічні квантові ефекти в твердих тілах

Плівки Ленгмюра-Блоджет (ЛБ - плівки) добре видно в атомно-силовий мікроскоп

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua