Графен

ГРАФЕН - МАТЕРИАЛ БУДУЩЕГО

А.Серикбол, студент группы 10В20,

научный руководитель:

Юргинский технологический  институт (филиал) Томского политехнического университета

652055,Кемеровская обл.,г.Юрга,ул.Ленинградская,26

E-mail: aikosha94s@mail.ru

 

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и, как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, у графена есть несколько существенных отличий, делающих носители в нём уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Графен обладает уникальным свойством  – его скорость электропроводности сопоставима со скоростью света. Остановимся на этом подробнее. Электропроводность материалов обеспечивается подвижностью электронов в атомах. Например, у  металлов некоторое количество свободных  электронов находится в так называемой зоне электропроводности, что позволяет  им беспрепятственно перемещаться между  атомами. А у полупроводников  есть еще так называемая запрещенная  зона, через которую электронам нужно  перепрыгнуть, чтобы материал обрел  свойство электропроводности. Для этого  применяют дополнительную энергию, например, нагревание.

У графена, хотя это и не металл, нет запрещенной зоны, поэтому электроны свободно перемещаются, что создает серьезную проблему – транзистор из графена невозможно выключить полностью, а значит, в устройстве, содержащем такой транзистор, будет постоянная утечка электроэнергии. Но есть в этом и положительная сторона. Благодаря тому, что на массу электрона графена практически не влияют электрические поля других заряженных частиц – их просто нет рядом с ним, – он способен передвигаться с фантастической скоростью. Настолько быстро, что его скорость можно описать только с помощью теории относительности Эйнштейна, а сам графен впору сравнивать с ускорителем частиц. Такая умопомрачительная скорость передвижения электронов позволяет им очень чутко реагировать на высокочастотные электромагнитные поля, а значит, графеновый транзистор будет включаться и выключаться очень быстро.

У графена отличная перспектива  в производстве светочувствительных  элементов для оптико-волоконной связи. Он может стать прекрасным детектором вредных для здоровья газов и отравляющих веществ. А какие горизонты открывает  его уникальная прочность! Уже создан первый образец мобильного телефона с экраном из графеновой пленки, прошитой металлическими волокнами. Такой  экран не разобьется и даже не потрескается, если телефон уронить.

Получение

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа, (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена) или, используя комбинационное рассеяние. Используя стандартную электронную литографию иреактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также  можно приготовить из графита, используя  химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси  серной и соляной кислот. Графит окисляется и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

Дефекты

Идеальный графен состоит  исключительно из шестиугольных  ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

Наличие пятиугольных ячеек  приводит к сворачиванию атомной  плоскости в конус. Структура  с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек  приводит к образованию седловидных  искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию  различных форм поверхности.

Другие возможные применения:

Альтернативы электронике:

 • Баллистическая электроника

 • Спинтроника

 • Оптоэлектроника и наноплазмоника

Графен как проводник:

 • Почти прозрачные проводящие электроды и покрытия

 • НЭМС (наноэлектромеханические системы)

 • Квантовые точки

 • Суперконденсаторы

 • Холодные катоды

Графен как конструкционный  материал:

 • Графеновые мембраны

 • Композитные материалы

Химические применения:

 • Хранение водорода

 • Газовые сенсоры

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать  по направлениям пунктирных линий и  свернуть вдоль направления вектора R

Электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, описываются уравнением Дирака, хотя в эффекте Шубникова-де Гааза (осцилляции магнетосопротивления) наблюдаемые осцилляции соответствуют конечной циклотронной массе.

Закон дисперсии для носителей идентичен закону для безмассовых частиц, графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики.

Квантовый эффект Холла в  графене может наблюдаться даже при комнатной температуре из-за большой циклотронной энергии, при  которой температурное размытие функции распределения Ферми-Дирака меньше этой энергии 

При сворачивании графена  в цилиндр получается одностенная  нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами.

В графене отсутствует вигнеровская кристаллизация.

В графене нарушается приближение Борна-Оппенгеймера (адиабатическое приближение), гласящее, что в силу медленного движения ионных остовов решётки их можно включить в рассмотрение как возмущение, известное как фононы решётки, — основное приближение, на котором строится зонная теория твёрдых тел.

За получение и исследование свойств графена, Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена Андрею Гейму и Константину Новосёлову.

Заключение:

- Графен как двумерный  материал атомарной толщины представляет интерес с точки зрения разнообразных приложений, в частности, для создания наноэлектронных устройств

- Интерес к исследованию  графена с фундаментальной точки зрения вызван возможностью изучать поведение безмассовых заряженных частиц «на лабораторном столе»

- Эффективно ультрарелятивистская  динамика электронов в графене приводит к ряду электронных явлений, не имеющих аналогов в других физических системах

- Исследования графена  находятся на стыке физики конденсированных сред и физики высоких энергий.