 |
Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы
|
|
|
|
Графен (G) представляет революционный материал, который открывает широкие перспективы. Это самый электропроводящий, легкий и прочный вариант углеродного соединения. G — был открыт Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые работают в Университете Манчестера. Русских ученых за это открытие наградили Нобелевской премией. На исследование свойств графена только на сегодняшний день выделено свыше десяти миллиардов долларов.
Ученые предполагают, что он может стать превосходной заменой кремнию, в особенности в полупроводниковой промышленности. Неслучайно его называют «материалом будущего». Несмотря на «молодость» графена, исследователи находят все новые свойства графена, которые открывают перед человечеством невероятное окно возможностей.
Что это графен
G — представляет двумерную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, а его толщина составляет всего один атом.
При этом материал обладает уникальными свойствами:
· Рекордно большая теплопроводность.
· Большая механическая жесткость, он прочнее стали в сотни раз.
· Высокая гибкость.
· Большая электропроводимость.
· Его температура плавления находится выше 3000 градусов.
· Непроницаемость для большинства газов и жидкостей.
· Прозрачность.
Если сложить 3-и миллиона листов графена, то можно получить толщину порядка 1 мм.
Чтобы объяснить самым простым способом, что такое G, можно сказать: данный материал состоит из мягкого слоистого материала, используемого в грифелях. Однако графен, в отличие от графита, имеет иную структуру. Так же, как графит и алмаз являются формами углерода, они существенно кардинально отличаются по прочности. Так и графен очень твердый в виду того, что его атомы имеют гексагональное расположение.
|
|
|
Чудеса начинаются, когда начинается выделение графена из графита. Благодаря толщине в один атом он представляет первый 2D-материал из когда-либо обнаруженных. К тому же он обладает многочисленными полезными и удивительными свойствами. Сегодня не существует такой области применения, где графен не был бы интересен. Именно поэтому проводятся многочисленные интенсивные исследования, которые направлены на изучение сфер, где потенциально можно было бы внедрить указанный материал. Для ученых открываются невероятные возможности, ведь G особенно широко можно использовать в развитии технологий и науки.
Устройство
Начиная с 2004 года, когда новейший наноматериал был открыт, ученые смогли освоить целый спектр методов его получения. Но основными из них являются следующие способы:
· Химическое перофазное охлаждение, то есть CVD-процесс.
· Эпитаксиальный рост в вакууме.
· Механическая эксфолиация.
Механическая эксфолиация - микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова — метод скотча) является наиболее простым. Создание графена при помощи механической эксфолиации осуществляется следующим образом:
Образец графита помещается между лентами скотча и последовательно отшелушиваются слои, пока не остаётся последний тонкий слой, состоящий из графена
· Выполняется нанесение специального графита на специальную клейкую поверхность изоляционной ленты.
· Затем основу, словно лист бумаги, начинают разгибать и сгибать, отделяя необходимый материал.
При использовании указанного способа G получается наиболее высокого качества. Но подобные действия не подойдут для массового производства, указанного наноматериала.
При применении метода эпитаксиального роста:
· Используют тонкие кремниевые пластины, у которых поверхностный слой состоит из карбида кремния.
|
|
|
· Затем данный материал нагревают при весьма высокой температуре, достигающей 1000 К.
· Вследствие химической реакции осуществляется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остается лишь чистый G.
Среди минусов данного метода можно отметить необходимость применения высоких температур, при которых обеспечивается сгорание атомов углерода.
Наиболее простым и надежным способом, который применяется для массового производства графена, считается CVD-процесс. Данный метод представляет способ, при котором протекает химическая реакция между углеводородными газами и металлическим покрытием-катализатором.
В результате указанных методов получается двумерная аллотропная модификация углерода, которая образована слоем атомов углерода толщиной в один атом, которые соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решетку посредством σ- и π-связей. Носители заряда графена обладают высокой подвижностью, самой большой среди всех известных материалов. Благодаря этому G является перспективным материалом для возможной замены кремния в интегральных микросхемах и будущей основы нано электроники.
Применения и особенности
Рынок применения графена непосредственно связан с прогрессом в производстве графена со свойствами, которые требуются для конкретного его использования. На текущий момент развиваются и применяются десятки методов по получению графена различного качества, формы и размера.
Среди методов, которые могут быть использованы, можно выделить три класса, получаемого графена:
1. Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который применяется для проводящих красок, композитных материалов и так далее.
2. Плоский G, применяемый для создания высокопроизводительных электронных устройств.
3. Плоский G, применяемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.
Свойства конкретного класса графена, а значит и функционал приложений, где можно его задействовать, очень сильно зависят от качества подложки, материала, типа дефектов и тому подобное. А это в первую очередь определяется методом производства.
|
|
|
G — в зависимости от метода производства сегодня применяется в следующих направлениях:
· При механическом отслаивании графен применяется для исследований. Подвижность носителей заряда составляет 2×105 и 106 (при низкой температуре) см²В-1с-1.
· При химическом отслаивании G применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 100 см²В-1с-1.
· При химическом отслаивании через оксид графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1 см²В-1с-1;
· При методе CVD G применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1;
· При методе SiC G применяется для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и иных устройств. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1.
На текущий момент изучаются и другие сферы применения графена:
· В альтернативной электронике;
• наноплазмоника и оптоэлектроника;
• спинтроника;
• баллистическая электроника.
· В химическом применении;
• газовые сенсоры;
• хранение водорода.
· G — как конструкционный материал;
• композитные материалы;
• графеновые мембраны.
· G — как проводник;
• холодные катоды;
• суперконденсаторы и электрические батареи;
• квантовые точки;
• НЭМС (наноэлектромеханические системы);
• прозрачные покрытия и проводящие электроды.
Так или иначе, но уникальные свойства, которыми обладает графен, смогут обеспечить внимание разработчиков и ученых к нему на десятки лет. Возможно, данный материал начнет вытеснять кремний из электронной промышленности.
Достоинства и недостатки
К достоинствам графена можно отнести следующее:
· Высокая электропроводность. G — может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.
|
|
|
· Отличная оптическая чистота. G — может поглощать только чуть более двух процентов видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.
· Высокая механическая прочность. G — по прочности превосходит алмаз.
· Гибкость. G — является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.
· Способность противостоять внешним воздействиям.
· Рекордная теплопроводность. G — по данному показателю превосходит медь в десять раз.
К недостаткам графена можно отнести следующее:
· На данный момент трудно получать G большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.
· Промышленный G по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удается, несмотря на совершенствование технологий.
· Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.
Тем не менее, эти трудности вполне преодолимы, что открывает широкие перспективы.
Перспективы
Южнокорейская компания Samsung уже объявила, что намерена производить G в промышленных масштабах. Он будет применяться для создания очень тонких и гибких гаджетов. Производство пока дорогостоящее, но Samsung в будущем обещает удешевить его.
Графеновые транзисторы могут стать заменой традиционным кремниевым, обеспечив невероятный прорыв в вычислительных мощностях на десятки лет вперед. Теоретически графеновые транзисторы могут работать на высоких частотах, а их размеры будут существенно меньше обычных.
G — способен решить проблему фото- и видеооборудования, она заключается в невысоком качестве съемки при недостаточном освещении. Датчики на основе графена способны увеличить чувствительность сенсоров в сотни раз. Это означает появление новых инфракрасных камер, приборов ночного видения, аппаратов спутников, способных делать детализированные фотографии.
Победа над раком. Оксид графена убивает стволовые клетки, которые запрограммированы на преобразование в раковую опухоль. Он уменьшает размер опухоли, предотвращая ее дальнейший рост.
Огромные перспективы в медицине, автомобилестроении, химической промышленности и в других областях.
|
|
|
Графен
· 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 sp2-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 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.
· Получение графена.
· Основными способами получения графена считаются:
· — 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.
·
· Применение графена:
· — солнечная энергетика,
· — водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,
· — электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и пр.),
· — в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать
1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,
· — медицина. Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток
и регенерацию клеток костной ткани,
· — создание суперкомпозитов,
· — очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.
Что такое эпитаксия?
Ответ:
Эпитаксиальные процессы
Термином «эпитаксия» обозначают процесс кристаллографически ориентированного наращивания монокристаллического слоя на монокристаллической подложке, при котором новая фаза закономерно продолжает кристаллическую решётку подложки. Процесс происходит от двух греческих слов: эпи – «на» и таксис – «располагать в порядке».
Реотаксuя [от греч. реос – «скользить»] – ориентированное наращивание кристаллического слоя в условиях, близких к равновесным, на подложке как механическом носителе. Подложка может быть стеклообразной, аморфной или иметь структуру, отличную от структуры формирующейся кристаллической фазы. Упорядочение формирующегося слоя происходит за счет высокой подвижности исходных структурных образований кластеров, попадающих на подложку из внешней среды.
По химическому состоянию вещества в период переноса от внешнего источника к подложке (фактически по химическому составу исходной фазы) эпитаксиальные процессы подразделяют на:
– прямые;
– непрямые.
В прямых процессах вещество переносится к подложке без промежуточных реакций. То есть, химический состав вещества источника, его состав в процессе переноса и состав эпитаксиального слоя одинаковы. Примерами таких процессов могут служить: вакуумное испарение, сублимация, молекулярная эпитаксия.
В непрямых процессах при переносе вещества от источника к подложке происходят химические превращения: пиролиз, восстановление, окисление, диспропорционирование, различные стадии химического синтеза и др. Таким образом, состав промежуточной фазы отличается и от состава источника, и от состава растущего эпитаксиального слоя. Такие процессы наиболее распространены.
По агрегатному состоянию исходной фазы все эпитаксиальные процессы делятся на четыре типа:
– эпитаксия из газовой фазы;
– эпитаксия в жидкой фазе;
– эпитаксия в системе пар – жидкость – кристалл;
– эпитаксия при твердофазном взаимодействии.
Эпитаксия в системе пар – жидкость – кристалл. В данном случае рост эпитаксиального слоя происходит путём переноса осаждаемого вещества из газовой фазы через тонкую пленку промежуточной стабильной или метастабильной жидкой фазы.
Эпитаксия при твердофазном взаимодействии. Данный метод представляет собой перекристаллизацию вещества в поверхностном слое твердой фазы или его синтез в поверхностном слое с последующей перекристаллизацией. Частным случаем эпитаксии в твердой фазе является перекристаллизация стеклообразной фазы на поверхности монокристалла за счет фазового перехода 2 рода. Для синтеза тонких слоев химических соединений вблизи поверхности твердого тела иногда используют метод ионной имплантации одного из компонентов соединения с последующей рекристаллизацией в процессе эпитаксиального отжига.
|
|
|
