Що таке графен?
Графен — двовимірний матеріал, одна з алотропних форм вуглецю, моноатомний шар атомів вуглецю із гексагональною структурою. Графен був відкритий в 2004 Андрієм Геймом та Костянтином Новосьоловим із Манчестерського універстету. За це відкриття Гейм та Новосьолов були нагороджені Нобелівською премією з фізики за 2010.
Алотропія — явище утворення елементом двох або кількох простих речовин. Так проста речовина кисень O2 і проста речовина озон O3 є алотропічними видозмінами елементу оксигену.
Мономолекулярний шар – шар речовини товщиною в одну молекулу на поверхні розділу фаз. Виникає при адсорбції, поверхневої дифузії та при випаровуванні розчинника з розчину, який має нерозчинний компонент.
Адсорбція — вибіркове поглинання речовини з газового чи рідкого середовища поверхневим шаром твердого тіла (адсорбенту). Компонент, що поглинається, який вміщується в суцільному середовищі (газі, рідині), називають адсорбтивом, а той що вміщується в адсорбенті — адсорбатом.
Дифузія — процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини поміж молекул або атомів іншої, що зазвичай приводить до вирівнювання їх концентрацій у всьому займаному об'ємі.
Основною особливістю чистого графена — двовимірної модифікації вуглецю — є відсутність у ньому забороненої зони, ширина якої дорівнює нулю.
Заборонена зона - область значень енергії, якими не може володіти електрон в ідеальному (бездефектної) кристалі.
Ширина забороненої зони - це ширина енергетичного зазору між дном зони провідності і стелею валентної зони, в якому відсутні дозволені стану для електрона.
Зона провідності — у зонній теорії кристалів найнижча незаповнена електронами зона.
Валентна зона — у зонній теорії твердого тіла найвища заповнена електронами зона основного стану фізичної системи.
Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар у структурі графіту — атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з міжатомною відстанню 0,142 нм.
Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладці. Більше того, графен був отриманий також без підкладки у вільному підвішеному стані, розтягнутий на опорах.
Гейм і Новосьолов отримали графен, здираючи графіт з підкладки шар за шаром. Їм уперше у світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.
Тоді ж Гейм із співробітниками запропонували так званий балістичний транзистор на базі графену. Графен відкриває перспективи створення транзисторів й інших напівпровідникових приладів з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів).
Зменшення довжини каналу транзистора приводить до зміни його властивостей. У наносвіті підсилюється роль квантових ефектів. Електрони переміщаються каналом балістично, як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень й, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.
Хвиля де Бройля - хвиля ймовірності, що визначає щільність ймовірностей виявлення об'єкта в заданій точці конфігураційного простору. Відповідно до прийнятої термінології говорять, що хвилі де Бройля пов'язані з будь-якими частинками і відображають їх хвильову природу.
Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найперспективніших матеріалів для наноелектроніки.
Вуглецева нанотрубка - це алотропна модифікація вуглецю, що являє собою порожнисту циліндричну структуру діаметром від десятих до декількох десятків нанометрів і завдовжки від одного мікрометра до кількох сантиметрів, що складаються з однієї або кількох згорнутих в трубку графенових площин.
Особливістю графену є його зонна структура із законом дисперсії, що за формою є аналогічним закону дисперсії релятивістських квантових частинок.
Оскільки з моменту одержання графену пройшло небагато часу, його властивості поки що вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів вже є.
За своїми електронними властивостями графен відрізняється від тривимірного графіту. Його можна охарактеризувати як напівметал, або ж як надпровідник із нульовою шириною забороненої зони. Зона провідності та валентна зона графену змикаються, але не в центрі зони Брілюена, а в особливих точках на її краях.
Зона Брілюена — характерна для даного типу кристалічної гратки область область оберненого простору із об'ємом:
де, V0— об'єм примітивної комірки в звичайному просторі, і симетрією, яка повністю зберігає симетрію оберненої гратки кристалу.
Обернений простір — тривимірний векторний простір простір, векторами якого є хвильові вектори.
Теоретично графен має нульову густину станів в точках Дірака, які відповідають рівню Фермі при нульовій температурі, тож не повинен проводити електричний струм. Однак, практично, він має провідність.
Причина провідності досі остаточно не з'ясована. Можливо, носії заряду потрапляють на графен із підкладки, або ж причиною появи носіїв заряду є коругована поверхня матеріалу, при якій носії заряду перерозподіляються, а, можливо, причиною є домішки.
Для підвищення провідності у графен додають контрольовані домішки
Попри те, що графен має моноатомний шар, він не зовсім прозорий. Здатність графену поглинати світло в оптичному діапазоні не залежить від довжини хвилі.
Попри те, що графен досить прозорий, його все ж таки можна бачити, коли графен лежить на поверхні кремнієвих підкладок. Це пов’язано з тим, що на поверхні цих підкладок є тонкий шар оксиду кремнію SiO2 — близько 300 нм, у цьому шарі між графеном та неоксидованим кремнієм виникає інтерференція світла, як наслідок графен можна бачити навіть у звичайний мікроскоп. Саме так графен було вперше виявлено. Пізніше було доведено, що кремнієві підкладки з оксидованим шаром завтовшки 90 нм дають навіть кращий контраст.
ЗАСТОСУВАННЯ ГРАФЕНУ
ПЕРСПЕКТИВИ В ЕЛЕКТРОНІЦІ
На основі графену вже створено надчутливі сенсори (можуть виявляти присутність одного електрона), біосенсори, мініатюрні конденсатори високої ємності, швидкодійні елементи енергонезалежні пам'яті нового покоління, модулятори випромінювання, прозорі сенсорні екрани з діагоналлю понад 80 см.
Обнадійливими є перші спроби застосування графену в медицині (зокрема при лікуванні пухлин). Фірмою ІВМ створено польові транзистори на основі графену зі швидкодією в 100 ГГц.
Однак на перешкоді появі серійних графенових польових транзисторів, що могли б у перспективі масово замінити кремнієві, стоїть відсутність у графені забороненої зони, що робить його вольт-амперну характеристику (залежність провідності каналу від напруги на затворі) симетричною відносно нуля напруги і ускладнює отримання двох станів, які можна було б співвіднести логічним «0» та «1».
Заборонену зону в графені намагаються індукувати в різний спосіб, використовуючи гідрогенізований графен (графан), флюорид графену, графенові нанострічки (зона виникає за рахунок додаткового квантування ще за одним напрямком), вводячи в графен дефекти і напруження. Однак в цілому це завдання ще задовільно не вирішене.
Графан — гідрогенізований графен з хімічною формулою (CH)n. Кристалічна структура графана, така сама як графена — двомірна гексагональна. При цьому атоми водню приєднані по обидві сторони від площини атомів вуглецю. При температурі нижче за 4 °К графан має властивості ізолятора.
0 за Кельвіном = -273,16 градусів за Цельсієм.
Вперше отриманий в лабораторії університету Манчестера інтернаціонально групою науковців в грудні 2008 року. Отриманий гідрогенізацією графена в атмосфері суміші аргону і атомарного водню під тиском 0,1 мБар.
З кожним роком все більше корпорації виявляють свій інтерес, і сфер, де можливе потенційне застосування графену, стає більше.
ВИКОРИСТАННЯ В ЕЛЕКТРОНІЦІ
Кілька компаній оголосили про лабораторні розробки нових акумуляторів на основі графену. Так, у листопаді 2017 року Samsung Electronics оголосила про розробку нових акумуляторів для смартфонів, що можуть заряджатися всього за 12 хвилин, на відміну від звичайних, які заряджаються близько години-двох.
БЕЗПІЛОТНИКИ
Британські вчені використали графен для побудови дрона Juno і у липні 2018 презентували його на виставці North West Aerospace Alliance. Завдяки новітньому матеріалу безпілотник може літати в грозу, оскільки, за словами розробників з Університету Центрального Ланкаширу (UCLan), що у Великій Британії, розряди блискавки просто розпорошаться по фюзеляжу. Також перевагами є менша вага дрона і захист від намерзання.
ГРАФЕН ЯК ДЖЕРЕЛО ЕНЕРГІЇ
Атоми графену пульсують відносно один одного. Якщо розмістити електроди з обох сторін секції такого графену то на них виникне електричний потенціал. Тобто матимемо графеновий генератор. Згідно з розрахунками, графен розміром 10х10 мікрон графену має потужність в 10 мікроватів.
Враховуючи, що на шпильковій голівці може поміститися цілих 20 000 таких квадратів, подібна “електростанція” виглядає реальною. Одержаної потужності при кімнатній температурі буде достатньо, щоб забезпечити енергією маленький гаджет — наприклад, наручний електронний годинник. У майбутньому подібний спосіб отримання енергії може привести до створення біоімплантів.