Grafeen

Grafeen on ainult süsiniku aatomitest koosnev ühe aatomi paksune planaarne leht, milles süsiniku aatomid on heksagonaalselt pakitud kärjekujulisse raamistikku.
Grafeeni võib vaadelda lõputult suure aromaatse molekulina, mille moodustavad ainult sp² süsiniku aatomid. Grafeen on süsiniku allotroopne vorm, kusjuures selle struktuurielemendid esinevad mitmetes teistes süsiniku allotroopsetes teisendites nagu grafiit, süsiniknanotorud ja fullereenid. Nimetus on tuletatud sõnadest grafiit + -een.
Grafeenis on süsiniku aatomite vahel konjugeeritud sidemed, see tähendab et esineb valentselektronide delokalisatsioon üle kogu süsteemi, mis suurendab selle stabiilsust ja alandab üldist energiat. C–C sideme pikkus grafeenis on 0,142 nm ja 7 miljonit grafeeni lehte moodustaksid vaid 1 mm paksuse kihi. Tulenevalt struktuurist on grafeenil rida erilisi omadusi, millest kõige olulisemad on grafeeni lehe vastupidavus ja suurepärane elektrijuhtivus.
2010. aastal said Andrei Geim ja Konstantin Novosjolov Nobeli füüsikaauhinna kahemõõtmelise materjali grafeeniga seotud põhjapanevate eksperimentide eest.

Ajalugu ja eksperimentaalne avastamine

Termin "grafeen" võeti kasutusele 1987. aastal, et kirjeldada grafiidiliistakut kui grafiidiühendi (Graphite Intercalation Compound ehk GIC) ühte koostisosa. GIC on kristalliline sool, mille molekulivalem on XCy, kus X tähistab mingisugust ainet ja C süsinikku, mis on aine X vahel (näiteks KC₈). Grafeeni termin oli kasutusel ka varajastes süsiniknanotorude ja epitaksiaalse grafeeni kirjeldustes.
Ühekihilisi grafiidiliistakuid on tehtud alates 1970. aastast, neid kasvatati epitaksiaalselt metallide peale. "Epitaksiaalne grafeen" koosneb ühe aatomi paksusest heksagonaalsest võrest, milles süsiniku aatomeid hoiavad koos sp2-sidemed.
Õhukesi grafiidiliistakud on uuritud läbivalgustava elektronmikroskoobiga (TEM) – nähti, et liistakute sisemus on kihistunud.
Grafeeni uuriti teoreetiliselt juba 1940. aastatel, et kirjeldada erinevate süsinikku sisaldavate materjalide omadusi. Teoreetiliste arvutuste käigus lähtuti grafeeni mudelist. Hiljem avastati, et grafeen ei saa vabas vormis eksisteerida, kuid 2004. aastal avastasid professor Andrei Geim ja Konstantin Novosjolov Manchesteri Ülikoolist, et grafeeni saab eraldada grafiidiliistakutest tavalise kleeplindi abil. Sellist grafeeni saamise viisi hakati nimetama mikromehaaniliseks lõhestamiseks.

Omadused

Grafeen on meekärjekujuline planaarne allotroop, kus on sp2- sidemed. Sideme pikkused grafeenis on umbes 0,142 nanomeetrit. Grafeeni kihid järjestuvad grafiidiks ja nende vahele jääb 0,335 nanomeetrit. Grafeen kui üheaatomiline süsinikukiht on suurepärane elektri- ja soojusjuht.

Elektroonilised

Grafeen erineb kolmemõõtmelistest materjalidest ja sellel on null-keelutsooniga pooljuhi omadusi. 1947. aastal avastas P.R. Wallace, et energia impulsi seos (dispersiooniseos) on lineaarne madalatel energiatel just kuusnurga tippude juures. See viis ta järeldusele, et elektronide ja aukude efektiivne mass on null.

Termilised

Grafeenil on väga suur soojusmahtuvus. Toatemperatuuril mõõdetud soojusmahtuvus varieerub (4,84±0,44) × 103 kuni (5,30±0,48) × 103 W•m⁻¹•K⁻¹.

Mehaanilised

2009. aastal nimetati grafeen kõige tugevamaks materjaliks. Mõõtetulemused näitasid, et grafeeniliistak on 100 korda tugevam kui teraseliistak samade mõõtmete korral. Grafeeni elastsusmoodul on 1 TPa (1012 Pa). Kuigi grafeen on tugev materjal, ei ole veel lahendust, kuidas seda tööstuslikult ja suurtes kogustes toota. Grafeen on väga kerge – kaalub kõigest 0,77 milligrammi ruutmeetri kohta.
Guoxiu Wang Sydney ülikoolist töötas välja grafeenpaberi (GP), mida saab modifitseerida erinevateks kujudeks ja taastada selle esialgne olek. Teadlased peenestasid, puhastasid ja filtreerisid grafiiti erinevate kemikaalidega, et muuta grafiit nanostruktuurseks, mida hiljem töödeldakse paberiliistakuteks. Juhtiv uurija Ali Reza Ranijbartoreh väitis, et selline paberilaadne grafeeniliistak on mitte ainult kerge ja tugev, vaid ka elastsem kui teras.

Optilised

Grafeeni unikaalne omadus on vähene valguse neelamine. Ühe aatomi paksune grafeenikiht neelab kõigest 2,3% valgust.

Kahe aatomi paksune grafeen

Kahe aatomi paksune grafeen koosneb kahest grafeenikihist, mis asetsevad üksteise peal. Kahe aatomi paksune grafeen on näidanud selliseid huvitavaid elektrilisi omadusi nagu kvant-Halli efekt.

Kolmemõõtmeline grafeen

2013. aastal avastati kolmemõõtmeline heksagonaalselt järjestatud grafeen.

Mikromehaaniline lõhestamine

Sageli kutsutakse mikromehaanilist lõhestamise meetodit ka teibimeetodiks. Selle meetodi käigus kasutatakse HOPG-i (kõrgorienteertud püroliitiline grafiit), teipi ja SIO₂(ränioksiidi) alust, kuhu grafeen peale kantakse. HOPG-i pinnale kleebitakse korduvalt ühte ja sama kleeplinti ning selle tulemusel jääb kleeplindi külge hulgaliselt grafiidiliistakuid. Seejärel kleebitakse teip SiO₂ alusele. SiO₂ alusele kinni jäänud liistakud ei pruugi olla ühekihilised, mistõttu tuleb otsida nende seast välja ühe aatomi paksused liistakud. Sel viisil saadud grafeenikristalliidid võivad olla kuni 100 mikromeetri suurused.

Keemiline sadestus aurufaasist (CVD)

Kuna grafeeni on raske kasvatada suurtele pindadele, mõeldi välja uus ja küllaltki tõhus meetod. Selleks tehnoloogiaks on keemiline sadestamine aurufaasist (CVD). CVD protseduur on suhteliselt keeruline, kuid selle töötlemisviisiga valmistatud grafeen on üsna hea kvaliteediga.CVD meetodiga kasvatatakse grafeeni peamiselt metallidele: nikkel- ja vaskfooliumist alustele. Kasvatus toimub reaktoris, mis koosneb gaaside edastamise süsteemist, vaakumpumbast, reaktori südamikust (kuhu gaasid edastatakse) ja kõrge temperatuuriga ahjust, mis asetseb reaktori ümber. Et reaktsioon toimuks, on vaja süsteemi viia vajalikud lähteained, mis on gaasifaasis. Põhiliselt kasvatatakse grafeeni kolme gaasi – metaani, vesiniku ja argooni – abil. Gaasid on suunatud teatud kontsentratsiooniga kõrge temperatuuriga reaktorisse, kus hakkab toimuma keemiline reaktsioon, mis koosneb neljast etapist:
Reaktsiooni käigus eralduvad ka kõrvalproduktid, mis pumbatakse vaakumpumbaga välja.

Ränikarbiidi termiline lagundamine

Grafeeni saab toota ka ränikarbiidi (SiC) lagundades. Ränikarbiid kuumutatakse vaakumis (rõhul ~ 10 −6 torri) kõrgele temperatuurile (üle 1100 °C), kus ränikarbiid hakkab lagunema ja hiljem moodustavad süsiniku aatomid grafeeni.

Grafiitoksiidi redutseerimine

Grafiitoksiidi redutseerumist kasutati tõenäolisest kõige esimese meetodina grafeeni sünteesiks. Töötlemisviisi põhimõtteks on kiiresti kuumutada grafiitoksiid kõrgele temperatuurile, kus saadakse dispergeenne süsinikupulber. Saadud süsinikupulbris leidub väga väike kogus grafeeni ja saadud grafeen on väga madala kvaliteediga võrreldes mehaanilise lõhestamise teel saadud grafeeniga.

Grafeeni potentsiaalsed rakendusvaldkonnad

Mõned potentsiaalsed grafeeni rakendusvaldkonnad on juba arenemas ja palju on veel tulemas. Grafeeni saaks kasutada näiteks kergete, õhukeste ja vastupidavate kuvarite, elektriahelate ja päikesepaneelide valmistamiseks.

Integreeritud vooluring

Grafeenil on suurepärased omadused, et koostada sellest integreeritud vooluring, kuna grafeenil on kõrge elektrijuhtivus. Kuid probleemiks on see, et selliseid grafeeniliistakuid on väga raske teha. Teadlased otsivad uusi tõhusaid meetodeid, kuidas saaks grafeeniliistakuid üle kanda nende esialgsest kasvatusalusest SiO₂ (ränioksiid)-alustele. 2008. aastal valmistati grafeenist maailma kõige väiksem kiip, mis on kõigest ühe aatomi paksune ja kümne aatomi laiune.

Läbipaistvad elektroodid

Kuna grafeenil on väga hea elektrijuhtivus ja ta on peaaegu läbipaistev, võib sellest saada uus materjal puutetundlike ekraanide, vedelkristallkuvarite ja orgaaniliste valgusdioodide valmistamiseks.

Päikesepatareid

Väga hea elektrijuhtivuse ja läbipaistvuse]tõttu saab grafeenist teha ka päikesepatareisid. Ühe aatomi paksune grafeeniliistak on null-keelutsooniga pooljuht, mille laengud on delokaliseeritud kogu pinna suhtes ja laengu hajumist ei toimu. Samuti neelab grafeen ainult 2,3% valgust ja ülejäänud 97,7% peegeldub.

Ultrakondensaatorid

Tänu massi ja pindala suhtele saaks teha grafeenist ka juhtivaid plaate, millest omakorda valmistada ultrakondensaatoreid. Usutakse, et grafeenist võib valmistada kõige suurema mahtuvusega kondensaatoreid.

Lisand jahutusvedelikus

Suure soojusjuhtivuse tõttu on grafeeni võimalik kasutada lisandina jahutusvedelikus. Esialgsed uuringud on näidanud, et 5%-line grafeenisisaldus vedelikus suurendab jahutusvedeliku soojusjuhtivust 86%.

Etanooli destilleerimine

Grafeenoksiidi membraanid lasevad läbi veeauru, kuid on näidatud, et kõik muud vedelikud ja gaasid, kaasa arvatud heelium, membraanist läbi ei lähe. Seda meetodit on kasutatud viina destilleerimiseks, et suurendada alkoholi kontsentratsiooni, ilma et rakendataks soojust või vaakumit, mis on tavalise destilleerimise puhul vajalik. Selle meetodi edasiarendamine ja turustamine võib luua revolutsiooni biokütuse ja alkohoolsete jookide tootmises.