Grafén

Grafén je názov jednoatómovej planárnej (2D) vrstvy, ktorú vytvárajú atómy uhlíka v hybridnom stave sp², usporiadané do pravidelných šesťuholníkov. Dĺžka väzieb medzi jednotlivými atómami je 0,142 nm. Je základnou štruktúrou grafitu, fullerénov a uhlíkových nanorúrok.
Názov zaviedol nemecký chemik Hanns-Peter Boehm a je odvodený od graf (základ slova grafit) + én (koncovka aromatických uhľovodíkov). Grafén sa dá považovať aj za veľkú aromatickú molekulu, ako limitný príklad polycyklických aromatických uhľovodíkov.
Grafén sa najjednoduchšie zobrazuje ako drôtené pletivo uhlíkových atómov a ich väzieb v atómovom meradle. Kryštalická alebo vločková forma grafitu pozostáva z mnoho plátov naukladaných dokopy. Pláty grefénu sú naukladané do formy grafitu s medziplošným odstupom 0,335 nm, čo znamená, že 3 milióny naukladaných plátov bude mať hrúbku iba jeden milimeter. Grafén je základný stavebný prvok niektorých alotropických modifikácií vrátane grafitu, dreveného uhlia, uhlíkových nanotrubíc a fullerénov. Nobelova cena za fyziku v roku 2010 bola udelená Andre Geimovi a Konstantinovi Novoselovovi „za priekopnícke experimenty týkajúce sa dvojrozmerného materiálu grafén“

História

V roku 2004 vyvinul profesor ruského pôvodu Andre Geim, vedecký pracovník univerzity v Manchestri a jeho kolega profesor Konstantin Novoselov spôsob získavania jednoatómových vrstiev grafitu ich odtrhnutím od grafitu a následným stabilizovaním na povrchu kremíka potiahnutého vrstvou oxidu kremičitého. Za objav tejto metódy, ako aj výskum vlastností grafénu získali v roku 2010 Nobelovu cenu za fyziku.

Opis

Jedna definícia podaná v nedávnej recenzii na grafén je:
Grafén je jedna plochá vrstva atómov uhlíka natesno naukladaných do dvojrozmernej (2D) šesťhrannej kryštalickej mriežky a je základným stavebným prvkom pre grafitové materiály všetkých rozmerností.
Predchádzajúca definícia je:
Jedno uhlíková vrstva grafitovej štruktúry môže byť považovaná za konečný prvok v sérii naftalénu, antracénu, koronénu atď. a termín grafén by mal byť preto používaný na označenie jednotlivých uhlíkových vrstiev v interkalačných grafitových zlúčeninách. Použitie termínu „grafénová vrstva“ je taktiež považovaná za hlavné názvoslovie uhlíkov.
Oddelenie prehľadu technológií Medzinárodnej únie čistej a aplikovanej chémie zastáva: „predchádzajúce popisy ako grafitové vrstvy, uhlíkové vrstvy alebo uhlíkové pláty boli používané pre termín grafén. Nie je to správne pre jednovrstvový termín používať termín, ktorý zahŕňa pojem grafit, ktorý by obsahoval trojrozmernú štruktúru. Termín grafén by mal byť používaný iba ak sú diskutované reakcie, štrukturálne vzťahy alebo iné vlastnosti jednotlivých vrstiev. V dôsledku toho je grafén označovaný ako nekonečný striedavý (iba šesťčlenný uhlíkový kruh) polyaromatický uhľovodík. Najväčšia známa izolovaná molekula tohto typu pozostáva z 222 atómov a má priemer 10 benzénových kruhov. Je dokázaná zložitosť syntézy dokonca trochu väčších molekúl, takže stále zostávajú „snom pre veľa organických a polymérnych chemikov“. Mimo to, od začiatku výpočty ukazovali, že grafénový plát je termodynamicky nestabilný s ohľadom na iné fullerénne štruktúry ak ich veľkosť  je menej ako približne 20 nm (grafén je má najmenej stabilnú štruktúru pod približne 6 000 atómov a stáva sa najstabilnejším (ako vo vnútri grafitu) iba pre veľkosti väčšie ako 24 000 uhlíkových atómov). Plochý grafénový plát je tiež známy nestabilitou s ohľadom na rolovanie to je skrútenie sa, čo je jeho stav s nižšou energiou. Taktiež definícia „izolovaného alebo voľne stojaceho grafénu“ bola nedávno navrhovaná: „grafén je jednoatómová rovina grafitu, ktorá (a toto je podstatné) je dostatočne izolovaná od jeho prostredia, aby bola považovaná za voľne stojacu“. Táto definícia je presnejšia ako definície vyššie uvedené a odkazuje sa na rozštiepené, prenesené a uložené grafénové jednotlivé vrstvy. Iné formy grafénu ako grafén vytváraný ma rôznych kovoch sa môže tiež stať voľne stojacim, ak je napríklad uložený alebo prenesený do oxidu kremičitého (SiO2). Nový príkladom izolovaného grafénu je grafén na karbide kremíka (SiC) po jeho pasivácii s vodíkom.

Vlastnosti

Podľa vedeckého tímu profesora Geima, elektróny v graféne majú iné vlastnosti, ako by sme predpokladali. Pri žiadnom inom materiáli neboli doteraz pozorované takéto vlastnosti správania sa elektrónov. Ich pohyb sa dá opísať bez akejkoľvek efektívnej hmotnosti a jeho rýchlosť sa približuje k  rýchlosti  svetla. Vedci predpokladajú, že by grafén mohli použiť pri dokazovaní tzv. Kleinovho Paradoxu. K tomuto javu by podľa doterajších znalostí malo dochádzať len vo veľmi extrémnych podmienkach (napr. v okolí čiernych dier). V prípade, že by sa preukázal, otvorila by tak sa cesta k vývoju nového druhu tranzistorov. Okrem elektrickej vodivosti, grafén tiež prepúšťa svetlo, takže sa dá vhodne použiť pri výrobe displejov a fotovoltaických článkov. Môže tak nahradiť súčasné zariadenia pozostávajúce z tenkých vrstvičiek oxidov kovov. Displej z grafénu je navyše pevnejší než dosiaľ vyrábané displeje z oxidu india  a cínu. Vďaka vlastnosti polovodivosti viacerých vrstiev naskladaných na seba,  možno z grafénu vyrobiť tranzistory, ktoré sú teoreticky  schopné  pracovať až  do  frekvencie 1 THz. Vďaka týmto vlastnostiam sa do budúcna počíta s využitím grafénu v mikroprocesoroch a pamätiach.

Využitie

Grafén vykazuje silnú reakciu na kolmé vonkajšie elektrické pole a má nízke šumové číslo, čo ho predurčuje ako vhodný materiál pre  výrobu poľom riadených FET tranzistorov. Prvé FET tranzistory s prijateľným on-off pomerom  vyvinuli v roku 2008 výskumníci z AMICA a University of Manchester demonštrovali nový spínací efekt, ktorého účinok je založený na vratnej chemickej modifikácii grafénovej vrstvy a poskytuje on-off pomer vyšší ako šesť rádov. Hoci tieto tranzistory otvárajú celú škálu nových aplikácií, vrátane výroby čipov, ich praktické využitie je zatiaľ obmedzené veľmi malým napäťovým ziskom. V roku 2009 výskumníci v Politecnico di Milano vyvinuli štyri rôzne typy logických hradiel, ktoré sa skladajú z jedného grafénového tranzistora. V roku 2010 sa výskumníkom z IBM podarilo vyrobiť tranzistor, ktorý bol schopný pracovať na frekvencii 100 GHz. Problémom je, že jednotlivé listy grafénu je veľmi ťažké vyrobiť a ešte ťažšie naniesť na povrch vhodného substrátu. Výskumníci hľadajú vhodný spôsob prenosu od zdroja (mechanická exofilácia na SiO2/Si alebo tepelná grafitizácia povrchu SiC) na cieľový substrát. Ďalšou oblasťou, kde sa dá tento výnimočný materiál využiť sú tzv. ultrakapacitory. Vzhľadom k extrémne vysokému pomeru povrchu plochy k hmotnosti grafénu sú ďalšou potenciálnou aplikáciou práve vodivé dosky ultrakapacitorov. Grafén by mohol byť využitý na výrobu ultrakapacitorov s vyššou úložnou hustotou energie, než je v súčasnej dobe k dispozícii.

Výskyt a výroba

V podstate grafén je izolovaná atómová vrstva grafitu. Z tejto perspektívy je grafén známy od vynálezu röntgenovej kryštalografie. Grafénové vrstvy sa stávajú ešte lepšie oddelené v interkalačných zlúčeninách grafitu. V roku 2004 fyzici na Univerzite v Manchestri a Inštitúte pre mikroelektronické technológie v Chernogolovke (Ruská federácia) ako prví izolovali jednotlivú vrstvu grafénu použitím metódy „lepiacej pásky“. Taktiež merali elektrické vlastnosti získaných vrstiev a predložili ich jedinečné vlastnosti. V roku 2005 tá istá Geimova skupina z Manchestru spolu so skupinou Philipa Kima z Kolumbijskej Univerzity demonštrovali, že kvázičastice v graféne boli Dirakove fermiony majúce nulovú hodnotu. Tieto objavy viedli k explózii záujmu o grafén.
Od tejto doby, stovky výskumníkov vstúpili do tejto oblasti, čo má za následok rozsiahle pátranie po významných skorších písomnostiach. Manchesterskí výskumníci sami publikovali prvú literárnu recenziu. Citujú niekoľko písomností, v ktorých grafén alebo ultra tenké grafitové vrstvy boli epitaxne vyrastené na rôznych substrátoch. Taktiež zaznamenali množstvo správ spred roka 2004, v ktorých interkalačná grafitová zlúčenina bola študovaná v transmisnom elektrónovom mikroskope. V neskorších prípadoch si výskumníci občasne všimli extrémne tenké grafitové vločky („málo vrstvový grafén“ a možno dokonca jednotlivé vrstvy). Raný detailný výskum málo vrstvového grafénu sa datuje v roku 1962. Prvé obrazy z transmisných elektrónových mikroskopov málo vrstvového grafénu boli publikované G. Ruessom a F. Vogtom v roku 1948. Aj keď už v roku 1859 D. C. Brodie si bol vedomý vysoko lamelárnou štruktúrou oxidu grafitu, ktorý mal zníženú teplotu. To bolo podrobne študované V. Kohlschütterom a P. Haennim v roku 1918, ktorí tiež popísali vlastnosti plátu oxidu grafitu.
Teraz je dobre známe, že tenké fragmenty grafénových plátov sú vyrobené (spolu s množstvom iných úlomkov) zakaždým, keď je grafit odretý, ako keď píšeme čiaru ceruzkou. Bol malý záujem o tieto grafitové zostatky pred rokmi 2004/2005 a preto objav grafénu je často prisudzovaný Andrému Geimovi a kolegom, ktorí predstavili grafén v jeho modernej podobe.
V roku 2008 bol grafén vyrobený odlupovaním jedným z najdrahších materiálov na svete, vzorka, ktorá mala priemer ako ľudský vlas stála v apríli roku 2008 viac ako 1000 dolárov (100 miliónov dolárov za cm2). Odvtedy sa produkcie odlupovania zvýšili a spoločnosti teraz predávajú grafén na tony. Na druhej strane cena epitaxného grafénu na karbide kremíka je daná cenou substrátu, ktorý je približne 100 dolárov za cm2 v roku 2009. Dokonca najlacnejší grafén bol vyrobený prenosom z niklu Kórejskými výskumníkmi so zaznamenanými veľkosťami plátov nad 30 palcov (760 mm).
V literatúre, špeciálne v spoločenstve štúdii povrchov, bol grafén označovaný ako jedna vrstva grafitu. Toto spoločenstvo intenzívne študovalo epitaxný grafén na rôznych povrchoch (nad 300 článkov pred rokom 2004). V niektorých prípadoch tieto grafénove vrstvy boli spojené s povrchmi dostatočne slabo (Van der Waaslovými silami) aby si udržali dvojrozmernú pásovú štruktúru izolovaného grafénu, čo sa stalo s odlúpnutými grafénovými plátkami na oxide kremičitom (SiO2). Príkladom slabo spojeného grafénu je rast na karbide kremíka (SiC).