Grafeno

Grafeno estas simpla plata tavolo el sp²-ligitaj karbonatomoj. Oni povas imagi ĝin, kiel disetenditajn nanotubojn; ĝi estas aromata, tio estas, ĝi formiĝas laŭ heksagonaj ringoj. Oni povas produkti nun plataĵon je 10 mikrometroj dikan, sed planas dikajn je centimetro. Ĝi havas elstarajn elektrokonduktajn ecojn (tiel tre gravas por la transistoroj), ĝi estas elasta kun bonega kemia stabileco (ĝi ne reakcias kun gasoj kaj humideco de la aero).

 klarigi 
La ligoj inter karbonatomoj estas pli fortaj ol tiuj en diamanto, kaj ĝi estas konsiderata materialo pli forta ol diamanto en ebeno.  Ĝi estas fizike tre forta kaj havas la plej altan tirreziston en la mondo.La 10 Plej Fortaj Materialoj Konataj al Homo, Stanford Advanced Materials, Prenita la 9-an de majo 2025. Oni diras, ke ĝia varmokondukteco estas la plej bona en la mondo, kaj ĝia elektra kondukteco ankaŭ estas inter la plej bonaj.

Perfekta grafeno konsistas nur el aro de seslateraj ĉeloj; kvinangulaj kaj heptagonaj ĉeloj estas kraddifektoj. Kiam kvinlatera unuo estas izolita, la ebeno mallarĝiĝas en konuson (12 kvinlateraj unuoj formas fulerenon), dum izolita heptagonala unuo fleksas la tukon en selan formon. Per kontrolado de la enkonduko de kvinangulaj kaj heptagonalaj ĉeloj, diversaj formoj kiel ekzemple karbonaj nanoburĝonoj povas esti kreitaj. Unu-mura karbonnanotubo povas esti rigardata kiel cilindro el grafeno (laŭvole finita per duongloba grafena ĉapo farita el ses kvinangulaj unuoj). En 2010, Andre Geim kaj Konstantin Novoselov ricevis la Nobel-premion pri fiziko pro siaj pioniraj eksperimentoj pri la dudimensia materialo grafeno“太陽電池やタッチパネルに役立つグラフェン透明導電膜、量産手法がカギ”. ITmedia Japanio (2011-0411). Alirita la 4-an de oktobro 2021..

 Produktadmetodo 
Ĝis la 2000-aj jaroj, grafeno estis malfacile akirebla, kaj esplorado en ĉi tiu kampo ne progresis dum multaj jaroj. En 2004, oni malkovris, ke grafeno povus esti akirita per gluado de pecoj de grafito al celofana bendo kaj poste senŝeligado de ili, kio kondukis al progresoj en aplikata esplorado pri grafeno.

Grafito konsistas el pluraj tavoloj de dudimensia grafeno, kiuj estas ligitaj kune per malfortaj fortoj de van der Waals por formi tavoligitan strukturon. Ekzistas pluraj metodoj por akiri grafenon, inkluzive de la metodo de la glubendo, kiu uzas la alteniĝan potencon de celofana bendo por senŝeligi la grafenon, la termika malkomponiĝo de silicia karbido (SiC), kaj la metodo de kemia vapora demetado (KVD), en kiu karbon-entenanta gaso estas liverita al substrato sur kiu kataliza metala tavolo estis formita.

 Karakterizaĵoj 

 Konduktiveco 
Eksperimentaj rezultoj montras, ke la movebleco de elektronoj en grafeno estas surprize alta, je 15 000 cm²V-1s-1 je ĉambra temperaturo. Krome, eksperimentoj montris, ke la elektra konduktiveco estas simetria, implicante, ke la moviĝebloj de elektronoj kaj truoj estas proksimume ekvivalentaj. Ĉar la movebleco estas preskaŭ sendependa de temperaturo en la intervalo de 10 ĝis 100 K, kraddifektoj ŝajnas esti la ĉefa fonto de disĵeto. Pro disĵeto per akustikaj fononoj en grafeno, la movebleco ĉe ĉambra temperaturo estas limigita al 200 000 cm²V⁻¹s⁻¹ (ĉe portantodenseco de 10⁻¹² cm⁻²),Chen, J. H.; Jang, Chaun; Xiao, Shudong; Ishigami, Masa; Fuhrer, Michael S. (2008). "Internaj kaj Eksteraj Funkciaj Limoj de Grafenaj Aparatoj sur SiO2". Nature Nanotechnology. 3 (4): 206–9. arXiv:0711.3646. doi:10.1038/nnano.2008.58. PMID 18654504. S2CID 12221376. sed la koresponda rezisteco estas 10⁻⁶ Ω cm⁻¹. Ĉi tiu valoro estas pli malgranda ol tiu de arĝento, kiu estas la materialo kun la plej malgranda rezisto je ĉambra temperaturo. Tamen, je ĉambra temperaturo, en grafeno sur substrato de siliciodioksido, elektrona disĵeto fare de la optikaj fononoj de la substrato estas pli severa ol disĵeto fare de la akustikaj fononoj de la grafeno mem, limigante la moveblecon al 40 000 cm²V. -1. s-1.

Malgraŭ la nula denseco de portantoj proksime de la punkto de Dirac, grafeno havas densecon de portantoj de 4e²/h².

Ĝi montras minimuman elektran konduktivecon de la ordo de 4e2/h. La origino de tiu minimuma elektra konduktiveco restas neklara. Tamen, per senŝeligado de la grafena tavolo aŭ per miksado de jonigitaj malpuraĵoj en la SiO2-substraton, eblas lokalizi la arojn de portantoj kaj ebligi konduktadon. Kelkaj teorioj sugestas, ke la minimuma konduktiveco estas 4e²/hπ, sed la plej multaj taksoj estas en la ordo de 4e²/h aŭ pli, depende de la malpuraĵkoncentriĝo.Chen, J. H.; Jang, C.; Adam, S.; Fuhrer, M. S.; Williams, E. D.; Ishigami, M. (2008). "Disĵeto de Ŝargitaj Malpuraĵoj en Grafeno". Nature Physics. 4 (5): 377–381. arXiv:0708.2408. Bibcode:2008NatPh...4..377C. doi:10.1038/nphys935. S2CID 53419753.

 Optikaj ecoj 
Pro siaj unikaj elektraj ecoj, grafeno estas neatendite opaka, malgraŭ esti ununura tavolo de karbonatomoj. La blanka lum-absorbo de grafeno estas surprize simpla valoro: πα ≒2.3%.Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. (6-a de junio 2008). "Konstanto de fajna strukturo difinas vidan travideblecon de grafeno". Science. 320 (5881): 1308. arXiv:0803.3718. Bibcode:2008Sci...320.1308N. doi:10.1126/science.1156965. PMID 18388259. S2CID 3024573. kie α estas la konstanto de fajna strukturo. Kvankam ĉi tio estas eksperimente konfirmita fakto, la mezuradoj ne estas sufiĉe precizaj por esti uzataj por plibonigi la valoron de la fajnstruktura konstanto.

 Spina transporto 
Grafeno estas konsiderata ideala materialo por spintroniko pro sia malgranda spino-orbita kuplado kaj nekonsiderinda nuklea magneta momento de karbono. La enkonduko kaj detekto de elektra spinfluo je ĉambra temperaturo estis ĵus montritaj. Spina kohereco-longo de pli ol unu mikrometro estis observita ĉe ĉambra temperaturo, kaj la direkto de la spinfluo povas esti kontrolita per elektra pordego ĉe malaltaj temperaturoj.

 Magneta kampa efiko 
Aldone al sia alta movebleco kaj minimuma elektra konduktiveco, grafeno montras tre interesan konduton en magnetaj kampoj. Grafeno montras nenormalan kvantum-Hall-efikon, kiu estas 1/2 malfaza kompare kun la konvencia kvantum-Hall-efiko. Tio estas, la Hall-konduktiveco estas σxy = ±4(N+1/2)e²/h. kie N estas la nivelo-indekso de Landau, kun faktoro de 4 devenanta de la du valoj kaj duobla degenereco de la spinoj. Ĉi tiu karakteriza konduto observeblas eĉ je ĉambra temperaturo. Duobla grafeno ankaŭ montras la kvantuman Hall-efikon, sed kio okazas en duobla grafeno estas la normala kvantum Hall-efiko, kun σxy = ±4Ne2/h. La foresto de la unua altebenaĵo, N = 0, sugestas, ke la dutavola grafeno fariĝas metala ĉe la neŭtrala punkto.

Grafeno montras fazoŝovon de nur π, konatan kiel la Berry-fazo. La Berry-fazo ekestiĝas de la fakto, ke la efika maso de la portantoj fariĝas nulo proksime de la Dirac-punkto. Studo pri la temperaturdependeco de la osciladoj de Shubnikov-de Haas en grafeno rivelas, ke portantoj, kiuj kondutas kvazaŭ ili havus nulan efikan mason en la energio-ondnombra dispersa rilato, havas finhavan ciklotronan mason.

 Fontoj
 Novoselov, K.S. et al. "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science, Vol 306 (5696), p. 666-669, 2004 [DOI: 10.1126/science.1102896]

 Vidu ankaŭ 
 Fulereno
 Nacia Instituto de Grafeno

 Eksteraj ligiloj 

 bildgalerio pri grafito kaj grafeno

 Referencoj