Графен

[right|250px|thumb|Графен&nbsp;— гэта асобны атамны слой са структурай [графіта]]
**Графе́н** () — вуглярод у форме слаёў таўшчынёй у адзін атам, размешчаных у выглядзе сота-падобнай рашоткі.
Больш дакладна, графен — гэта двухмерная алатропная мадыфікацыя вугляроду, утвораная слоем атамаў вугляроду таўшчынёй у адзін атам, якія знаходзяцца ў  і злучаюцца σ- і π-сувязямі ў  двухмерную крышталічную рашотку. Яго можна ўявіць як адну плоскасць графіту, аддзеленую ад аб’ёмнага крышталя. Па ацэнках, графен мае вялікую  і рэкордна вялікую цеплаправоднасць (~1 ТПа і ~5 Вт·м−1·К−1 адпаведна). Высокая  носьбітаў зараду (максімальная рухомасць электронаў сярод усіх вядомых матэрыялаў) робіць яго перспектыўным матэрыялам для самых розных прымяненняў, у тым ліку, у якасці будучай асновы  і магчымую замену крэмнію ў інтэгральных мікрасхемах.

Адзін з існуючых у цяперашні час спосабаў атрымання графена ва ўмовах навуковых лабараторый заснаваны на механічным адшчапленні ці адлушчэнні графітных слаёў ад . Ён дазваляе атрымліваць найболей якасныя ўзоры з высокай рухомасцю носьбітаў. Гэты метад не прадугледжвае выкарыстання маштабнай вытворчасці, бо гэта ручная працэдура. Іншы вядомы спосаб — метад тэрмічнага раскладання падложкі  — значна бліжэй да прамысловай вытворчасці. З 2010 года даступныя лісты графена метровага памеру, вырашчаныя метадам .

З-за асаблівасцей  носьбітаў графен праяўляе спецыфічныя, у адрозненне ад іншых , электрафізічныя ўласцівасці. Пазней былі атрыманы аналагічныя двухмерныя крышталі крэмнію (), фосфару (), германію ().

За «перадавыя вопыты з  — графенам» А. К. Гейму і К. С. Навасёлаву была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2010 год. У 2013 годзе  узнагароджаны  за распрацоўку базавай канцэпцыі і паняццяў, якімі аперыруе навука ў галіне графена.

## Уводзіны 
Графен — першы вядомы сапраўды . У адрозненне ад ранейшых спроб стварэння двухмерных праводзячых слаёў, напрыклад,  (ДЭГ), з паўправаднікоў метадам кіравання шырынёй , электроны ў графене лакалізаваныя ў плоскасці значна мацней.

Разнастайнасць хімічных і фізічных уласцівасцей абумоўлена крышталічнай структурай і π-электронамі атамаў вугляроду, якія складаюць графен. Шырокае вывучэнне матэрыялу ва ўніверсітэтах і даследчых лабараторыях звязана, перш за ўсё, з даступнасцю і прастатой яго прыгатавання шляхам  крышталёў графіту. Матэрыялам, які праявіў свае ўнікальныя ўласцівасці: высокую праводнасць і цеплаправоднасць, трываласць, зацікавіліся не толькі навукоўцы, але і тэхнолагі, а таксама звязаныя з вытворчасцю працэсараў карпарацыі IBM, Samsung. Прынцып работы  істотна адрозніваецца ад прынцыпу работы традыцыйных палявых крэмніевых транзістараў, бо графен мае забароненую зону нулявой шырыні, і ток у графенавым канале цячэ пры любым прыкладзеным  напружанні, таму развіваюцца іншыя падыходы да стварэння транзістараў.

Якасць графена для транспартных вымярэнняў характарызуецца такім параметрам, як , які характарызуе сілу водгуку носьбітаў току на прыкладзенае электрычнае поле. Двухмерны электронны газ у паўправадніковых гетэраструктурах валодае рэкорднымі рухомасцямі пры тэмпературах ніжэй 1 K. Графен саступае ДЭГ у GaAs пры такіх нізкіх тэмпературах, але, паколькі электрон-фаноннае рассеянне ў графене намнога слабейшае, рухомасць дасягае  пры пакаёвай тэмпературы. Гэта рухомасць уяўляе сабою адзін з асноўных параметраў, неабходных для стварэння хуткадзейных высокачастотных транзістараў.

Унікальныя электронныя ўласцівасці графена праяўляюцца і ў оптыцы. У прыватнасці, графен дазваляе вокам «убачыць» пастаянную тонкай структуры α, параўноўваючы інтэнсіўнасць святла, якое прайшло скрозь закрытую графенам апертуру, і святла, якое прайшло свабодна.  для графена ў вобласці бачнага святла добра апісваецца простай формулай . Пастаянная тонкай структуры аказваецца звязана з велічынёй , якое вымяраецца ў . У гэтым выпадку дакладнасць яе настолькі высокая, што дазваляе выкарыстоўваць графен для стварэння эталона супраціўлення, *R*K = h/e² = 25 812,807557(18) Ом. Сувязь паміж графенам і пастаяннай тонкай структуры аказваецца нават глыбей, бо дынаміка электроннага газу ў графене вызначаецца рэлятывісцкім ураўненнем квантавай механікі — ураўненнем Дзірака, — і па сутнасці з’яўляецца цвердацельным аналагам (2+1)-мернай квантавай электрадынамікі. Некалькі аналагічных эфектаў, прадказаных для квантавай электрадынамікі, можна назіраць у графене.

Нягледзячы на моцнае ўзаемадзеянне святла з графенам,  асаджаныя плёнкі графена на падложцы крэмнію аказваецца складанай задачай. Існуюць найлепшыя таўшчыні аксіду крэмнію (90 нм, 290 нм для даўжынь хваль бачнага святла), якія даюць найбольшы кантраст, што істотна спрашчае пошук плёнак. Хаця натрэніраваны чалавек дастаткова лёгка адрознівае манаслой графена ад двухслойнага графена па кантрасту, добрым доказам служыць таксама , якая выгадна адрозніваецца хуткасцю аналізу і адчувальнасцю да колькасці слаёў. Альтэрнатыўныя метады, такія як вызначэнне таўшчыні  і ідэнтыфікацыя па квантаваму эфекту Хола патрабуюць значна большага часу.

Метады вырошчвання графена на вялікіх плошчах адрозніваюцца ад механічных метадаў аднароднасцю і чысцінёй працэсу. Газафазная эпітаксія вугляроду на медную фольгу (CVD-графен) дазваляе ствараць вельмі аднародныя полікрышталічныя плёнкі графена з памерамі парадку метраў. Памер монакрышталёў графена складае сотні мікрон. Меншыя крышталіты атрымліваюцца пры тэрмічным раскладанні карбіду крэмнію.

Самы непрадукцыйны метад механічнага расшчаплення аказваецца найболей прыстасаваным для атрымання высокаякасных крышталёў графена, хоць CVD-графен па якасці прыбліжаецца да яго. Як механічны метад, так і вырошчванне на паверхні іншага матэрыялу валодаюць істотнымі недахопамі, сярод іншага, малою прадукцыйнасцю, таму тэхнолагі распрацоўваюць хімічныя метады атрымання графена з графіту для атрымання з монакрышталя графіту плёнкі, складзенай пераважна з графенавых слаёў, што істотна прасуне графен на рынку.

Дзякуючы моцным вугляродным кавалентным сувязям графен інертны ў адносінах да кіслот і шчолачаў пры пакаёвай тэмпературы. Аднак прысутнасць пэўных хімічных злучэнняў у атмасферы можа прыводзіць да легіравання графена, што знайшло прымяненне ў рэкордна адчувальных сэнсарах — дэтектарах асобных малекул. Для хімічнай мадыфікацыі з утварэннем кавалентных сувязей графена патрэбны павышаныя тэмпературы і рэчывы з моцнай рэакцыйнай здольнасцю. Напрыклад, для стварэння  патрэбна наяўнасць пратонаў у плазме газавага разраду, для стварэння фтораграфена — моцнага фтарыруючага агента . Абодва гэтыя матэрыялы паказалі дыэлектрычныя ўласцівасці, то-бок іх супраціўленне расце з паніжэннем тэмпературы. Гэта абумоўлена фарміраваннем забароненай зоны.

Колькасць публікацый, прысвечаных графену, расце год ад года, перавысіўшы 10000 у 2012 годзе. Нягледзячы на тое, што трэць артыкулаў (доля ад агульнага ліку складае 34 %) публікуецца навуковымі ўстановамі і фірмамі з Еўропы, галоўнымі трымальнікамі патэнтаў (з прыблізна 14000 патэнтаў на ліпень 2014 года) выступаюць фірмы і ўніверсітэты Кітая (40 %), ЗША (23 %) і Паўднёвай Карэі (21 %), а еўрапейская доля складае 9 %. Сярод фірм і ўніверсітэтаў Самсунг з’яўляецца лідарам па колькасці патэнтаў.

## Гісторыя адкрыцця 
Графен з’яўляецца двухмерным крышталём, які складаецца з адзіночнага слоя атамаў вугляроду, сабраных у . Яго тэарэтычнае даследаванне пачалося задоўга да атрымання рэальных узораў матэрыялу, паколькі з графена можна сабраць трохмерны крышталь графіта. Графен з’яўляецца базай для пабудовы тэорыі гэтага крышталя. Графіт з’яўляецца паўметалам, і, як было паказана ў 1947 годзе Ф.&nbsp;Уолесам, у  графена таксама адсутнічае забароненая зона, прычым у пунктах судакранання  і   электронаў і дзірак лінейны як функцыя . Такога роду спектрам валодаюць бязмасавыя фатоны і ультрарэлятывісцкія часціцы, а таксама нейтрына. Таму кажуць, што  электронаў і дзірак у графене паблізу пункта судакранання роўная нулю. Але тут трэба адзначыць, што, нягледзячы на падобнасць фатонаў і бязмасавых носьбітаў, у графена ёсць некалькі істотных адрозненняў, якія робяць носьбіты ў ім унікальнымі па сваёй фізічнай прыродзе, а іменна: электроны і дзіркі з’яўляюцца ферміёнамі, і яны зараджаныя. У цяперашні час аналагаў для гэтых бязмасавых зараджаных ферміёнаў сярод вядомых элементарных часціц няма.

Нягледзячы на такія спецыфічныя асаблівасці, да 2005 года. Цеплавыя флуктуацыі прыводзяць да плаўлення двухмернага крышталя пры любой канечнай тэмпературы.

Цікавасць да графена паявілася зноў пасля адкрыцця вугляродных нанатрубак, бо ўся першапачатковая тэорыя графена будавалася на простай модэлі разгортвання цыліндра нанатрубкі. Таму тэорыя для графена ў прымяненні да нанатрубак добра прапрацавана.

Спробы атрымання графена, прымацаванага да іншага матэрыялу, пачаліся з эксперыментаў, якія выкарыстоўвалі просты аловак, і працягнуліся з выкарыстаннем  для механічнага выдалення слаёў графіту, але не дасягнулі поспеху. Выкарыстанне графіту з  (інтэркаліраваны графіт — злучэнні, падобныя графітыду калію KC8).

## Атрыманне 
 можна лёгка аддзяліць адзін ад аднаго. Спачатку плоскія кускі графіту кладуць паміж ліпкімі стужкамі (скотч) і расшчапляюць раз за разам, ствараючы дастаткова тонкія слаі (сярод мноства атрыманых плёнак могуць трапляцца адна- і двухслойныя, якія і ўяўляюць цікавасць). Пасля адлушчэння скотч з тонкімі плёнкамі графіту прыціскаюць да падложкі акісленага крэмнію. Пры гэтым цяжка атрымаць плёнку вызначанага памеру і формы ў фіксаваных частках падложкі (гарызантальныя памеры плёнак складаюць звычайна каля ). Спачатку мікракрышталі графіту падвяргаюцца дзеянню сумесі сернай і азотнай кіслот. Графіт акісляецца, і на краях узору паяўляюцца  графена. Іх ператвараюць у хларыды пры дапамозе . Затым пад дзеяннем  ў растворах ,  і  яны пераходзяць у графенавыя слаі таўшчынёй 0,54 нм. Гэты хімічны метад не адзіны, і, мяняючы арганічныя растваральнікі і хімікаты, можна атрымаць нанаметровыя слаі графіту.

Адзін з хімічных метадаў атрымання графена заснаваны на аднаўленні . Першае ўпамінанне аб атрыманні шматкоў адноўленага аднаслойнага аксіду графіту (аксіду графена) было ўжо ў 1962 годзе.

Аднаўленнем аднаслойнай плёнкі аксіду графіту, напрыклад, у атмасферы гідразіну з наступным адпалам у сумесі аргон/вадарод, могуць быць атрыманы графенавыя плёнкі. Аднак якасць графена, атрыманага аднаўленнем аксіду графіту, ніжэй у параўнанні з графенам, атрыманым скотч-метадам з прычыны няпоўнага выдалення розных функцыянальных груп. Нанясенне плёнкі аксіду графіту на DVD-дыск і апрацоўка лазерам у DVD-дыскаводзе прывялі да атрымання на дыску плёнкі графена з высокай электраправоднасцю () і ўдзельнай паверхняй 

У артыкулах апісаны яшчэ адзін хімічны метад атрымання графена, убудаванага ў палімерную матрыцу.

Варта назваць яшчэ два метады: радыёчастотнае  () і вырошчванне пры высокім ціску і тэмпературы (). Апошні метад можна выкарыстоўваць для атрымання плёнак вялікай плошчы.

Калі крышталь піралітычнага графіту і падложку размясціць паміж электродамі, то, як паказана ў працы, можна дабіцца таго, што кавалачкі графіту з паверхні, сярод якіх могуць аказацца плёнкі атамарнай таўшчыні, пад дзеяннем электрычнага поля могуць перамяшчацца на падложку акісленага крэмнію. Для прадухілення прабою (паміж электродамі прыкладвалася напружанне ад 1 да ) паміж электродамі таксама размяшчалі тонкую пласціну слюды.

Існуе таксама некалькі паведамленняў тая ж група даследчыкаў паказала, што, нягледзячы на тое, што таўшчыня слоя графіту складае больш чым адзін манаслой, у праводнасці ўдзельнічае толькі адзін слой у непасрэднай блізкасці ад падложкі, бо на мяжы SiC-C з-за рознасці  двух матэрыялаў утвараецца нескампенсаваны зарад. Уласцівасці такой плёнкі аказаліся эквівалентныя ўласцівасцям графена.

## Дэфекты 
Ідэальны графен складаецца выключна з шасцівугольных ячэек. Прысутнасць пяці- і сямівугольных ячэек будзе прыводзіць да рознага роду .

Наяўнасць пяцівугольных ячэек прыводзіць да скручвання атамнай плоскасці ў конус. Структура з 12 такімі дэфектамі вядомая пад назвай фулерэн. Прысутнасць сямівугольных ячэек прыводзіць да ўтварэння седлападобных скрыўленняў атамнай плоскасці. Камбінацыя гэтых дэфектаў і нармальных ячэек можа прыводзіць да ўтварэння розных форм паверхні.

## Магчымыя прымяненні 
Лічыцца, што на аснове графена можна сканструяваць . У сакавіку 2006 года група даследчыкаў з тэхналагічнага інстытута штата Джорджыя заявіла, што імі быў атрыманы палявы транзістар на графене, а таксама квантава-інтэрферэнцыйны прыбор. Даследчыкі мяркуюць, што дзякуючы іх дасягненням у скорым часе з’явіцца новы клас графенавай нанаэлектронікі з базавай таўшчынёй транзістараў да . Гэты транзістар валодае вялікім токам уцечкі, то-бок нельга раздзяліць два станы з закрытым і адкрытым каналам.

Выкарыстоўваць напрамую графен пры стварэнні палявога транзістара без токаў уцечкі не ўяўляецца магчымым з-за адсутнасці забароненай зоны ў гэтым матэрыяле, бо нельга дабіцца істотнай розніцы ў супраціўленні пры любых прыкладзеных да затвора напружаннях, то-бок не атрымліваецца задаць два станы, прыдатныя для двайковай логікі: праводзячы і неправодзячы. Спачатку трэба неяк стварыць забароненую зону дастатковай шырыні пры рабочай тэмпературы, каб тэрмічна ўзбуджаныя носьбіты давалі малы ўклад у праводнасць. Адзін з магчымых спосабаў прапанаваны ў працы тэарэтычна даследуецца ўплыў розных выкарыстаных у адзначаным вышэй эксперыменце прымесей на праводнасць графена. У працы было паказана, што малекула NO2 з’яўляецца добрым акцэптарам дзякуючы сваім  уласцівасцям, а  малекула N2O4 стварае ўзровень блізка да кропкі электранейтральнасці. У агульным выпадку прымесі, малекулы якіх маюць магнітны момант (няспараны электрон), валодаюць больш моцнымі легіруючымі ўласцівасцямі.

Яшчэ адна перспектыўная вобласць прымянення графена — яго выкарыстанне для вырабу электродаў у  (суперкандэнсатарах). Доследныя ўзоры іаністараў на графене маюць удзельную энергаёмістасць , параўнальную з такой для  акумулятараў ().

Нядаўна былі створаны новыя тыпы святлодыёдаў і фотадэтэктараў на аснове графена (LEC).

У 2011 годзе ў часопісе *Science* была апублікавана праца, дзе на аснове графена прапаноўвалася схема двухмернага метаматэрыялу (можа быць запатрабаваны ў оптыцы і электроніцы).

Каробчатая графенавая нанаструктура (КГНС), якая прадстаўляе сабой мнагаслойную сістэму размешчаных уздоўж паверхні паралельных полых нанаканалаў з чатырохвугольным папярочным сячэннем, можа служыць асновай для стварэння звышадчувальных датчыкаў, высокаэфектыўных каталітычных ячэек, нанаканалаў для маніпуліравання- ДНК, высокаэфектыўных цеплаадводных паверхняў, акумулятараў з палепшанымі характарыстыкамі, нанамеханічных рэзанатараў, каналаў памнажэння электронаў у прыборах эмісійнай , сарбентаў} вялікай ёмістасці для бяспечнага захоўвання вадароду.

## Хімічныя ўласцівасці 
Графен — адзіная форма вугляроду (ці суцэльнага матэрыялу), у якой кожны атам даступны для хімічнай рэакцыі з абодвух бакоў (дзякуючы двухмернай структуры). Атамы па краях графенавага ліста асабліва хімічна актыўныя. Сярод алатропных форм вугляроду графен мае самую вялікую долю гранічных атамаў. Дэфекты ў лісце павялічваюць яго хімічную актыўнасць. Тэмпература ўступлення ў рэакцыю з кіслародам для базіснай плоскасці аднаслойнага графена не пераўзыходзіць . Загараецца графен пры .
Звычайна графен мадыфікуюць кісларода- і азотазмяшчальнымі  і аналізуюць метадамі  і . Аднак, устанаўленне структуры злучэння графена з кіслароднымі і азотнымі функцыянальнымі групамі патрабуе магчымасці кантролю гэтых структур.

Хімічныя прымяненні графена патрабуюць структурных ці хімічных няправільнасцей, бо ідэальна плоскі графен без дэфектаў хімічна інертны. Іначай кажучы, словазлучэнне «добры графен» у хіміі і фізіцы мае розны сэнс.

У графене, размешчаным на падложцы з  ў звычайных умовах (без падагрэву, змены ціску ці знешняга хімічнага ўздзеяння), спантанна ўзнікае ўстойлівае *n*-легіраванне (са шчыльнасцю электронаў 1,33 эл/см) цераз паверхневы перанос. У  (паўправадніку *p*-тыпу), размешчаным на такую ж падложку, *n*-легіраванне дасягае 2,11 эл/см.

Розныя вытворныя графена, напрыклад, цыянаграфен і графенавая кіслата, могуць быць атрыманы шляхам хімічнага пераўтварэння . Цыянаграфен і графенавая кіслата валодаюць высокай ступенню функцыяналізацыі (~15 %), адкрытую забароненую зону і з’яўляюцца , утвараючы ўстойлівыя калоіды ў вадзе.

## Крыніцы 
## Літаратура 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 

## Спасылкі 
* Mesoscopic physics group  — сайт даследчай групы з універсітэта Манчэстэра 
* Kim group  — сайт лабараторыі прафесара Кіма з Калумбійскага ўніверсітэта 
* Nanoelectronics Research Group — сайт даследчай групы з універсітэта Мэрыленда 
* Галерэя фатаграфій графіту і графена 


Катэгорыя:Нанатэхналогія