Графен: свойства, получение, перспективы применения

ГРАФЕН: СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ

ПРИМЕНЕНИЯ Дияковская А.В.1, Телекова Л.Р.2

'Дияковская Анастасия Владимировна - студент;

2Телекова Линара Растямовна - студент, кафедра химической технологии, Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань

Аннотация: статья посвящена уникальному материалу графену (модификации углерода). Также проведён анализ отечественной и зарубежной литературы, посвящённой получению графена, исследованию его свойств и разработке приборов на его основе.

Ключевые слова: графен, свойства, получение, применение.

Графен представляет собой гексагональную двумерную решетку, образованную из атомов углерода. Шестиугольную решетку Графена можно рассматривать как две чередующиеся треугольные решетки. Это аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов углерода, находящихся в sp2-гибридизации, соединенных с-связью и п-связью, которая ориентирована вне плоскости. Графен является основным структурным элементом многих других аллотропов углерода, таких как графит, алмаз, уголь и фуллерены.

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди множества полученных плёнок могут попадаться одно- и двуслойные, которые и представляют интерес. После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окислённого кремния [2]. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм) [2].

Ученые много лет размышляли о графене. Он производился непреднамеренно в небольших количествах на протяжении веков благодаря использованию карандашей и других подобных графитовых применений. Он был первоначально обнаружен в электронных микроскопах в 1962 году, но он изучался только при нанесении на металлические поверхности. В 1986 году Бём с коллегами предложил термин графен для обозначения монослойного графита. Первые графеновые слои, выращенные на металлических подложках Ru, Rb, Ni, были получены в 1970 году Джоном Грантом и Блэкли . Материал позже был вновь открыт, изолирован и охарактеризован в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете. Эта работа привела к тому, что они выиграли Нобелевскую премию по физике в 2010 году за «новаторские эксперименты в отношении двумерного материала «графена». В 2013 году Михаил Кацнельсон награждён премией Спинозы за разработку базовой концепции и понятий, которыми оперирует наука в области графена. Международный союз теоритической и прикладной химии (IUPAC) отмечает: «ранее для термина графен использовались описания, такие как слои графита, углеродные слои или углеродные листы ... неверно использовать для одного слоя термин, который включает термин графит, который будет подразумевать трехмерную структуру. Термин графен должен использоваться только тогда, когда обсуждаются реакции, структурные отношения или другие свойства отдельных слоев ».

Графен имеет много необычных свойств. Это самый сильный материал, который когда-либо тестировался, эффективно проводит тепло и электроэнергию и почти

прозрачен. Графен показывает большой и нелинейный диамагнетизм больше, чем у графита, и может быть левитирован неодимовыми магнитами.

Атомная структура изолированного однослойного графена изучалась ТЭМ на листах графена, подвешенных между стержнями металлической сетки. Электронно -дифракционные картины показали ожидаемую решетку сот. Подвесной графен показал «рябь» плоского листа с амплитудой около одного нанометра [2]. Эти ряби могут быть неотъемлемой частью материала в результате нестабильности двумерных кристаллов или могут возникнуть из-за повсеместной грязи, наблюдаемой на всех изображениях графена. Графен - единственная форма углерода (или твердого материала), в которой каждый атом доступен для химической реакции с двух сторон (из-за двумерной структуры). Атомы на краях графенового листа имеют специальную химическую реактивность. Дефекты внутри листа повышают его химическую реактивность. Начальная температура реакции между базисной плоскостью однослойного графена и газообразного кислорода ниже 260 ° С (530 К). Графен горит при 350 ° С (620 К) [2]. Графен обычно модифицируется кислородсодержащими и азотсодержащими функциональными группами и анализируется с помощью инфракрасной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Однако для определения структур графена с кислородными и азот-функциональными группами требуется, чтобы структуры хорошо контролировались.

Благодаря сильным углеродным ковалентным связям графен инертен по отношению к кислотам и щелочам при комнатной температуре. Однако присутствие определённых химических соединений в атмосфере может приводить к легированию графена, что нашло применение в обладающих рекордной чувствительностью сенсорах — детекторах отдельных молекул. Для химической модификации с образованием ковалентных связей графена необходимы повышенные температуры и обладающие сильной реакционной способностью вещества.

Другими словами, определение идеального графена отличается в химии и физике. Например, для создания гидрогенизированного графена нужно наличие протонов в плазме газового разряда для создания фторографена — сильного фторирующего агента дифторида ксенона. Оба этих материала показали диэлектрические свойства, то есть их сопротивление растёт с понижением температуры. Это обусловлено формированием запрещённой зоны

Графен, помещенный на подложку из натриево-известкового стекла в условиях окружающей среды, демонстрировал спонтанное п-легирование (1,33 х 1013 э / см2) посредством поверхностного переноса. На полупроводнике полупроводника меди индий-галлий, осажденном на п-легирование SLG, достигло 2,11 х 1013 э / см2 [2]. Различные графеновые производные, например, цианографин и графеновая кислота, могут быть получены с помощью элегантной химии флюорофена.

Ранние измерения теплопроводности взвешенного графена показали исключительно большую теплопроводность около 5300 Вт-1-К-1, по сравнению с теплопроводностью пиролитического графита примерно 2000 Вт-1-К- 1 при комнатной температуре. Однако более поздние исследования поставили под сомнение переоценку этого сверхвысокого значения и вместо этого измеряли теплопроводность между 1500-2500 Вт-1 х К-1 для суспендированного однослойного графена. Большой диапазон можно объяснить большими неопределенностями измерений, а также изменениями качества и условий обработки графена. Кроме того, когда однослойный графен поддерживается на аморфном материале, теплопроводность снижается до примерно 500-600 Вт-1 х К-1 при комнатной температуре в результате рассеяния решетчатых волн графена подложкой, и может быть еще ниже для небольшого слоя графена, заключенного в аморфный оксид. Аналогичным образом, полимерный остаток может способствовать аналогичному уменьшению для суспендированного графена до примерно 500-600 Вт-1 х К-1 для двухслойного графена.

Несмотря на свою прочность, графен также относительно хрупкий, с вязкостью разрушения около 4 МПа м. Это указывает на то, что несовершенный графен, вероятно, будет трескаться хрупким образом, как керамические материалы, в отличие от многих металлических материалов с вязкостью разрушения в диапазоне 15-50 МПа. Графен показывает большую способность распределять силу от удара, чем любой известный материал, в десять раз превышающий массу стали на единицу веса . Сила была передана со скоростью 22,2 километра в секунду (13,8 миль / с) [2].

Показано, что в 2011 году графен ускоряет остеогенную дифференциацию мезенхимальных стволовых клеток человека без использования биохимических индукторов.

Показано, что в 2016 году графеновый граф не использовался в качестве нейро-интерфейсного электрода без изменения или повреждения таких свойств, как сила сигнала или образование рубцовой ткани. Графеновые электроды в организме остаются значительно более стабильными, чем электроды вольфрама или кремния из-за таких свойств, как гибкость, биосовместимость и проводимость

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Список литературы

1. Гейм А.К. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену // УФН, 2011. Т. 181. С. 1284—1298.

2. Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А., Красиков Д.Н. Графен: методы получения и теплофизические свойства // УФН, 2011. Т. 181. С. 227—258.