Опубликовано

Графен кто открыл

Графен и его создатели. Справка

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом — преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 г., он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков. Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

Получение

Графен был получен вышеупомянутыми учёными, когда они стали поступательно отделять от графита чешуйки вещества, применяя липкую ленту (скотч). Сейчас делаются попытки получения материала химическим способом. Однако ещё требуются усилия по преодолению трудностей, связанных с полным разделением графеновых слоёв и препятствованием их сворачиваемости.

Совсем недавно учёные Стэндфордского университета и специалисты из Китая опубликовали совместную статью о новом способе извлечения наноматериала. Получение графена представляет довольно сложный процесс, состоящий из обработки химреактивами графита, воздействия ультразвуком, нагрева взвеси до 10000 С. В результате графит, как ножом, разрезается на множество слоёв.

В это же время ирландские учёные опубликовали другой способ, основанный на скрупулёзном подборе интеркоагулянтов. В результате этого графитовый порошок становится гидрофильным веществом. В растворе под воздействием ультразвука графитовая взвесь легко расслаивается. Оба метода признаны успешными.

Получение графена в домашних условиях

Несмотря на сложность вышеперечисленных методик, получить графен в обычных домашних условиях вполне возможно. Надо следовать следующей инструкции:

  1. Дома нужно воспользоваться мощным блендером (400 Вт).
  2. Графитовый стержень от обычного карандаша измельчают до порошкообразного состояния.
  3. В агрегат заливают ½ литра воды вместе с 20 мл моющего средства для посуды.
  4. Блендером сбивают раствор в течение получаса. В результате сверху появится взвесь чешуек графена.
  5. Ленту скотча опускают на поверхность жидкости липкой стороной вниз, чтобы чешуйки прилипли к ней.
  6. Скотч складывают вдвое, затем разнимают половинки. Чешуйки разделятся на две части. Процесс можно повторять до десяти раз.
  7. В результате появятся светлые лепестки графена, переливающиеся разными цветами. Образец помещают под окуляр 100-кратного микроскопа. Если повезёт, можно будет наблюдать совсем прозрачные чешуйки.

Возможные применения

Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.

Оксиды наноматериала

Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.

Биомедицинское применение

Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.

Индустриальное применение

Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.

Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.

Дополнительная информация. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Замена кремния в микросхемах сделает переворот в создании новых компьютеров с огромными возможностями.

Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.

Использование в автомобилестроении

Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.

Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.

Графеновый аккумулятор

Обратите внимание! Автомобилисты часто пользуются аэрогелем с графитовой смазкой. Средство покрывает тонкой плёнкой автодетали, предохраняя их от коррозии, проникая в заржавевшие резьбовые соединения. В какой-то мере это прообраз графена.

Сенсорные экраны

Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

Физика

Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.

Теория

Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.

Кристаллическая структура

Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.

Кристаллическая графеновая решётка

Зонная структура

Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.

Конусы зонной структуры

Линейный закон дисперсии

Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.

Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.

Эффективная масса

Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.

Хиральность и парадокс Клейна

Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.

Эксперимент

Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.

Проводимость

Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.

Квантовый эффект холла

Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.

Особенности материала

Графен, чаще всего встречающийся под обозначением «G», – это двумерная разновидность углерода, имеющая необычную структуру в виде соединённых в гексагональную решетку атомов. При этом общая её толщина не превышает размеров каждого из них.

Для более чёткого понимания, что такое графен, желательно ознакомиться с такими его уникальными характеристиками, как:

  • Рекордно высокий показатель теплопроводности;
  • Высокие механическая прочность и гибкость материала, в сотни раз превосходящие тот же показатель для стальных изделий;
  • Ни с чем несравнимая электропроводимость;
  • Высокая температура плавления (более 3 тысяч градусов);
  • Непроницаемость и прозрачность.

О необычности структуры графена свидетельствует такой простой факт: при объединении 3-х миллионов листовых заготовок графена суммарная толщина готового изделия будет не более 1 мм.

Физическая структура

Для понимания уникальных свойств этого необычного материала достаточно отметить, что по своему происхождению он схож с обычным слоистым графитом, применяемым в грифеле карандаша. Однако, благодаря особому расположению атомов в гексагональной решётке, его структура приобретает характеристики, присущие такому твёрдому материалу, как алмаз.

При выделении графена из графита в образующейся при этом плёнке толщиной в атом наблюдаются его наиболее «чудесные» свойства, характерные для современных 2D-материалов. Сегодня трудно отыскать такую область народного хозяйства, где бы ни применялось это уникальное соединение, и где оно ни рассматривалось бы в качестве перспективного. Особо это проявляется в области научных разработок, ставящих своей целью освоение новых технологий.

Способы получения

Открытие этого материала может быть датировано 2004 годом, после чего учёными были освоены различные методы его получения, которые представлены ниже:

  • Химическое охлаждение, реализуемое методом фазовых преобразований (его называют CVD-процессом);
  • Так называемое «эпитаксиальное выращивание», осуществляемое в условиях вакуума;
  • Метод «механической эксфолиации».

Механический метод

Рассмотрим каждый из них более подробно.

Механический

Начнём с последнего из этих способов, считающегося наиболее доступным для самостоятельного исполнения. Для того чтобы получить графен в домашних условиях, необходимо последовательно произвести следующий ряд операций:

  • Сначала нужно подготовить тонкую графитовую пластину, которая затем крепится на клеящейся стороне специальной ленты;
  • После этого она складывается вдвое, а затем снова возвращается в исходное состояние (её концы разводятся);
  • В результате таких манипуляций на клеящей стороне ленты удаётся получить двойной слой графита;
  • Если проделать эту операцию несколько раз, несложно будет добиться малой толщины нанесённого слоя материала;
  • После этого скотч с расщеплёнными и очень тонкими плёнками прикладывается к подложке из окисла кремния;
  • Вследствие этого плёнка частично остаётся на подложке, образуя графеновую прослойку.

Недостатком этого метода является сложность получения достаточно тонкой плёнки заданного размера и формы, которая бы надёжно фиксировались на отведённых для этого частях подложки.

В настоящее время большая часть используемого в повседневной практике графена производится именно таким образом. За счёт механической эксфолиации удаётся получить соединение довольно высокого качества, но для условий массового производства данный метод совершенно не годится.

Промышленные методы

Одним из промышленных способов получения графена является выращивание его в вакууме, особенности которого можно представить следующим образом:

  • Для его изготовления берётся поверхностный слой карбида кремния, всегда имеющийся на поверхностях этого материала;
  • Затем заранее подготовленная кремниевая пластина нагревается до сравнительно высокой температуры (порядка 1000 К);
  • За счёт происходящих при этом химических реакций наблюдается разделение атомов кремния и углерода, при котором первые из них тут же испаряются;
  • В результате такой реакции на пластинке остается чистый графен (G).

К недостаткам этого метода можно отнести необходимость высокотемпературного нагрева, с обеспечением которого нередко возникают трудности технического характера.

Наиболее надежным промышленным способом, позволяющим избежать описанных выше сложностей, является так называемый «CVD-процесс». При его реализации происходит химическая реакция, протекающая на поверхности металлического катализатора при его соединении с газами углеводорода.

В результате всех рассмотренных выше подходов удаётся получать чистые аллотропные соединения двумерного углерода в виде слоя толщиной всего лишь в один атом. Особенностью такого образования является соединение этих атомов в гексагональную решетку за счёт образования так называемых «σ» и «π»-связей.

Носители электрического заряда в решётке графена отличаются высокой степенью подвижности, значительно превышающей этот показатель для других известных полупроводниковых материалов. Именно по этой причине он способен прийти на смену классическому кремнию, традиционно используемому при производстве интегральных микросхем.

Кремниевые подложки

Области применения

Возможности практического применения материалов на основе графена напрямую связаны с особенностями его производства. В настоящее время практикуется множество методов получения отдельных его фрагментов, различающихся по форме, качеству и размерам.

Среди всех известных способов особенно выделяются следующие подходы:

  1. Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
  2. Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
  3. Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.

Основные свойства этого соединения и его функциональность определяются качеством подложки, а также особенностями того материала, с помощью которого он выращивается. Всё это, в конечном счёте, зависит от используемого метода его производства.

В зависимости от способа получения этого уникального материала, он может применяться для самых различных целей, а именно:

  1. Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;
  2. При получении графена методом химической (термической) реакции он чаще всего используется для создания композитных материалов, а также защитных покрытий, чернил, красителей. Подвижность свободных носителей у него несколько больше, что позволяет применять его для изготовления конденсаторов и плёночных изоляторов;
  3. В случае использования для получения этого соединения метода CVD он может применяться в нано электронике, а также для изготовления сенсоров и прозрачных гибких плёнок;
  4. Графен, полученный методом «кремниевых пластинок», идёт на изготовление таких элементов электронных устройств, как ВЧ-транзисторы и подобные им комплектующие. Подвижность свободных носителей заряда в таких соединениях максимальна.

Гибкие плёнки

Перечисленные особенности графена открывают для производителей широкие горизонты и позволяют сконцентрировать усилия по его внедрению в следующие перспективные области:

  • В альтернативные направления современной электроники, связанные с заменой кремниевых составляющих;
  • В ведущие химические отрасли производства;
  • При конструировании уникальных изделий (таких, например, как композитные материалы и графеновые мембраны);
  • В электротехнике и электронике (в качестве «идеального» проводника).

Помимо этого, на основе этого соединения могут изготавливаться холодные катоды, аккумуляторные батареи, а также специальные проводящие электроды и прозрачные плёночные покрытия. Уникальные свойства этого наноматериала обеспечивают ему большой запас возможностей для его использования в перспективных разработках.

Достоинства и недостатки

Достоинства изделий на основе графена:

  • Высокая степень электропроводности, сравнимая с тем же показателем для обычной меди;
  • Почти идеальная оптическая чистота, благодаря которой он поглощает не более двух процентов видимого светового диапазона. Поэтому со стороны он кажется практически бесцветным и невидимым для наблюдателя;
  • Механическая прочность, превосходящая алмаз;
  • Гибкость, по показателю которой однослойный графен превосходит эластичную резину. Это его качество позволяет легко изменять форму плёнок и растягивать их при необходимости;
  • Стойкость к внешним механическим воздействиям;
  • Ни с чем несравнимая теплопроводность, по показателю которой он в десятки раз превосходит ту же медь.

Области применения

К недостаткам этого уникального углеродистого соединения относят:

  1. Невозможность получения в достаточных для промышленного производства объёмах, а также достижения требуемых для обеспечения высокого качества физико-химических свойств. На практике удаётся получать лишь незначительные по габаритам листовые фрагменты графена;
  2. Изделия промышленного изготовления чаще всего уступают по своим характеристикам образцам, полученным в исследовательских лабораториях. Достичь их с помощью рядовых промышленных технологий не удается;
  3. Высокие нетрудовые затраты, существенно ограничивающие возможности его производства и практического применения.

Несмотря на все перечисленные сложности, исследователи не оставляют попыток освоения новых технологий производства графена.

В заключение следует констатировать, что перспективы у этого материала просто фантастические, поскольку он также может применяться при производстве современных ультратонких и гибких гаджетов. Кроме того, на его основе возможно создание современного медицинского оборудования и препаратов, позволяющих бороться с раком и другими распространёнными опухолевыми заболеваниями.

>Видео

История открытия графена

Хотя термин «графен» в качестве название единичного слоя графита появился относительно недавно (в 1987 году) теоретическое изучение свойств этого вещества началось еще в далеком 1947 году. Канадский физик Ф. Уоллес рассчитал закон движения электронов в единичном слое графита и обнаружил, что в определенных его участках зависимость энергии электронов от их импульса (закон дисперсии) является линейной (подробнее об этом позже). Однако до 2004 года получить графен не удавалось. Главное препятствие, стоявшее на пути экспериментаторов, заключалось в невозможности стабилизировать форму графена. Из-за стремления минимизировать свою поверхностную энергию он сворачивается, трансформируясь в разнообразные аллотропные модификации углерода – фуллерены, нанотрубки и аморфный углерод.

Не добавляло оптимизма исследователям и заявление авторитетных физиков-теоретиков Р. Пайерлса и Л. Ландау, сделанное более 70 лет назад, о том, что двумерная форма кристаллов не может свободно существовать, поскольку смещения атомов под действием тепловых флуктуаций будут настолько велики, что это приведет к дестабилизации кристаллической решетки и ее распаду на отдельные участки. Таким образом, идеальную двумерную пленку в свободном состоянии нельзя получить из-за ее термодинамической нестабильности. Но если в пленке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в третьем измерении), то такая «неидеальная» пленка может существовать без контакта с подложкой. С помощью просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные пленки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей L около 5 – 10 нм и высотой h примерно 1 нм (рис.2.25).

Рис. 2.25. Изображение реальной поверхности графена

Тем неожиданнее для научного сообщества стала статья, вышедшая в октябре 2004 года в журнале Science, в которой группа ученых из Манчестерского университета (Англия) и Института проблем технологии микроэлектроники в Черноголовке (Россия) под руководством А. Гейма и К. Новоселова сообщила об успешной стабилизации графена. В этой работе они описали методику получения графена и его идентификацию как действительно единичного слоя графита. Удивительным было то, что синтез графена ученые осуществили с помощью обычной ленты-скотча. Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита, а затем ее отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока графит не станет совсем тонким.


После манипуляций со скотчем графит переносился на подложку из окисленного кремния. Так как каждый раз клейкая лента уносила с собой разное количество слоев графита, то в итоге графитовая пластина имела крайне неоднородную толщину и содержала разное количество слоев. Однако в полученном образце нашелся участок толщиной ровно в один слой атомов углерода – это и был графен.

Как это часто бывает с великими открытиями, ученым немного повезло. Дело в том, что детектировать графен в тонкой неоднородной по толщине графитовой пластине при помощи атомно-силового и сканирующего электронного микроскопов технически трудно. Поэтому для поиска монослоя графита Гейм и Новоселов использовали обычный оптический микроскоп. Толщина подложки из оксида кремния (300 нм), на которую переносилась тонкая пластина из графита, была подобрана настолько удачно, что из-за интерференции света участки разной толщины имели свою окраску. Фотография графитового слоя, полученного описанным выше способом, представлена на рис. 2.26а (цифрами показана толщина отдельных участков). Наименее контрастные, почти бесцветные области соответствовали самым тонким участкам. Именно среди них и был обнаружен графен. Лишь потом Гейм и Новоселов с коллегами, используя атомно-силовой микроскоп, убедились, что найденная ими область действительно является однослойной и вправе называться графеном. На рис. 2.26б показано АСМ-изображение графена (черная область – подложка оксида кремния, темно-оранжевый участок толщиной 0,5 нм – графен, светло-оранжевый участок содержит несколько слоев графена и имеет толщину 2 нм).

а) б)

Рис. 2.26. Фотография графитового слоя неоднородной толщины (а); изображение графена,

полученное с помощью АСМ (б)

Графит является полуметаллом, т. е. в зонной структуре графена отсутствует запрещенная зона, причем в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергия электронов и дырок линейно зависит от волнового вектора. Такого рода энергетическим спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Свойства графена

Многие экспериментально исследованные характеристики графена превысили все аналогичные показатели, свойственные каким-либо другим материалам. Пленки графена удивительно прочны и упруги (не уступают алмазу). Модуль Юнга у них составляет величину порядка 1 ТПа, предел прочности – 130 ГПа. Это превышает аналогичные показатели для стали, у которой модуль Юнга составляет 210 ГПа, а предел прочности – около 600 МПа. О легкости пленок графена дает представление тот факт, что лишь один грамм графена, будучи целостной пленкой, накрыл бы площадь 2600 м2 – целое футбольное поле.

Несмотря на свою предельно малую толщину (менее 0,5 нм), они являются настолько плотными, что не пропускают сквозь себя даже атомы гелия, способные проникать, например, сквозь фольгу из металла.

Графен имеет очень высокую теплопроводность – порядка 5000 Вт/(м∙К). Для серебра и меди (у которых самая высокая теплопроводность из металлов) этот показатель порядка 400 Вт/(м∙К). В сочетании с высокой электропроводностью это обеспечивает возможность прохождения электрического тока плотностью, в миллион раз превосходящeю максимально возможную плотность тока в аналогичных пленках меди. Интересно, что до открытия графена звание лучшего проводника тепла принадлежало другой аллотропной форме углерода – углеродной нанотрубке. Графен улучшил этот показатель почти в 1,5 раза.

Графен почти не поглощает видимый свет, коэффициент его поглощения около 2,3 %. В теоретических расчетах эти 2,3% выражаются через произведение числа π и постоянной тонкой структуры α (α = e2/(2ε0·h·c) = 1/137), определяющей силу электромагнитного взаимодействия, т. е. он определяется только фундаментальными постоянными. При этом коэффициент поглощения света при нормальном падении в широком интервале частот не зависит от частоты. Это означает, что графен практически бесцветен.

Графен обладает необычайно высокой электрической проводимостью, поэтому графен является одним из наиболее многообещающих материалов для электроники и фотоники будущего. Подвижность электронов при комнатной температуре составляет примерно 250 000 см2/(В·с). Известно, что двумерный электронный газ (ДЭГ) в полупроводниковых гетероструктурах обладает рекордными подвижностями при температурах ниже 1 K. Графен уступает ДЭГ в GaAs при столь низких температурах, но, так как электрон-фононное рассеяние в графене намного слабее, то подвижность носителей заряда при комнатной температуре ТК в качественном графене превышает аналогичный показатель в n-GaAs, который при Т = ТК примерно равен 10 000 см2/В∙с).

Квантово-механический расчет волновых функций электронов в двумерной гексагональной решетке, впервые сделанный Уоллесом в середине ХХ века, когда графен был еще только теоретической моделью, показал, что в графене, как и в графите, в энергетическом спектре π-электронов нет запрещенной зоны энергий, как в полупроводниках или в изоляторах (рис. 2.27 ). Валентная зона и зона проводимости в графене соприкасаются. Поэтому графен, как и графит, является полуметаллом.

Рис.2.27. Зависимости E(k) для трехмерной кристаллической решетки полупроводника и

двумерной кристаллической решетки графена

Очень интересной особенностью графена является то, что вблизи точек соприкосновения энергетических зон дисперсионное соотношение (т. е. зависимость энергии электрона от волнового вектора) оказалось линейным:

E(k) = EF +α∙k.

Это означает, что в таких состояниях электроны и дырки в графене имеют нулевую эффективную массу. Они не могут быть неподвижными, а все время перемещаются со «скоростью Ферми» (соответствующей энергии Ферми), которая в графене составляет примерно 106 м/с, т. е. является уже релятивистской. Этим обусловлены очень высокая подвижность носителей электрического заряда в графене, минимум на два порядка превышающая их подвижность в кремнии, и баллистический характер их движения вдоль пленки. Длина свободного пробега электронов проводимости и дырок в графене при комнатных температурах превышает 1 мкм. Следует отметить, что как дырки, так и электроны являются в данном случае квазичастицами, т. е. на самом деле речь идет о коллективном движении двумерной электронной плазмы.

Реальные пленки графена отличаются от идеальных. Во-первых, они, как правило, размещены на подложке. Поэтому условия, в которых находится плазма π-электронов на внешней и на внутренней стороне пленки, разнятся. Особенно это существенно, если вблизи поверхности подложки, на которой лежит пленка графена, имеются заряженные глубокие ловушки электронов.

Во-вторых, реальные пленки графена всегда ограничены по площади. К оборванным химическим связям на краях пленки чаще всего присоединяются атомы водорода, кислорода или гидроксильные группы.

В-третьих, бывают дефекты и внутри пленки графена, а именно, 5-членные или 7-членные кольца (вместо 6-членных), замещение атома углерода другим атомом, присоединение к одному из атомов углерода какого-то химического радикала. Указанные факторы могут заметно изменить свойства реальных пленок, в частности, их электрические свойства. Какие-то радикалы (например, NH4 и CO) действуют как доноры в полупроводниках, а другие группы (например, NO2 и OH) – как акцепторы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *