Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

графен

<== предишна статия | следващата статия ==>

Графен (английски графен) е двуизмерна алотропна модификация на въглерода, слой от въглеродни атоми с дебел един атом е свързан чрез sp2-връзки в хексагонална двумерна кристална решетка. Тя може да бъде представена като единична равнина от графит, отделена от обемния кристал. Графенът има висока механична твърдост и добра топлопроводимост. Високата мобилност на носителите на заряд го превръща в обещаващ материал за използване в широк спектър от приложения, по-специално като бъдеща основа на наноелектрониката и възможната подмяна на силиций в интегралните схеми.

Основният метод за производство на графен, който понастоящем е налице в условията на научни лаборатории, се основава на механичното отделяне или ексфолиране на графитните слоеве. Тя позволява да се получат проби с най-високо качество с висока мобилност на носителите. Този метод не включва използването на широкомащабно производство, тъй като това е ръчна процедура.

Друг известен метод е методът на термично разлагане на субстрат от силициев карбид, много по-близък до промишленото производство. Тъй като графенът е получен за първи път едва през 2004 г., той все още не е добре разбран и привлича повишен интерес.

Поради особеностите на енергийния спектър на носителите, графенът проявява специфични електрофизични свойства, за разлика от другите двуизмерни системи.

История на откриването

Пионерите на графена, А. К. Гейму и К. С. Новоселов получиха Нобелова награда за физика за 2010 година.

Графенът е двуизмерен кристал, състоящ се от един слой въглеродни атоми, събрани в шестоъгълна решетка.

Фиг. 8.5 Идеалната кристална структура на графена е хексагонална кристална решетка.

Теоретичните проучвания за създаването на графен започнаха много преди да се получат реални образци. От графен може да се сглоби триизмерен графитен кристал, поради което графенът е основа за изграждането на теорията на този кристал. Графитът е полуметал и както е показано от P. Walles през 1947 г., лентовата структура на графена също няма забранена зона, а в точките на контакт между валентните и проводимите ленти, енергийният спектър на електроните и дупките е линеен като функция на вълновия вектор. Безмасови фотони и ултрарелативистични частици, както и неутрино, имат такъв спектър. Поради това се казва, че ефективната маса на електроните и дупките в графена близо до точката на контакт между зоните е нула. Но тук си струва да се отбележи, че въпреки сходството на фотоните и безмасовите носители, има няколко съществени разлики в графена, които правят носителите в графена уникални по своята физическа природа, а именно: електроните и дупките са фермиони и се зареждат. В момента няма аналози за тези безмасови заредени фермиони сред известните елементарни частици.

Въпреки тези особености, тези заключения не са получили експериментално потвърждение до 2005 г., тъй като не е било възможно да се създаде графен. Освен това, теоретично е доказано още по-рано, че свободен идеален двуизмерен филм не може да бъде получен поради нестабилност по отношение на сгъване или усукване. Термичните колебания водят до топене на двуизмерен кристал при всяка крайна температура.

Интересът към графена се появява отново след откриването на въглеродни нанотръби, тъй като цялата оригинална теория се основава на прост модел на нанотръба като цилиндър. Следователно, теорията за графена при прилагането на нанотръби е добре развита.

Опитите за получаване на графен, прикрепен към друг материал, започнаха с експерименти с помощта на обикновен молив и продължават да се използват атомно силови микроскопи за механично отстраняване на графитните слоеве, но не успяват. Използването на графит с вградени (интеркалирани графитни) извънземни атоми в интерпланарното пространство (използвано за увеличаване на разстоянието между съседните слоеве и тяхното разделяне) също не доведе до резултат.

През 2004 г. руски и британски учени публикуват статия в списание Science, в която се съобщава за производството на графен върху окислен силиконов субстрат. По този начин се постига стабилизиране на двумерния филм поради наличието на връзка с тънък слой от диелектрик. , За първи път са измерени проводимостта, ефектът на Шубнико-де Хаас, ефектът на Хол за проби, съдържащи въглеродни филми с атомна дебелина.

Ефектът на Шубников-де Хаас е кръстен на съветския физик Л. В. Шубников и холандския физик В. де Хаас, които са го открили през 1930 година.

Наблюдаваният ефект се състои в осцилации на магнитосъпротивлението на бисмутови филми при ниски температури.

Методът на пилинг е доста прост и гъвкав, тъй като позволява работа с всички слоести кристали, т.е. тези материали, които са представени като свободно (в сравнение със силите в равнината) свързани слоеве на двумерни кристали. Може да се използва за получаване на други двуизмерни кристали: , , и други

Фиг. 8.6 Вмъкнатите графитни слоеве могат да бъдат отделени един от друг.

Графеновите парчета се получават чрез механично действие върху високо ориентиран пиролитичен графит. Първо, плоските парчета графит се поставят между лепкавите ленти (лепенка) и се отрязват отново и отново, създавайки доста тънки слоеве (сред много филми, еднослойни и двуслойни слоеве могат да паднат, които представляват интерес). След отлепване на залепващата лента с тънък слой графит се притиска към субстрата на окисления силиций. Трудно е да се получи филм с определен размер и форма във фиксирани части на субстрата (хоризонталните размери на филмите обикновено са около 10 микрона). Филмите, намерени с оптичен микроскоп (те са слабо видими при диелектрична дебелина 300 nm), са подготвени за измервания. Дебелината може да се определи с помощта на микроскоп с атомна сила (тя може да варира в рамките на 1 nm за графен). Използвайки стандартна електронна литография и реактивно плазмено ецване, те определят формата на филм за електрофизични измервания.

Части от графен могат също да бъдат изработени от графит с помощта на химични методи. Чрез промяна на органични разтворители и химикали могат да се получат нанометрови графитни слоеве. Отглеждането на графен при високо налягане и температура може да се използва за производство на филми с голяма площ.

Ако кристалът пиролитичен графит и субстратът са поставени между електродите, е възможно да се гарантира, че парчета графит от повърхността, сред които могат да бъдат филми с атомна дебелина, могат да бъдат прехвърлени върху окислен силициев субстрат под действието на електрическо поле. За да се предотврати повреда (между електродите е приложено напрежение от 1 до 13 kV), между електродите се поставя и тънка слюда.

Идеалният графен се състои изключително от шестоъгълни клетки. Наличието на петоъгълни и седмоъгълни клетки ще доведе до различни видове дефекти. Наличието на петоъгълни клетки води до сгъване на атомната равнина в конус. Структура с 12 такива дефекта е едновременно известна под името фулерен . Наличието на хептагонални клетки води до образуването на седловидни криви на атомната равнина. Комбинацията от тези дефекти и нормални клетки може да доведе до образуването на различни повърхностни форми.

Възможни приложения за графен

Смята се, че балистичен транзистор може да бъде конструиран въз основа на графен. През март 2006 г. група изследователи от Държавния технологичен институт в Джорджия обявиха, че са получили графенов полеви транзистор, както и устройство за квантови интерференции. Изследователите смятат, че благодарение на техните постижения скоро ще се появи нов клас графенова наноелектроника с дебелина на базовия транзистор до 10 nm. Този транзистор има висок ток на утечка, т.е. не е възможно да се разделят двете състояния със затворен и отворен канал.

Не е възможно графенът да се използва директно при създаването на полеви транзистори без токове на утечка поради липсата на забранена зона в този материал, тъй като е невъзможно да се постигне значителна разлика в съпротивлението при всяко приложено напрежение към портата, т.е. , Първо трябва да създадете по някакъв начин ширина на лентата с достатъчна ширина при работната температура (така че термично възбудените носители дават малък принос към проводимостта). Един от възможните методи се основава на създаването на тънка графенова лента с такава ширина, че поради ефекта на квантовата големина, зоната е достатъчна, за да може устройството да премине в диелектрично състояние (затворено състояние) при стайна температура (28 meV съответства на ширина на лентата от 20 nm). Поради високата подвижност скоростта на такъв транзистор ще бъде значително по-висока от тази на силиция.

Друга област на приложение е използването на графен като много чувствителен сензор за откриване на отделни молекули от химикали, прикрепени към повърхността на филма. Вещества като , , , , Сензор с размери 1 μm × 1 μm се използва за откриване на добавянето на отделни молекули до графен. Принципът на действие на този сензор се състои в това, че различни молекули могат да действат като донори и акцептори, което от своя страна води до промяна в резистентността на графен. Теоретично се изследва влиянието на различните примеси върху проводимостта на графена. Молекулата е добър акцептор поради парамагнитните си свойства и диамагнитната молекула създава ниво, близко до точката на електронейтралност. В общия случай примесите, чиито молекули имат магнитен момент (несдвоен електрон), имат по-силни допиращи свойства.

Друга обещаваща област на приложение на графен е използването й за производство на електроди в йонистори (суперкондензатори) за използване като акумулаторни източници на ток . Прототипите на графеновите йонистори вече имат енергийна интензивност, сравнима с тази на оловно-киселинните батерии. Неотдавна бе създаден нов тип LED на базата на графен (LEC).

Идеален двумерен филм в свободното състояние не може да се получи поради неговата термодинамична нестабилност. Но ако във филма има дефекти или деформация в пространството (в третото измерение), тогава такъв "неидеален" филм може да съществува без контакт с субстрата. В експеримент с помощта на трансмисионен електронен микроскоп беше показано, че съществуват свободни графенови филми и образуват сложна вълнообразна повърхност с латерални размери на пространствените неоднородности около 5-10 nm и височина 1 nm. В статията е показано, че е възможно да се създаде филм, свободен от контакт с субстрата, фиксиран от два края, като по този начин се образува нано-електромеханична система. В този случай суспендираният графен може да се разглежда като мембрана, чиято промяна в честотата на механичните колебания е предложена да се използва за откриване на маса, сила и заряд, т.е. да се използва като високочувствителен сензор .

<== предишна статия | следващата статия ==>





Вижте също:

Методи за измерване, използващи сензори на конзолна основа

Физическите основи на оже-спектроскопията и неутронната дифракция

Електронен парамагнитен резонанс

Сканиращо микроскопско устройство

Сканиращи магнитни микроскопи на базата на интерферометри SQUID

Устройство и принцип на работа на атомно-енергиен микроскоп

Концепциите на класическата и квантовата системи

Растерни (сканиращи) електронни микроскопи

фулерени

НГР метод - спектроскопия

Понятието "размита логика"

Физически характеристики на прехода от микро към наноустройства

Връщане към съдържанието: Съвременни фундаментални и приложни изследвания в приборостроенето

Видян: 3130

11.45.9.53 © ailback.ru не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно ползване. Има ли нарушение на авторските права? Пишете ни Обратна връзка .