Самолетни двигатели Административно право Административно право на Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог“ Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидравлични системи и хидромашини История на Украйна Културология Културология Логика Маркетинг Машиностроене Медицинска психология Метали и заваръчни инструменти Метали и метали икономика Описателни 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 Социална психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория теорията на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерно производство Физика физични явления Философски хладилни агрегати 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 VKontakte Odnoklassniki My World Facebook LiveJournal Instagram
border=0

графен

<== предишна статия | следваща статия ==>

Графенът е двумерна алотропна модификация на въглерода, слой от въглеродни атоми с дебелина един атом е свързан чрез sp² връзки към шестоъгълна двуизмерна кристална решетка. Тя може да бъде представена като единична графитна равнина, отделена от насипния кристал. Графенът има голяма механична твърдост и добра топлопроводимост. Високата мобилност на носителите на заряди го прави обещаващ материал за използване в голямо разнообразие от приложения, по-специално като бъдеща база на наноелектрониката и възможна подмяна на силиций в интегрални схеми.

Основният от съществуващите понастоящем методи за получаване на графен, в условията на научните лаборатории, се основава на механичното разцепване или ексфолиране на слоевете графит. Тя ви позволява да получите най-висококачествените проби с висока мобилност на носача. Този метод не включва използването на мащабно производство, тъй като това е ръчна процедура.

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

Благодарение на характеристиките на енергийния спектър на носителите, графен проявява специфични, за разлика от другите двуизмерни системи, електрофизични свойства.

История на откритията

Пионерите на графена, A. K. Geim и K. S. Novosyolov, бяха отличени с Нобелова награда за физика за 2010 г.

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

Фиг. 1. Идеалната кристална структура на графена е шестоъгълна кристална решетка.

Теоретичните изследвания за създаването на графен започват много преди получаването на реални проби от материала. От графена може да се събере триизмерен графитен кристал, следователно графенът е основата за изграждането на теорията за този кристал. Графитът е полуметален и както бе показано през 1947 г. от П. Волес, лентата на лентата също липсва в лентовата структура на графена, а в точките на контакт между валентните и проводящите ленти енергийният спектър на електроните и дупките е линеен като функция на вълновия вектор. Масов фотони и ултрарелативистични частици, както и неутрино притежават такъв спектър. Затова се казва, че ефективната маса на електрони и дупки в графена в близост до точката на допир на 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 те се зареждат. Понастоящем няма известни аналози за тези безмасово заредени фермиони сред известните елементарни частици.

Въпреки тези специфични характеристики, тези заключения не бяха експериментално потвърдени до 2005 г., тъй като графенът не може да бъде създаден. В допълнение, още по-рано беше теоретично доказано, че е невъзможно да се получи безплатен идеален двуизмерен филм поради нестабилност по отношение на сгъването или усукване. Топлинните колебания водят до топене на двуизмерен кристал при всяка крайна температура.

Интересът към графена се появи отново след откриването на въглеродни нанотръби, тъй като цялата първоначална теория се основаваше на прост модел на нанотръба като цилиндър. Следователно теорията за графена, който се прилага върху нанотръбите, е добре разработена.

Опитите за получаване на графен, прикрепен към друг материал, започнаха с експерименти с обикновен молив и продължиха с помощта на атомно-силов микроскоп за механично отстраняване на слоевете графит, но не успяха. Използването на графит с вградени чужди атоми (интеркалиран графит) в междупластовото пространство (използвано за увеличаване на разстоянието между съседни слоеве и тяхното разцепване) също не доведе до резултат.

През 2004 г. руски и британски учени публикуват книга в списанието Science, в която се съобщава за производството на графен върху окислен силициев субстрат. Така стабилизирането на двуизмерния филм е постигнато поради наличието на връзка с тънък диелектричен слой , За първи път бяха измерени проводимостта, ефектът Шубников - де Хаас и ефектът на Хол за проби, състоящи се от въглеродни филми с атомна дебелина.

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

Наблюдаваният ефект се състоеше в колебания на магнитосъпротивлението на филмите на бисмут при ниски температури. По-късно ефектът на Шубников-де-Хаас се наблюдава при много други метали и полупроводници. Ефектът на Шубников-де-Хаас се използва за определяне на тензора на ефективната маса и форма на повърхността на Ферми в метали и полупроводници.

Понятията надлъжни и напречни ефекти на Шубников-де-Хаас са въведени, за да се разграничи ориентацията на магнитното поле спрямо посоката на потока на електрическия ток. Особен интерес представлява напречният ефект на Шубников-де-Хаас в двуизмерен електронен газ.

Причината за появата на колебанията на проводимостта и съпротивлението се крие в характеристиките на енергийния спектър на двуизмерен електронен газ и именно тук говорим за нивата на Ландау с енергии

където - константа на Планк,

- циклотронна честота на осцилатора Ландау,

m * е ефективната маса на електрона,

n е числото на ниво Ландау,

c е скоростта на светлината

Методът на ексфолиране е доста прост и гъвкав, тъй като ви позволява да работите с всички слоести кристали, тоест тези материали, които изглеждат слабо (в сравнение със силите в равнината) свързани слоеве от двуизмерни кристали. Може да се използва за получаване на други двуизмерни кристали: , , и други

Производство на графен

Фиг. 2. Интеркалирани графитни слоеве могат да бъдат отделени един от друг.

Парчета графен се получават чрез механично въздействие върху силно ориентиран пиролитичен графит. Първо, плоските парчета графит се поставят между залепващите ленти (скоч лента) и се разделят с течение на времето, създавайки доста тънки слоеве (сред много филми могат да представляват интерес еднослойни и двуслойни). След ексфолиране лепилната лента с тънки филми от графит се притиска върху окислен силициев субстрат. Трудно е да се получи филм с определен размер и форма в неподвижни части на основата (хоризонталните размери на филмите обикновено са около 10 микрона). Филми, открити с помощта на оптичен микроскоп (те са слабо видими при дебелина на диелектрик от 300 nm), се подготвят за измервания. Дебелината може да бъде определена с помощта на атомно-силов микроскоп (може да варира в рамките на 1 nm за графен). С помощта на стандартна електронна литография и реактивно плазмено ецване се задава формата на филма за електрофизични измервания.

Парчета графен могат да се приготвят и от графит по химически методи. Чрез смяна на органични разтворители и химикали е възможно да се получат нанометрови слоеве от графит. Отглеждането на графен при високо налягане и температура може да се използва за получаване на филми с голяма площ.

Ако между електродите се поставят кристал от пиролитичен графит и субстрат, може да се постигне, че парчета графит от повърхността, сред които може да има филми с атомна дебелина, могат да бъдат прехвърлени в окислен силициев субстрат под въздействието на електрическо поле. За да се предотврати срив (напрежение от 1 до 13 kV е приложено между електродите), между електродите се поставя и тънка слюдяна плоча.

Идеалният графен се състои изключително от шестоъгълни клетки. Наличието на петоъгълни и шестъгълни 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 като фулерен . Наличието на хептагонални клетки води до образуването на седловидни кривини на атомната равнина. Комбинацията от тези дефекти и нормални клетки може да доведе до образуването на различни повърхностни форми.

Възможни приложения на графен

Смята се, че балистичен транзистор може да бъде конструиран на базата на графен. През март 2006 г. група изследователи от Технологичния институт в Джорджия обявиха, че са получили транзистор с графенов полев ефект, както и устройство за квантова интерференция. Изследователите смятат, че благодарение на техните постижения скоро ще се появи нов клас графенова наноелектроника с дебелина на основния транзистор до 10 nm. Този транзистор има голям ток на изтичане, тоест е невъзможно да се разделят двете състояния със затворен и отворен канал.

Не е възможно да се използва графен директно при създаване на полев транзистор без токове на изтичане 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. невъзможно е да се зададат две състояния, подходящи за двоична логика: провеждане и непроводимост , Първо трябва да създадете по някакъв начин забранена зона с достатъчна ширина при работната температура (така че термично възбудените носители дават малък принос за проводимостта). Един от възможните методи се основава на създаването на тънка ивица графен с такава ширина, че благодарение на квантово-размерния ефект пролуката на лентата е достатъчна за преминаване към диелектрично състояние (затворено състояние) на устройството при стайна температура (28 meV съответства на ширина на лентата 20 nm). Поради високата си мобилност скоростта на такъв транзистор ще бъде забележимо по-висока от тази на силиция.

Друго приложение е използването на графен като много чувствителен сензор за откриване на отделни молекули химикали, прикрепени към повърхността на филма. Вещества като , , , , Използван е 1 µm × 1 µm сензор за откриване на свързването на отделни молекули до графен. Принципът на работа на този сензор е, че различните молекули могат да действат като донори и акцептори, което от своя страна води до промяна в устойчивостта на графен. Влиянието на различни примеси върху проводимостта на графена е теоретично изследвано. молекула 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 допинг свойства.

Друга обещаваща област на приложение на графена е използването му за производството на електроди в йонистори (суперкондензатори) за използване като акумулаторни източници на ток . Прототипите на графенови йонистори вече имат специфична енергийна интензивност, сравнима с тази на оловно-киселинните батерии.

Наскоро беше създаден нов тип светодиодна основа на графен (LEC).

Идеален двуизмерен филм в свободно състояние не може да се получи поради неговата термодинамична нестабилност. Но ако има дефекти във филма или ако той е деформиран в пространството (в третото измерение), тогава такъв "несъвършен" филм може да съществува без контакт със субстрата. В експеримент, използващ предавателен електронен микроскоп, беше показано, че свободните графенови филми съществуват и образуват сложна вълнообразна повърхност със странични размери на пространствени нееднородности около 5-10 nm и височина 1 nm. В статията беше показано, че е възможно да се създаде филм без контакт със субстрата, фиксиран от два ръба, като по този начин се образува наноелектромеханична система. В този случай суспендираният графен може да се разглежда като мембрана, чиято промяна в честотата на механичните вибрации се предлага да се използва за откриване на маса, сила и заряд, тоест за използване като високочувствителен сензор .

<== предишна статия | следваща статия ==>





Прочетете също:

ОСНОВНИ ВИДОВЕ АКОЕЛЕКТРОННИ УСТРОЙСТВА Забавяне на линии

Магнитооптични явления

Устройство и принцип на работа на AFM

Методи на сонда микроскопия. 1.1.1. Микроскопия с атомна сила

Линейна въглеродна верига. Синтез и анализ

Gunn ефект

Трансформация на стимулиращата енергия в рецепторите. Рецептор потенциал. Абсолютният праг. Продължителността на усещането. Адаптация на рецепторите.

Ефект на Мосбауер

Методи, използващи конзолни сензори

Връщане към съдържанието: Физически явления

Преглеждания: 3595

11.45.9.189 © ailback.ru Той не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно използване. Има ли нарушение на авторски права? Пишете ни | Обратна връзка .