Grafén új előállítási módszerek és a legújabb eredmények • Alexander Samardak • Hírek tudomány
Ábra. Grafén 1. (fent), amely kapcsolódó szénatom formájában dróthálót, megalapozza grafit és a fullerének. Grafit (bal alsó kép), mindenki számára ismerős az oszlopos rúd - egy törékeny anyag, amely jelen lehet, mint egy réteg torta a gyengén kötött graphene lapok. Amikor grafén hengerelt egy csőbe vagy gömb, kapott fullerének. Ők vannak osztva, hengeres, úgynevezett szén nanocsövek (alul középen), és a szerkezet formájában egy futball-labda (jobb alsó), néha tiszteletére a Discoverer Buckminster golyók (gömbök). Vannak azonban egyéb grafit
Grafén népszerűsége kutatók és mérnökök növekszik napról napra, mert szokatlan optikai. elektromos, mechanikai és termikus tulajdonságokat. Sok szakértő azt jósolják, esetleges cseréje szilícium tranzisztorok a közeljövőben, költséghatékonyabb és nagysebességű grafén (ábra. 2).
Ábra. 2. Az grafén, mint egy tranzisztor. Mivel a grafén először nyert mindössze négy évvel ezelőtt, ez teljesen természetes, hogy ebben a pillanatban nincsenek üzemi eszközök alapján, bár a lista ígéretes technológiák meglehetősen kiterjedt. Az ábra egy példát mutat egy lehetséges megvalósítása egy egyetlen elektron tranzisztor alapuló grafén. A bal oldalon látható tranzisztorkapcsolás álló grafén forrás (source) és nyelő (drain), csatlakoztatva Island (sziget) egy vezetőképes anyagból, vagy egy kvantumpont. körülbelül 100 nm széles. A jog egy teszt tranzisztor, aminek kép nagyítása 40 000 alkalommal. Szigetecske tranzisztor olyan kicsi, hogy tudni illik csak egy elektront egy időben. Ha egy sziget megfelelő új elektronokat, elvetették az elektrosztatikus erő. Minden olyan elektrondonor forrás kvantummechanikai tunneling (van egy nem nulla valószínűsége annak áthaladás az energia gát), hogy a sziget, majd „eltűnik” áztatás, hogy a forrás. Az alkalmazott feszültség harmadik elektródot, - egy kapu (nem látható a felvételen), - vezérli bemeneti és kimeneti az elektron a sziget, így regisztráció logikai 0 (nincs elektron a szigeten) vagy 1 (elektronok a szigeten)
Annak ellenére, hogy a mechanikai peeling ragasztószalaggal fogadását teszi lehetővé a magas színvonalú grafén rétegek alapkutatás, valamint eljárás növekvő Epitaxiális grafén biztosítja a legrövidebb úton az elektronikus chipek, vegyészek próbál kijutni a grafén megoldást. Amellett, hogy olcsó, és a magas termelékenység, az eljárás megnyitja az utat számos gyakran használt kémiai módszerekkel, hogy bevezetné a grafén rétegek vagy nanoszerkezetek különféle integrálni őket különböző anyagok előállításához nanokompozitok. Ahhoz azonban, hogy megkapjuk a grafén kémiai eljárások néhány probléma, hogy le kell győzni: Először is, azt kell elérni a teljes köteg grafit kerül a megoldás; másrészt, hogy a hámlás grafén oldatban visszatartott lap formában helyett hajtva, és nem tapadnak össze.
Az első csoport a tudósok - a Stanford University (California, USA) és Peking Institute of Physics (Kína) - bevezetni a kénsav és a salétromsav közötti grafit rétegek (interkaláris eljárás, lásd grafit interkalációs származék.), Majd gyorsan melegítjük a minta 1000 ° C (ábra . 3a). A robbanásszerű elpárolgása molekulák intercalantok termel vékony (néhány nanométer vastag) grafit «pelyhek», amely tartalmazhat több grafitrétegek. Ezt követően, a tér között a grafitrétegek végrehajtották két reaktív anyagok - óleum és tetrabutil-ammónium-hidroxid (GTBA) (3b ábra.). Ultrahanggal kezelt oldatot tartalmazott, mint a grafit és a grafén lap (3C.). Ezt követően, centrifugálással végeztük szétválasztása grafén (ábra. 3d).
Ábra. 3. A grafén lapok kémiailag származtatott az oldatból. (A) sematikus ábrázolása grafit rétegesen szétvált kénsav molekulák beágyazva a közbenső rétegben térben. (B) A kép az interkalált grafit beágyazott molekulák GTBA (kék gömbök). (C) Kezelés grafit kerül a kémiai oldat, ultrahanggal kezeljük grafén lapot. A hajó látható megoldás, ahol grafén lemezek centrifugálás után. (D) A fényképek grafén „pehely” mérete néhány száz nanométer nyert atomerő mikroszkóppal. A cikk tárgyalt xiaolin Li et al. Erősen vezető grafén lemezek és Langmuir-Blodgett filmek
Ábra. 4. Képek a grafit és a grafén nyert elektronmikroszkóppal. (A) Grafit használni ahhoz, hogy grafén. Scale - 500 mikron. (B) grafit pellet. Scale - 25 mikron. (C-g) grafén lapok kapott képek transzmissziós elektronmikroszkóppal különböző oldószerek. Scale - 500 nm. A cikk tárgyalt Yenny Hernandez et al. Magas hozamú termelését grafén folyadék-fázisú hámlás grafit
A siker mindkét kísérletben alapul megtalálni a megfelelő intercalantok és / vagy oldószereket. Természetesen vannak más módszerek megszerzéséhez grafén, például grafitból átalakítás grafit-oxid. Ezek használata megközelítés az úgynevezett „oxidációs-köteg-hasznosítás”, amelyben a bazális síkok grafit borított kovalensen kötött oxigén funkciós csoportok. Ez oxidált grafit válik hidrofil (vagy egyszerűen nedvességet kedvelő), és könnyen rétegesen elválnak, az egyén grafén lapok hatására az ultrahang, hogy a vizes oldatban. A kapott grafén kiváló mechanikai és optikai tulajdonságait, de az elektromos vezetőképességet több nagyságrenddel kisebb, mint a vezetőképessége grafén kapott a „Scotch-módszer” (ld. Melléklet). Ennek megfelelően az ilyen grafikon nem valószínű, hogy megtalálják alkalmazás elektronika.
Mint kiderült, a sejt, amelyet elő két módszerrel vysheoboznachennyh jobb minőségű (tartalmaz kevesebb rácshibasűrűséget), és ennek eredményeként, magasabb vezetőképessége.
Nagyon mellékesen Volt egy másik eredmény a kutatók Kaliforniából. Nemrég számolt be a nagy felbontású (akár 1a) elektronmikroszkópia, alacsony energiájú elektronok (80 kV) közvetlen megfigyelésére egyes atomok és hibák a kristályrácsban grafén. A tudósok először a világon sikerült egy képet az atomi szerkezete grafén HD (5.), Ahol Ön is szemtanúja lehet a hálózati struktúra a grafén.
Ábra. 5. A kép a kristályrács a bírság anyagok a világon. A hossza a lépték - 2A
Még tovább ment, a kutatók a Cornell Egyetemen. Grafén lapot sikerült létrehozni egy membrán vastagsága csak egy szénatom, és fújja fel, mint egy léggömb. A membrán erős volt ahhoz, hogy ellenálljon a gáz nyomása több atmoszféra. A kísérlet a következő volt. Egy szubsztrát az oxidált szilícium a korábban maratott sejtet helyezünk grafén lapok, amelyek miatt a van der Waals erők szilárdan összekapcsoljuk a szilícium felületen (6a.). Így alakult a mikrokamrán, amely fékezheti gáz. Ezután a tudósok létrehozott nyomáskülönbség belül és kívül a kamra (6B.). Segítségével atomi erő mikroszkóp. nagyságának mérését az eltérítő erő, amely konzolos a tűvel úgy érzi letapogatásakor a membrán egy magassága csak néhány nanométer a felületről, a kutatók nem tartotta be a mértékét konkáv-konvexitás membránokat (ábra. 6c-e), amikor a nyomás változik néhány atmoszféra.
Ábra. 6. (a) sematikus ábrázolása a Micro, "zárt" grafén. (B) keresztmetszete a mikrokamra egy szűk membránnal. (C) A fényképek ívelt membránok csökkenő külső nyomás képest a gáz nyomását a kamrában. (D) A fényképek konkáv membránt növekvő külső nyomás. (E) változtatása a mélység a lehajlás a membrán idővel. A legkisebb mélysége megfelelő időtartam mu 71,3 óra, a legnagyobb (175 nm) - 40 percre a a kísérlet kezdete (azaz miután a mikrokamrán kivettük a vákuum). Ábra. vita a cikk J. Scott csokor et al. Impermeábilis Atomic membránokat grafén lapok
Ezt követően, a membránt használjuk egy miniatűr dob mérésére a rezgés frekvenciája, amikor a nyomás változik. Azt találtuk, hogy a hélium marad a mikrokamrán még nagy nyomáson. Azonban, mivel a grafén a kísérletben használt nem volt tökéletes (van kristályhibák), a gáz fokozatosan szivárgott át a membránon. Az egész kísérlet alatt, ami tartott több mint 70 órán át, volt egy állandó csökkenése a feszültség a membrán (ábra. 6e).
A gyors növekedés számának grafén kutatás azt mutatja, hogy ez valóban egy nagyon ígéretes anyag széles körben alkalmazható, de lefordítani őket gyakorlat még nem épült meg, és egy csomó elméletet tart több mint egy tucat kísérletek.
FÜGGELÉK
A gyártási folyamat a grafén a „home”
Kind grafit és grafén mikroszkóp alatt