Графен нови методи за получаване и последните постижения
Фиг. Графенът 1. (по-горе), състоящ се от въглеродни атоми, свързани под формата на метална мрежа, в основата на графит и фулерени. Графит (долния ляв изображение), познат на всеки под формата на колонен прът - е крехък материал, който може да присъства като слой торта с слабо свързани графен листове. Когато графен валцувани в една тръба или сфера, получен фулерени. Те са разделени на цилиндрични, наречени въглеродни нанотръби (долу в средата) и структурата под формата на футболна топка (долу вдясно), понякога се нарича в чест на техните откривател Бъкминстър топки (buckyballs). Въпреки това, има и други форми на графит
Графенът популярност сред учените и инженерите се увеличава с всеки изминал ден, тъй като има необичайни оптични, електрически, механични и термични свойства. Много експерти прогнозират евентуална подмяна на силициеви транзистори в близко бъдеще, по-рентабилно и високоскоростен графен (фиг. 2).
Фиг. 2. Използването на графена като транзистор. Тъй като графена за първи път е получена едва преди четири години, тя е съвсем естествено, че в момента още няма работни устройства, базирани на нея, въпреки че в списъка на обещаващи технологии е доста обширна. Цифрата показва пример за възможно използване на един-единствен електрон транзистор на базата на графена. От ляво е показан транзистор верига, състояща се от източник графен (източник) и канал (изтичането), свързан остров (остров) от проводим материал или квантова точка, около 100 нм встрани. В дясно е тест транзистор, чието изображение се увеличава на 40 000 пъти. Островче транзистор толкова малка, че тя е в състояние да се поберат само един електрон в даден момент. Ако един остров подходящи нови електрони, те изхвърли на електростатично сила. Всеки електронен източник на квантово-механична тунелиране (има ненулева вероятност за неговото преминаване през бариерата енергия) на острова, и след това "изчезва" накисване на източника. Напрежението прилага към третия електрод, - врата (не е показано в микроснимка), - контролира входа и на изхода на електрона от остров, така регистриране логическа 0 (без електрон на острова) или 1 (електрони на острова)
Въпреки факта, че механичното пилинг с тиксо ви позволява да получавате висококачествени графенови слоеве за фундаментални изследвания, както и метод за отглеждане на епитаксиален графенът може да осигури най-краткия път до електронните чипове, химици се опитват да се измъкнем от графен решение. В допълнение към ниската цена и висока производителност, методът отваря пътя за много от често използваните химични техники, които биха въвели графенови слоеве или наноструктури в различни ги интегрират с различни материали за генериране на нанокомпозити. Въпреки това, за да се получи графен химични методи имат някои проблеми, които трябва да бъдат преодолени: Първо, необходимо е да се постигне пълно пакет от графит поставя в разтвора; На второ място, за да направи ексфолиация графен в разтвор запазва в една плоскост, а не сгънати и не се държим заедно.
Първата група от учени - от Stanford University (Калифорния, САЩ) и Пекин Институт по физика (Китай) - въвеждане сярна и азотна киселина между графитните слоеве (процес вмъкване, вижте графит вмъкване съединение.) И след това бързо се нагрява пробата до 1000 ° С (Фигура . 3a). експлозивни изпаряване молекули intercalants на произвежда тънки (няколко нанометра дебелина) графитни люспи «», които включват множество графен слоеве. След това, в пространството между слоеве графен са изпълнени две реактивни вещества - (. Фигура 3b) олеум и тетрабутиламониев хидроксид (GTBA). Обработен с ултразвук разтвор се съдържа като графит и графен лист (фиг. 3в). След центрофугиране се провежда чрез разделяне на графен (фиг. 3d).
Фиг. 3. листове графен са химически получени от разтвора. (А) Схематично представяне на графит разкъсва молекули сярна киселина вградени в пространството на междинен слой. (В) Образът на вмъкната графит с вградени молекули GTBA (сини сфери). (С) Лечение на графит поставят в химически разтвор, се обработва с ултразвук, за да образуват графен лист. Съдът е показан разтвор, в който графен листове са след центрофугиране. (D) Изображение графен "люспи" размер на няколкостотин нанометра, получени чрез атомно-силов микроскоп. От статията се обсъжда Xiaolin Li и др. Силно провеждане на графенови листове и Langmuir-Блоджет филми
Фиг. 4. Снимки на графит и графен, получени чрез електронна микроскопия. (А) графит се използва за получаване графен. Scale - 500 микрона. (В) графит пелети. Скала - 25 микрона. (С-ж) от графен листове изображения, получени чрез трансмисионна електронна микроскопия се използват различни разтворители. Scale - 500 нм. От статията в процес на обсъждане Yenny Ернандес и др. високо добивно производство на графен чрез течна фаза ексфолиране на графит
Успехът на двата експеримента се основава на намирането на правилните intercalants и / или разтворители. Разбира се, съществуват и други методи за получаване на графен като графит превръщане графит оксид. Те използват подход, наречен "окисляване сноп възстановяване", в който базалните равнини на графит покрити с ковалентно свързан кислородни функционални групи. Това окислява графит става хидрофилен (или просто влаголюбиви) и може лесно разслоявания на отделните листове графен под действието на ултразвук, като в разтвора на вода. Полученият графен има отлични механични и оптични свойства, но електрическа проводимост с няколко порядъка по-ниска от проводимостта на графен получени с помощта на "Scotch-метод" (вж. Приложението). Съответно, като графика, е малко вероятно да намери приложение в областта на електрониката.
Както се оказа, клетката, която е получена чрез два метода vysheoboznachennyh високо качество (съдържа по-малко дефекти решетка) и в резултат на това има по-висока проводимост.
Много другото имах друг постигане на изследователи от Калифорния, наскоро съобщават с висока разделителна способност (резолюция до 1А) електронна микроскопия с ниска електронна енергия (80 кВ) за директно наблюдение на отделните атоми и дефекти в кристалната решетка на графен. Учените за първи път в света са успели да се получи картина на атомната структура на графена HD (фиг. 5), където можете да станете свидетели на мрежа структура на графена.
Фиг. 5. Изображението на кристалната решетка на фините вещества в света. Дължината на лентата мащаб - 2А
Отиде още по-далеч, изследователи от университета Корнел. Графенът лист те успяха да създадат дебелина мембрана на само един въглероден атом, и тя се надува като балон. Мембраната е достатъчно силна, за да издържат на натиска на няколко атмосфери газ. Експериментът е както следва. На основата на окислен силиций с предварително гравирани клетките бяха поставени графен листове, които поради ван дер Ваалс сили са прикрепени здраво към повърхността на силиций (Фиг. 6а). По този начин тя се формира микрокамера, която можеше да побере газ. Тогава учените са създадени разлика в налягането вътре и извън камерата (фиг. 6Ь). Използване на атомно-силов микроскоп, който измерва степента на отклоняваща сила, която конзола с иглата се чувства при сканиране на мембраната на височина само няколко нанометра от повърхността, изследователите не са успели да се наблюдава степента на вдлъбнатина-изпъкналостите мембрани (Фиг. 6с-д) когато налягането е променен на няколко атмосфери.
Фиг. 6. (а) Схематично представяне на микро-, "запечатан" графен. (В) Сечение на микрокамера с плътно мембрана. (С) Изображение сводести мембрани с намаляване външен относително налягане на налягането на газа в камерата. (D) Изображение вдлъбната мембрана с увеличаване на външен натиск. (Е) Промяната на дълбочината на деформация на мембраната с времето. Най-малката дълбочина, съответстваща на участъка на мю време 71.3 часа, най-голямата (175 пМ) - 40 минути от началото на експеримента (т.е. след микрокамерата се отстранява от вакуума). Фиг. обсъждане на статията J. Scott Bunch и сътр. Непроницаема атомна Мембраните от графен Sheets
След това мембраната се използва като миниатюрен барабан за измерване на честотата на вибрациите при промяна на налягането. Установено е, че хелий остава в микрокамера дори и при високо налягане. Въпреки това, тъй като графен използван в експеримента не е перфектно (има кристални дефекти), газът постепенно проникнала през мембраната. По време на целия експеримент, който продължава повече от 70 часа, не е стабилно намаляване на напрежението на мембраната (Фиг. 6Е).
Бързото нарастване на броя на научните изследвания графен показва, че това е наистина един много обещаващ материал за широка гама от приложения, но и да ги превърне в практика все още предстои да бъде изграден и много теории притежават повече от една дузина експерименти.