Графен. История открытия
Применение графенов в электротехнике и электронике. Расчет закона движения электронов в единичном слое графита, сбор трёхмерного кристалла графита. Изображение реальной поверхности графена. Рассмотрение фотографии графитового слоя неоднородной толщины.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | реферат |
Язык | русский |
Дата добавления | 23.01.2023 |
Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
4
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТИТЕТ»
Реферат
Графен. История открытия
Студент Реутский А. Н.
Руководитель
Цыганов И.А.
Липецк 2022 г
Содержание
Введение
1. История открытия
2. Применение графенов в электротехнике и электронике
Заключение
Список источников
Введение
Графен -- самый тонкий и самый прочный материал во Вселенной. Представьте себе углеродную пластину толщиной всего в один атом, но более прочную, чем алмаз, и пропускающую электричество в 100 раз лучше, чем кремний компьютерных чипов. Его уже сейчас сравнивают с появлением самых революционных изобретений, изменивших человечество.
Крайне сложно предсказать сейчас практические области применения графена, но он однозначно изменит нашу жизнь. Его появление революционно. Он сравним с появлением танков, которые уничтожили конницу, мобильных телефонов, которые скоро уничтожат стационарные аппараты. Такое открытие не укладывается в стандартную схему, в которой можно было бы предположить пути развития и дальнейшего применения. Графен изменит все, что нас сейчас окружает. Ведь открыто новое материальное вещество с уникальными физическими свойствами. С одной стороны, оно очень тонкое, с другой - очень большое. Оно поменяет наше представление о природе веществ и вещей.
Графемн (англ. graphene) -- двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в spІ-гибридизации и соединённых посредством у- и р-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.
По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
1. История открытия
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 П. 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. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла.
Графит представляет собой полуметалл, и, как было показано Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода 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, у графена есть несколько существенных отличий, делающих носители в нём 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.
Однако до 2004 года получить графен не удавалось. Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили. 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.
Рис. 1 Изображение реальной поверхности графена
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.
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 (А) (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 (В) 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).
Рис. 2 (А) Фотография графитового слоя неоднородной толщины; (В) Изображение графена, полученное с помощью АСМ
Физические свойства нового материала можно изучать по аналогии с другими подобными материалами. В настоящее время экспериментальное и теоретическое исследование графена сосредоточено на стандартных свойствах двумерных систем: проводимости, квантовом эффекте Холла, слабой локализации и других эффектах, исследованных ранее в двумерном электронном газе. графен электрон трёхмерный кристалл
По предположению ученых, сенсоры на основе графена смогут предсказывать землетрясения, анализировать состояние и прочность узлов самолета. Однако только через 10 лет будет понятно, в каком направлении будет развиваться практическое применение данного вещества. Возможные сферы использования графена -- сенсорные экраны, солнечные батареи, накопители энергии, сотовые телефоны, и, наконец, -- супербыстрые компьютерные чипы. Но в ближней и среднесрочной перспективе, графену будет сложно занять место кремния как основного материала для производства компьютерной «начинки. Производства кремния -- это индустрия с 40-летней историей, стоимость производства кремния в мире оценивается в миллиарды долларов. Сейчас над решением сложных проблем, связанных с производством самого графена и изделий из него, трудятся государственные лаборатории и университеты, мега-гиганты -- такие, как IBM -- и предприятия малого бизнеса.
2. Применение графенов в электротехнике и электронике
Яркость пикселей в плоскопанельных экранах определяется напряжением между двумя электродами, один из которых обращен к зрителю (рис.5). Эти электроды обязательно должны быть прозрачными. В настоящее время для производства прозрачных электродов применяется оксид индия, легированный оловом (ITO), но ITO является дорогостоящим и не самым устойчивым веществом. К тому же мир вскоре исчерпает свои запасы индия. Графен является более прозрачным и более устойчивым, чем ITO, и уже был продемонстрирован ЖК-дисплей с графеновым электродом.
Рис. 3 Яркость графеновых экранов в зависимости от подаваемого напряжения
Большой потенциал у материала и в других областях электроники. В апреле 2008 года ученые из Манчестера продемонстрировали самый крохотный в мире графеновый транзистор. Идеально правильный слой графена управляет сопротивлением материала, превращая его в диэлектрик. Становится возможным создание микроскопического переключателя питания скоростного нано-транзистора для контроля движения отдельных электронов. Чем меньше транзисторы в микропроцессорах, тем быстрее он сам, и ученые надеются, что графеновые транзисторы в компьютерах будущего станут размером с молекулу, учитывая, что современные кремниевые технологии производства микротранзисторов практически достигли предела своих возможностей.
Графен не только отличный проводник электричества. У него высочайшая теплопроводность: колебания атомов легко распространяются по углеродной сетке ячеистой структуры. Тепловыделение в электронике - серьезная проблема, поскольку существуют пределы высоких температур, которые электроника способна выдержать. Однако ученые из университета штата Иллинойс обнаружили, что транзисторы, в которых используется графен, обладают интересным свойством. В них проявляется термоэлектрический эффект, приводящий к понижению температуры прибора. Это может означать, что электроника, построенная на применении графена, оставит в прошлом радиаторы и вентиляторы. Таким образом, привлекательность графена в качестве перспективного материала для микросхем будущего дополнительно возрастает (рис.4).
Рис. 4 Щуп атомно-силового микроскопа, сканирующий поверхность графеново-металлического контакта с целью измерения температуры
Ученым было непросто измерить теплопроводность графена. Они изобрели совершенно новый способ измерения его температуры, расположив пленку из графена длиной в 3 мкм над точно таким же крохотным отверстием в кристалле диоксида кремния. Затем пленку нагрели лазерным лучом, заставив ее вибрировать. Эти вибрации помогли рассчитать температуру и теплопроводность.
Изобретательность ученых не знает границ, если речь идет об использовании феноменальных свойств нового вещества. В августе 2007 года был создан самый чувствительный из всех возможных датчиков на его основе. Он способен отреагировать на одну молекулу газа, что поможет своевременно обнаружить наличие токсинов или взрывчатых веществ. Чужеродные молекулы мирно опускаются в графеновую сеть, выбивая из нее электроны либо добавляя их. В результате меняется электрическое сопротивление графенового слоя, которое и измеряется учеными. Даже самые маленькие молекулы задерживаются прочной графеновой сеткой. В сентябре 2008 года ученые из Корнельского университета в США продемонстрировали, как графеновая мембрана, подобно тончайшему воздушному шару, надувается за счет разницы давлений в несколько атмосфер по обеим ее сторонам. Эта особенность графена может быть полезной при определении протекания различных химических реакций и вообще при изучении поведения атомов и молекул.
Получать большие листы чистого графена пока еще очень сложно, но задачу можно упростить, если слой углерода смешать с другими элементами. В Северо-Западном университете США графит окислили и растворили в воде. Результатом стал бумагоподобный материал - графеноксидная бумага. Она очень жесткая и довольно проста в изготовлении. Графеноксид пригоден в качестве прочной мембраны в аккумуляторах и топливных элементах.
Мембрана из графена - идеальная подложка для объектов изучения под электронным микроскопом. Безупречные ячейки сливаются на изображениях в однородный серый фон, на котором четко выделяются другие атомы. До сих пор было практически невозможно различить в электронном микроскопе легчайшие атомы, но с графеном в качестве подложки можно будет разглядеть даже малые атомы водорода.
Возможности применения графена можно перечислять до бесконечности. Недавно физики Северо-Западного университета США выяснили, что графен можно смешивать с пластиком. Результат - тонкий суперпрочный материал, выдерживающий высокие температуры и непроницаемый для газов и жидкостей.
Сфера его применения - производство легких автозаправочных станций, запчастей для автомобилей и самолетов, прочных лопастей ветровых турбин. В пластик можно упаковывать пищевые продукты, надолго сохраняя их свежими.
Графен не только тончайший, но и самый прочный в мире материал. Ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке убедились в этом, поместив графен над крошечными отверстиями в кристалле кремния. Затем нажатием тончайшей алмазной иглы попытались разрушить слой графена и измерили силу давления (рис.8). Оказалось, что графен в 200 раз прочнее стали. Если представить себе графеновый слой толщиной с пищевую пленку, он бы выдержал давление острия карандаша, на противоположном конце которого балансировал бы слон или автомобиль.
Рис. 5 Давление на графен алмазной иглы
Заключение
Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Это стало крупным открытием, несмотря на то что графен - вещество простое по определению: это чистый углерод. Но каждый атом углерода в нем жестко связан с тремя соседними атомами и является двумерной сеткой. Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.
Новейший материал с потрясающими свойствами скоро покинет стены научных лабораторий. Уже сейчас физики, химики и инженеры-электронщики много говорят о его уникальных возможностях. Количества материала весом всего несколько граммов достаточно для того, чтобы покрыть футбольное поле. Графит, используемый в карандашах, есть ни что иное, как множество слоев графена. Хотя каждый из слоев прочный, связи между ними слабые, так что слои легко распадаются, оставляя след, когда вы пишете карандашом.
За «передовые опыты с двумерным материалом -- графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.
Список источников
1. Новоселов К.С. Электрический эффект поля в атомарно тонких углеродных пленках (Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films) // «Science» Том 306, С. 666-669 (2004);
2. Фирсов А.А. Тонкие, ультратонкие пленки графита и их гальваномагнитные свойства. Автореферат [Электронный ресурс] - режим доступа: http://www.ipmt-hpm.ac.ru/upload/autoref_Firsov.pdf;
3. Разумов В. Ф. Графен - новый прорыв в области нанотехнологий // «Российские нанотехнологии» Том 5 - №11-12 - С. 17-22.
4. Графеновые транзисторы // Публикации ежедневного научно-популярного интернет-журнала InFuture.ru. - режим доступа http://www.infuture.ru./article/286.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
История открытия, механизм получения и применение графена, вид его кристаллической решетки и зонная структура. Линейный закон дисперсии для электронов, связь между циклотронной массой и энергетическим спектром. Сохранение хиральности и парадокс Клейна.
статья [223,1 K], добавлен 17.05.2011Физические и химические свойства графена, методы его синтеза и роль данного соединения в жизни человека. Возможность скручивания графенового листа и её пределы. Способы жидкофазного разделения слоев графита с помощью поверхостно-активных веществ.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 04.03.2016Интересные факты из истории открытия графена. Свойства графена: механическая жёсткость, хорошая теплопроводность, прочность, гибкость. Использование графена как перспективной основы наноэлектроники, замены кремнию, при создании сенсорных дисплеев.
презентация [186,8 K], добавлен 17.05.2011Исследование и оценка фотовольтаического эффекта в неоднородной области пленки силицида титана. Обнаружение сигналов фотопроводимости и фотоЭДС. Колоколообразный вид зависимости фотоЭДС от толщины слоя. Модель приповерхностной области кристалла.
статья [15,1 K], добавлен 22.06.2015Сущность полиморфизма, история его открытия. Физические и химические свойства полиморфных модификаций углерода: алмаза и графита, их сравнительный анализ. Полиморфные превращения жидких кристаллов, тонких пленок дийодида олова, металлов и сплавов.
курсовая работа [493,4 K], добавлен 12.04.2012Малосигнальные характеристики высокочастотных графеновых транзисторов. Получение графена и попытки химического расслоения. Получение больших образцов. Предельные размеры структур. Кристаллическая структура материала. Физические свойства носителей.
презентация [2,7 M], добавлен 12.04.2014Дифракция быстрых электронов на отражение как метод анализа структуры поверхности пленок в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. Анализ температурной зависимости толщины пленки кремния и германия на слабо разориентированой поверхности кремния.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 07.06.2011Ознакомление с научной деятельности физиков Андрея Гейма и Константина Новоселова. Изобретение технологии получения двухмерной аллотропной модификации углерода - графена, изучение свойств нового материала; награждение ученых Нобелевской премией.
презентация [3,1 M], добавлен 16.10.2011Изучение свойств графита и структуры однослойных нанотруб. Квантовые поправки к проводимости невзаимодействующих электронов. Эффекты слабой локализации в присутствии магнитного поля. Взаимодействие в куперовском канале в присутствии магнитного поля.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 20.10.2011История возникновения баллистического движения. Баллистика как наука. История открытия закона всемирного тяготения. Применение баллистики на практике. Траектория полета снаряда, баллистической ракеты. Перегрузки, испытываемые космонавтами в невесомости.
реферат [624,6 K], добавлен 27.05.2010