Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ.

Себряковский филиал ФГБОУ ВПО «Волгоградский

Государственный архитектурно-строительный университет»

Реферат

по дисциплине: «Химия»

На тему: Графены

Выполнил:

студент гр. С-11д-15

Поляков Н.И.

Проверил:

профессор Бабкин В.А.

Михайловка, 2016

Введение

Графен -- первый известный истинно двумерный кристалл . В отличие от более ранних попыток создания двумерных проводящих слоёв, к примеру, двумерный электронный газ (ДЭГ), из полупроводников методом управления шириной запрещённой зоны, электроны в графене локализованы в плоскости гораздо сильнее . графен кристалл графит межмолекулярный

Многообразие химических и физических свойств обусловлено кристаллической структурой и р-электронами атомов углерода, составляющих графен.Им заинтересовались не только учёные, но и технологи, а также связанные с производством процессоров корпорации IBM, Samsung. Принцип работы транзисторов из графенасущественно отличается от принципа работы традиционных полевых кремниевых транзисторов, так как графен имеет запрещённую зону нулевой ширины, и ток в графеновом канале течёт при любом приложенном затворном напряжении, поэтому развиваются иные подходы к созданию транзисторов.

Наноструктуры можно собирать не только из отдельных атомов или одиночных молекул, но молекулярных блоков. Такими блоками или элементами для создания наноструктур являются графен, углеродные нанотрубки и фуллерены. Графен - это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, связанных между собой и образующих решётку, каждая ячейка которой напоминает пчелиную соту.

Расстояние между ближайшими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм. Кристаллическая решётка графена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что её обратная решётка тоже будет гексагональной. В элементарной ячейке кристалла находятся два атома.

Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. Кроме того, это свойство делает его очень привлекательными для использования в качестве прозрачных электродов солнечных батарей или сенсорных дисплеев. При этом, графен обладает высокой прочностью, он прозрачен в силу своей чрезвычайно малой толщины.

1. История открытия

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. 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 является полуметаллом. Как было показано в 1947 году П. 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, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене 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. Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен.Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре . Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра.Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана. Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату. В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии.Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова-- де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной. И уже 5 октября были удостоены Нобелевской премии в области физики за 2010 год за создание самого тонкого в мире углеродного материала - графена, работающие ныне в Великобритании воспитанники российской научной школы Андрей Гейм и Константин Новосёлов. Российские физики открыли графен всего шесть лет назад. Это второй раз, когда престижную награду дают за открытие нового углеродного материала. Андрей Гейм и Константин Новосёлов - первые учёные, которым удалось получить графен. Константин Сергеевич Новосёлов родился в Нижнем Тагиле 23 августа 1974 года. В 9 классе Новоселов поступил в заочную физико-техническую школу Московского физико-технического института (МФТИ), решал присылаемые по почте ему задания. Получив "тройку" на вступительном экзамене по математике в Нижне-Тагильском политехническом институте, в 1991 году Новоселов поступил в Московский физико-технический институт (МФТИ) на факультет физической и квантовой электроники. Он окончил его с отличием со специальностью "нанотехнологии".В 1997 году, после чего стал аспирантом в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке. В 1999 году Новоселов переехал в Нидерланды и начал работать в лаборатории высокого магнитного поля Университета Неймегена, где его научным руководителем стал другой выпускник МФТИ Андрей Гейм. В 2001 году Новоселов вслед за Геймом перебрался в Великобританию и стал научным сотрудником Манчестерского университета, где и занимается научной деятельностью до их пор. Андрей Константинович Гейм родился 21 октября 1958 года в Сочи. После окончания школы он попытался поступить в Московский инженерно-физический институт (МИФИ), однако его там отказались принимать из-за национальности. Поэтому он один год проработал слесарем на Нальчикском электровакуумном заводе, главным инженером которого был его отец. В 1976 году Гейм снова получил отказ в МИФИ и поступил в Московский физико-технический институт (МФТИ), где защитил в 1982 году диплом. После этого Гейм начал работать аспирантом в Институте физики твердого тела АН СССР (ИФТТ). В 1990 году Гейм отправился в Великобританию на стажировку в Ноттингемский университет и больше уже в СССР и России не работал .Способ, который они использовали, теперь широко применяется во всех лабораториях: с помощью обычного скотча от графита отщепляют достаточно тонкие слои, часть из которых оказывается одноатомными, удивительно, но такой слой возможно увидеть с помощью светового микроскопа. Сегодня разработан ряд других способов получения графена, например, термическое разложение подложки слоя кремния, при котором графен формируется на поверхности этой плёнки. Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов.

2. Способы получения

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди множества полученных плёнок могут попадаться одно- и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окислённого кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа слабо различимые (при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена) или используя комбинационное рассеяние . Используя стандартную электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и азотной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группыграфена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана , тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

Один из химических методов получения графена основан на восстановлении оксида графита. Первое упоминание о получении хлопьев восстановленного монослойного оксида графита (оксида графена) было уже в 1962 году.

Восстановлением монослойной пленки оксида графита, например, в атмосфере гидразина с последующим отжигом в смеси аргон/водород, могут быть получены графеновые пленки. Однако, качество графена, полученного восстановлением оксида графита, ниже по сравнению с графеном, полученным скотч-методом вследствие неполного удаления различных функциональных групп. Нанесение пленки оксида графита на DVD диск и обработка лазером в DVD дисководе привели к получению на диске пленки графена с высокой электропроводностью (1738 См/м) и удельной поверхностью 1520 м²/г.

В статьях описан ещё один химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу.

Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD) и рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, как показано в работе, можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окислённого кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

Существует также несколько сообщений, посвящённых получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC, причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность -- в первом случае качество плёнок выше. Этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству. В работах та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

3. Свойства

Графен по своим свойствам является полуметаллом с малым перекрытием зоны проводимости и валентной зоны. Носители заряда обладают высокой подвижностью, при комнатной температуре она достигает 104 см2/В*с, что значительно превышает подвижность носителей заряда основного материала современной электроники -- кремния. Это объясняется особой электронной энергетической структурой вблизи уровня Ферми. Дисперсия валентных состояний электронов здесь носит линейный характер, вследствие чего носители заряда обладают практически нулевой эффективной массой и аномально высокой подвижностью. Вследствие чего графен является лучшим проводником электрического тока, по сравнению с любой другой плёнкой такой толщины. Графен является полуметаллом, поэтому при комнатной температуре он непригоден для создания полевых транзисторов, поскольку при приложении затворного напряжения всегда будет существовать ток утечки. Для решения этой проблемы необходимо миниатюризировать полоски графена, чтобы квантово-размерные эффекты привели к образованию запрещенной зоны. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы показали, что графеновые «наноленты» шириной не более 100 нм эффективно ограничивают движение носителей заряда в одном измерении, (это напоминает процесс, имеющий место в углеродной нанотрубке).

Ленты правильной ширины и кристаллической структуры, обладают полупроводниковыми свойствами и демонстрируют поведение, присущее квантам, в относительно существенном масштабе.В зависимости от краевой структуры, наноленты из графена проявляют металлические свойства (в случае границы типа «зигзаг»), так как в этом случае существуют краевые состояния без дисперсии, локализованные в непосредственной близости от края, либо полупроводника, имеют запрещенную зону, ширина которой определяется поперечным размером ленты (в случае границы типа «кресло»). Измерения проводимости таких лент при различных температурах показали, что при комнатной температуре электропроводность постепенно увеличивается вместе с напряжением и значительно уменьшается с уменьшением ширины ленты, это связано с тем, что энергетическая ширина запрещенной зоны обратно пропорциональна ширине ленты и не зависит от выбора направления. Ценность графена определяется высочайшими значениями подвижности носителей заряда (при комнатной температуре он опережает кремний по этому показателю более чем в сто раз).Объяснение таким характеристикам физики видят в том, что электроны и дырки в графене обладают нулевой эффективной массой (другими словами, их скорость не связана с энергией) и «ведут себя» подобно фотонам. С этим же свойством принято ассоциировать другую «странность» нового материала. Известно, что при внесении проводника в магнитное поле его электроны начинают совершать круговые движения (прецессировать). Движение по окружности -- периодический процесс, который можно рассматривать как квантовый осциллятор, а энергия квантового осциллятора может принимать лишь дискретный ряд значений. Эти значения -- для обычного проводника -- эквидистанты; в графене же расстояния между энергетическими уровнями оказываются различными. Графен легко адсорбируют на своей поверхности различные примеси, и учет взаимодействия электронной системы представляет сложную задачу.

В частности, учет взаимодействия электронов графена и электронов примеси может привести к качественному изменению энер¬гетического спектра (например, образованию щели в спектре) и, следовательно, к возможности распространения оптических импульсов. При этом энергетический спектр электронов становится непараболичным, приводит к существенной нелинейности электронных свойств углеродной наночастицы. На основе периодической модели Андерсона, которая предлагается для описания электронной подсистемы в углеродных нанотрубках и графене с примесями, методом функций Грина авторами работы получен закон дисперсии для электронов. В низкотемпературном пределе рассмотрена совместная динамика электронов и электромагнитного поля и получено эффективное уравнение, которое описывает распространение предельно коротких оптических импульсов, а также приведены решения данного уравнения в зависимости от параметров задачи. Уникальные электрические свойства делают графен одним из самых перспективных материалов в области наноэлектроники и приборов спинтроники. В частности, рассматривается возможность создания на основе графена быстродействующего транзистора с узким ка¬налом, а также электронных устройств, основанных на управлении спином электронов.

Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO2), поэтому сейчас ведутся работы по получению свободновисящих плёнок графена, что должно увеличить подвижность.

Идеальную двумерную плёнку в свободном состоянии нельзя получить из-за её термодинамической нестабильности. Но если в плёнке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в третьем измерении), то такая «неидеальная» плёнка может существовать без контакта с подложкой. В эксперименте с использованием просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные плёнки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5--10 нм и высотой 1 нм. В статье было показано, что можно создать свободную от контакта с подложкой плёнку, закреплённую с двух краёв, образуя, таким образом, наноэлектромеханическую систему.

В данном случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, то есть использовать в качестве высокочувствительного сенсора. Подложка кремния с диэлектриком, на котором покоится графен, должна быть сильно легирована, чтобы её можно было использовать в качестве обратного затвора, при помощи которого можно управлять концентрацией и даже изменять тип проводимости. Поскольку графен является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к затвору приводит к электронной проводимости графена, и напротив -- если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому в принципе нельзя обеднить полностью графен от носителей. Заметим, что если графит состоит из нескольких десятков слоёв, то электрическое поле достаточно хорошо экранировано, как и в металлах, огромным количеством носителей в полуметалле. В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное напряжение равно нулю, не должно быть носителей тока, что, если следовать наивным представлениям, должно приводить к отсутствию проводимости.

Но, как показывают эксперименты и теоретические работы, вблизи дираковской точки или точки электронейтральности для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости, хотя величина минимальной проводимости зависит от метода расчёта. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно чистых образцов. В действительности все плёнки графена соединены с подложкой, и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что ведёт к пространственной неоднородности типа проводимости по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация носителей теоретически не меньше, чем 1012 см2. Здесь проявляется отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно -- отсутствует переход металл-диэлектрик.Уникальные механические свойства графена открывают большие перспективы его практического применения в различных областях науки и техники. В частности, графен уже сейчас используется для разработки и создания нанорезонаторов. В такой ситуации особую актуальность приобретает разработка моделей, позволяющих описывать механические свойства графена и других углеродных наноструктур при различных видах нагружения. На практике для моделирования механического поведения углеродных структур часто применяются дискретно-континуальные модели. Явно учесть тепловое движение позволяет метод молекулярной динамики основанный на интегрировании классических уравнении движения взаимодействующих частиц .

При моделировании методом молекулярной динамики ключевую роль играют зоны взаимодействия между частицами (потенциалы взаимодейтсвия). В случае графена задача построения таких потенциалов усложняется тем, что связи между атомами являются направленными. Для решения данной проблемы часто применяются многочастичные потенциалы, зависящие от положения большого числа частиц. Указанные потенциалы с высокой точностью описывают физико-химические свойства графена.Однако при этом механические свойства, как правило, воспроизводятся с большой погрешностью. Абсолютное большинство известных многочастичных потенциалов неправильно описывают упругие модули графена (в частности, коэффициент Пуассона). Среди многочастич¬ных потенциалов наиболее точно механические свойства графена описывает потенциал AIREBO адаптивные межмолекулярные связи эмпирического реактивного порядка.

Заключение

Фантаcтичеcки велика ценнocть нoвoгo материала для развития физичеcких иccледoваний. Фактичеcки графен oткрывает нoвую научную парадигму -- ”релятивиcтcкую” физику твёрдoгo тела, в кoтoрoй квантoвые релятивиcтcкие явления (чаcть кoтoрых не реализуема даже в физике выcoких энергий) теперь мoгут быть иccледoваны в oбычных лабoратoрных уcлoвиях. Впервые в твёрдoтельнoм экcперименте мoжнo иccледoвать вcе нюанcы и мнoгooбразие квантoвoй электрoдинамики». Тo еcть речь идёт o тoм, чтo мнoгие явления, для изучения кoтoрых требoвалocь cтрoительcтвo oгрoмных уcкoрителей элементарных чаcтиц, теперь мoжнo иccледoвать, вooружившиcь гoраздo бoлее прocтым инcтрументoм -- тoнчайшим в мире материалoм.

Все выше перечисленные факторы делают графен одним из важнейших материалов будущего. Развитие мировой науки и техники целиком зависит от изучения этого уникального материала. На данном этапе, графен остается новым и неизученным явлением, со множеством неоткрытых свойств, однако буквально каждый месяц люди узнают о нем что-то новое. Это делает феномен графена важнейшим в дальнейшей истории человечества.

Список литературы

1. Ландау Л.Д Лифшиц Е.М. «Статистическая физика» , М 2001 г.

2. Novoselov K.S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 667, 2004 г.

3. Ильясов Ф.К Булатова А. Н. «Электрические свойства графенов» , 23ст 2009 г.

4. Гейм А Новоселов К. «Рост графена», Ман 2007.

5. Сильвестров П Ефетов К. «Квантовые точки в графене Сент.Л 98, 2007 г.

6. http://www.membrana.ru/particle/16061

7. http://www.nanometer.ru/2009/10/27/12566 498911870_157791.html

8. http://lenta.ru/lib/14207737/

Размещено на Allbest.ru