Графен, его производство, свойства и применение


Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

 

 

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

 

Описание графена. Структура графена. Открытие графена

Свойства и преимущества графена

Физические свойства графена

Получение графена

Получение графена в домашних условиях

Применение графена

Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графенкарбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.

 


Описание графена.  Структура графена. Открытие графена:

Графен (англ. graphene) – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp2-связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, лист, ткань.

Название графен происходит от “графит” и суффикса “-ene”, отражающего тот факт, что графитовый аллотроп углерода содержит многочисленные двойные связи.

Каждый атом углерода в графеновом листе связан с тремя ближайшими соседями σ-связью и вносит один электрон в зону проводимости, которая простирается по всему листу. Эти зоны проводимости делают графен полуметаллом с необычными электронными свойствами.

Листы графена укладываются в стопку, образуя графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нм (3,35 Å).

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит, известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки. Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен также имеет разновидности. Например, двухслойный графенЭто разновидность графена, образованная двумя близко расположенными слоями графена. Слои графена расположены на расстоянии меньше 1 нм друг от друга. Электроны из одного слоя графена могут туннелировать в другой слой.

Графен благодаря своей кристаллической структуре и электронам в sp2-связях обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах. Предполагается, что графен может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности, и другим химическим элементам.

Графен был первым полученным элементарным двумерным кристаллом (двумерным материалом), но впоследствии были получены другие материалы, например, плюмбенсилиценфосфоренгерманен и пр.

Графен был получен двумя британскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера. За «передовые опыты с двумерным материалом – графеном» Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии. Для получения графена ученые использовали подручные материалы – кусок графита и обычный скотч. Ученые нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали ленту, каждый раз разделяя (отшелушивая) вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний – прозрачный слой – графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена именуется методом “отшелушивания”.

Количество публикаций и патентов, посвящённых графену, превысило 10 000.

 

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали, чем была бы самая прочная сталь той же толщины. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Так, подвижность зарядов графена составляет более 1 000 000 см2/В∙с. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с,

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы,

обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди. Его теплопроводность составляет около 5000 Вт/м∙К,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучения,

графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект),

– графен является гидрофобным и абсолютно непроницаем (за исключением воды) материалом для жидкостей и газов, в том числе агрессивных соединений,

– химически нейтрален, стабилен и экологичен,

– имеет высокую подвижность носителей заряда, которая оказывается максимальной среди всех известных материалов (при той же толщине), что делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах;

– сильно поглощает свет всех видимых длин волн, что объясняет черный цвет графита. Тем не менее, один лист графена почти прозрачен из-за его крайней тонкости;

– инертен по отношению к кислотам и щелочам при комнатной температуре;

– не меняет свои электронные свойства при намагничивании;

– присутствие легирующих примесей отрицательно сказывается на электронных свойствах графена;

– на электронные свойства графена существенное влияние оказывает несущая подложка;

– обладает большой способностью распределять силу от удара, чем любой другой известный материал – в десять раз больше стали на единицу веса;

– горит при очень низкой температуре (например, 350 ° C  или 620 К);

– обладает способностью самовосстанавливать отверстия в своих листах при воздействии молекул, содержащих углерод, таких как углеводороды. Бомбардированные чистыми атомами углерода, атомы идеально выстраиваются в шестиугольники, полностью заполняя отверстия;

– до сих пор существует неполное понимание полной биосовместимости материалов на основе графена. Различные клеточные линии по-разному реагируют на воздействие графеном;

– воздействие графена на организм человека, животных и живых организмов остается относительно неисследованной областью.

 

Физические свойства графена*:

Наименование показателя: Значение:
Длина связи С–С, нм 0,142
Плотность, мг/м2 0,763
Удельная площадь поверхности, м2 2630
Подвижность электронов, см2/(В∙с) более 1,0∙106
Модуль Юнга, ТПа более 1
Теплопроводность, Вт/(м∙К) от 4840 до 5300
Оптическая проницаемость 0,977
Удельная прочность на растяжение, Н∙м/кг 4,7·107 – 5,5 ·107
Удельная жесткость, Н·м/кг 0,45·109

* при комнатной температуре.

 


Получение графена:

Основными способами получения графена считаются:

микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена. Данный способ позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей заряда. Этот способ не предполагает использования масштабного производства, поскольку данный способ является ручной процедурой.

Способ отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабосвязанные (по сравнению с силами в плоскости) слои двумерных кристаллов (двумерных материалов).

диспергирование графита в водных средах,

механическая эксфолиация;

эпитаксиальный рост в вакууме;

химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

 

Получение графена в домашних условиях:

Для получения графена в домашних условиях необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

 


Применение графена:

солнечная энергетика,

водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,

электроника (ЖК-мониторы, светоизлучающие диоды, транзисторы, микросхемы, сенсорные панели, умные окна или телефоны и пр.),

в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,

медицина,

создание суперкомпозитов,

строительство (добавление графен в бетон с целью производств нанобетона. При добавлении графена в бетон улучшается прочность на сжатие, растяжение и изгиб),

очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.

 



карта сайта

как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит купить цена видео россия презентация плотность
техническое применение открытие получение технология производство структура изобретение графена в светодиодных устройствах мастер нож