Графен применение. Что это графен

революционный материал

21 столетия .

Графен — революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и
электропроводящий вариант углеродного соединения. Графен был найден Константином
Новоселовым и Андреем Геймом.

Русские ученые
были удостоены Нобелевской премии.

ПУЛЕНЕПРОБИВАЕМЫЙ ГРАФЕН ПОЗВОЛИТ СОЗДАТЬ СВЕРХМОЩНЫЙ БРОНЕЖИЛЕТ

Слои углерода в один атом толщиной могут поглощать удары, которые пробили бы даже сталь. Последние исследования показали, что чистый графен показывает себя в два раза лучше, чем ткань, которая в настоящее время используется при создании пуленепробиваемых жилетов, что делает его идеальным для создания брони для солдат и полиции.

Графен представляет собой лист одиночных атомов углерода, соединенных вместе в форме пчелиных сот. Будучи отличным проводником тепла и электричества, графен уже нашел применение в компьютерах и электронике и обещает стать чудо-материалом 21 века, заменив кремний. Помимо этого, графен невероятно прочен для своего легкого веса, что делает его идеальным материалом для бронежилетов.

ГРАФЕНОВАЯ КРАСКА В БУДУЩЕМ ИЗБАВИТ НАС ОТ КОРРОЗИИ

Поверхность из графена, одного атомного слоя углерода, может быть покрыта кислородом для создания оксида графена; эта форма графена может оказать существенное влияние на химическую, фармацевтическую и электронную промышленность, сообщает Phys.org. Если распылить такую «краску», она может обеспечить сверхпрочное нержавеющее покрытие для широкого спектра промышленных применений.

Оксид графена может быть использован для окрашивания различных поверхностей, от стекла и металла до обычных кирпичей. После простой химической обработки покрытие будет вести себя как графит в плане термической и химической стабильности, но по механическим свойствам будет приближено к графену, самому прочному материалу из известных на сегодня.

Команда во главе с доктором Рагулем Наиром и лауреатом Нобелевской премии Андреем Геймом ранее показывала, что многослойные пленки из оксида графена являются вакуумплотными в сухих условиях, но если подвергнуть их воздействию воды или ее паров, они будут выступать в качестве молекулярного сита, пропуская малые молекулы ниже определенных размеров. Эти выводы могут иметь огромные последствия для очистки воды.

Такие контрастные свойства обусловлены структурой пленок из оксида графена, которые состоят из миллионов мелких хлопьев, наложенных в случайном порядке друг на друга, но имеющих наноразмерные капилляры между собой. Молекулы воды могут размещаться в этих нанокапиллярах и пропускать небольшие атомы и молекулы.

В статье, опубликованной в Nature Communications на этой неделе, команда из Университета Манчестера показала, что можно плотно закрыть эти нанокапилляры с помощью простой химической обработки, что сделает графеновые пленки еще сильнее механически, а также полностью непроницаемыми для всего: газов, жидкостей или сильных химикатов. К примеру, исследователи показали, что посуда или медные контейнеры, покрытые графеновой краской, могут быть использованы в качестве контейнеров для сильно коррозионных кислот.

Исключительные барьерные свойства графеновой краски уже вызвали интерес у многих компаний, которые в настоящее время сотрудничают с Университетом Манчестера, разрабатывая новые защитные и антикоррозионные покрытия.

«Графеновая краска имеет все шансы стать по-настоящему революционным продуктом для промышленности, которая имеет дело с любым видом защиты от воздуха, погодных условий или агрессивных химических веществ. Сюда входят, например, медицинская электроника и атомная промышленность или даже судостроение», — рассказал Наир.

Доктор Ян Су, первый автор работы, добавляет: «Графеновую краску можно наносить практически на любой материал, независимо от того, будет это пластик, металл или даже песок. К примеру, пластиковые пленки, покрытые графеном, могут пригодиться в качестве медицинских упаковок, они улучшат срок годности при хранении, так как будут менее проницаемы для воздуха и водяных паров. Кроме того, слои графеновой краски оптически непрозрачны».

IBM ОСВАИВАЕТ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ГРАФЕНОВЫХ ЧИПОВ

Несмотря на столь поразительные и удивительные характеристики и свойства, которыми обладает материал графен, до его массового производства и применения остаются еще долгие годы. Но как оказывается, это не мешает такой компании, как IBM, начать заигрывать с технологиями производства чипов на его базе. Электропроводимый наноматериал IBM использовала для постройки интегральной цепи многоканального высокочастотного передатчика.

Высокочастотный передатчик был построен из трех графеновых транзисторов, четырех дросселей, двух конденсаторов и двух резисторов. Все эти детали расположились на площади в 0,6 квадратных миллиметра. Для производства чипа IBM использовала сборочную линию для отливки 200 миллиметровых кремниевых пластин, но при этом не задействовала процесс интегрирования цепей, оставив место для графеновых транзисторов.

Сутью сборки графенового чипа явилась демонстрация всей сложности производственного процесса электрических цепей на основе графена. И тем не менее, даже несмотря на всю сложность, IBM смогла продемонстрировать возможность совместимости процесса сборки с технологиями на базе КМОП-структуры.

Для проверки работы высокочастотного чипа через него передали на частоте 4,3 ГГц цифровой сигнал с текстовым сообщением I-B-M без каких-либо искажений.

Белорусский Национальный Технический Университет

Энергетический факультет

Кафедра “Электротехника и промышленная электроника”

Доклад на тему: “Графены”

Подготовили: Гуторов М.С., Бегляк В.В.

студенты гр.106519

Руководитель: Розум Т.С.

Введение 3

История открытия 3

Способы получения графена 5

Применение графенов в электротехнике и электронике 8

Заключение 12

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.

История открытия

Все началось в 2004 году, когда Андрею Гейму и Константину Новоселову впервые удалось получить графен в свободном состоянии. 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 (рис.1).

Рисунок 1: Атомная сетка графена

К примеру, по предположению ученых, сенсоры на основе графена смогут предсказывать землетрясения, анализировать состояние и прочность узлов самолета. Однако только через лет 10 будет понятно, в каком направлении будет развиваться практическое применение данного вещества.

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.

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.

Новым высокотехнологичным материалом заинтересовался даже Пентагон. Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (Defense Advanced Research Projects Agency) занимается исследованиями, направленными на создание компьютерных чипов и транзисторов на основе графена, общая стоимость исследования составляет 22 миллиона долларов.

На последнем ежегодном заседании Американского физического Общества - организации, объединяющей лучших физиков страны, - проходившего в апреле этого года в Питсбурге, графен стал главной темой для обсуждения. Ученые провели 23 заседания, высказывая мнения и взгляды в отношении нового материала. Только в течение 2008 года в различных источниках было опубликовано 1 500 научных работ, посвященных графену.

Графен относится к классу уникальных углеродистых соединений, обладающих замечательными химическими и физическими свойствами, такими как прекрасная электропроводность, которая сочетается с удивительной лёгкостью и прочностью.

Предполагается, что со временем он сможет заменить кремний, который является основой современного полупроводникового производства. В настоящее время за этим соединением надёжно закрепился статус «материала будущего».

Особенности материала

Графен, чаще всего встречающийся под обозначением «G», – это двумерная разновидность углерода, имеющая необычную структуру в виде соединённых в гексагональную решетку атомов. При этом общая её толщина не превышает размеров каждого из них.

Для более чёткого понимания, что такое графен, желательно ознакомиться с такими его уникальными характеристиками, как:

Рекордно высокий показатель теплопроводности;
Высокие механическая прочность и гибкость материала, в сотни раз превосходящие тот же показатель для стальных изделий;
Ни с чем несравнимая электропроводимость;
Высокая температура плавления (более 3 тысяч градусов);
Непроницаемость и прозрачность.

О необычности структуры графена свидетельствует такой простой факт: при объединении 3-х миллионов листовых заготовок графена суммарная толщина готового изделия будет не более 1 мм.

Для понимания уникальных свойств этого необычного материала достаточно отметить, что по своему происхождению он схож с обычным слоистым графитом, применяемым в грифеле карандаша. Однако, благодаря особому расположению атомов в гексагональной решётке, его структура приобретает характеристики, присущие такому твёрдому материалу, как алмаз.

При выделении графена из графита в образующейся при этом плёнке толщиной в атом наблюдаются его наиболее «чудесные» свойства, характерные для современных 2D-материалов. Сегодня трудно отыскать такую область народного хозяйства, где бы ни применялось это уникальное соединение, и где оно ни рассматривалось бы в качестве перспективного. Особо это проявляется в области научных разработок, ставящих своей целью освоение новых технологий.

Способы получения

Открытие этого материала может быть датировано 2004 годом, после чего учёными были освоены различные методы его получения, которые представлены ниже:

Химическое охлаждение, реализуемое методом фазовых преобразований (его называют CVD-процессом);
Так называемое «эпитаксиальное выращивание», осуществляемое в условиях вакуума;
Метод «механической эксфолиации».

Рассмотрим каждый из них более подробно.

Механический

Начнём с последнего из этих способов, считающегося наиболее доступным для самостоятельного исполнения. Для того чтобы получить графен в домашних условиях, необходимо последовательно произвести следующий ряд операций:

Сначала нужно подготовить тонкую графитовую пластину, которая затем крепится на клеящейся стороне специальной ленты;
После этого она складывается вдвое, а затем снова возвращается в исходное состояние (её концы разводятся);
В результате таких манипуляций на клеящей стороне ленты удаётся получить двойной слой графита;
Если проделать эту операцию несколько раз, несложно будет добиться малой толщины нанесённого слоя материала;
После этого скотч с расщеплёнными и очень тонкими плёнками прикладывается к подложке из окисла кремния;
Вследствие этого плёнка частично остаётся на подложке, образуя графеновую прослойку.

Недостатком этого метода является сложность получения достаточно тонкой плёнки заданного размера и формы, которая бы надёжно фиксировались на отведённых для этого частях подложки.

В настоящее время большая часть используемого в повседневной практике графена производится именно таким образом. За счёт механической эксфолиации удаётся получить соединение довольно высокого качества, но для условий массового производства данный метод совершенно не годится.

Промышленные методы

Одним из промышленных способов получения графена является выращивание его в вакууме, особенности которого можно представить следующим образом:

Для его изготовления берётся поверхностный слой карбида кремния, всегда имеющийся на поверхностях этого материала;
Затем заранее подготовленная кремниевая пластина нагревается до сравнительно высокой температуры (порядка 1000 К);
За счёт происходящих при этом химических реакций наблюдается разделение атомов кремния и углерода, при котором первые из них тут же испаряются;
В результате такой реакции на пластинке остается чистый графен (G).

К недостаткам этого метода можно отнести необходимость высокотемпературного нагрева, с обеспечением которого нередко возникают трудности технического характера.

Наиболее надежным промышленным способом, позволяющим избежать описанных выше сложностей, является так называемый «CVD-процесс». При его реализации происходит химическая реакция, протекающая на поверхности металлического катализатора при его соединении с газами углеводорода.

В результате всех рассмотренных выше подходов удаётся получать чистые аллотропные соединения двумерного углерода в виде слоя толщиной всего лишь в один атом. Особенностью такого образования является соединение этих атомов в гексагональную решетку за счёт образования так называемых «σ» и «π»-связей.

Носители электрического заряда в решётке графена отличаются высокой степенью подвижности, значительно превышающей этот показатель для других известных полупроводниковых материалов. Именно по этой причине он способен прийти на смену классическому кремнию, традиционно используемому при производстве интегральных микросхем.

Возможности практического применения материалов на основе графена напрямую связаны с особенностями его производства. В настоящее время практикуется множество методов получения отдельных его фрагментов, различающихся по форме, качеству и размерам.

Среди всех известных способов особенно выделяются следующие подходы:

Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.

Основные свойства этого соединения и его функциональность определяются качеством подложки, а также особенностями того материала, с помощью которого он выращивается. Всё это, в конечном счёте, зависит от используемого метода его производства.

В зависимости от способа получения этого уникального материала, он может применяться для самых различных целей, а именно:

Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;
При получении графена методом химической (термической) реакции он чаще всего используется для создания композитных материалов, а также защитных покрытий, чернил, красителей. Подвижность свободных носителей у него несколько больше, что позволяет применять его для изготовления конденсаторов и плёночных изоляторов;
В случае использования для получения этого соединения метода CVD он может применяться в нано электронике, а также для изготовления сенсоров и прозрачных гибких плёнок;
Графен, полученный методом «кремниевых пластинок», идёт на изготовление таких элементов электронных устройств, как ВЧ-транзисторы и подобные им комплектующие. Подвижность свободных носителей заряда в таких соединениях максимальна.

Перечисленные особенности графена открывают для производителей широкие горизонты и позволяют сконцентрировать усилия по его внедрению в следующие перспективные области:

В альтернативные направления современной электроники, связанные с заменой кремниевых составляющих;
В ведущие химические отрасли производства;
При конструировании уникальных изделий (таких, например, как композитные материалы и графеновые мембраны);
В электротехнике и электронике (в качестве «идеального» проводника).

Помимо этого, на основе этого соединения могут изготавливаться холодные катоды, аккумуляторные батареи, а также специальные проводящие электроды и прозрачные плёночные покрытия. Уникальные свойства этого наноматериала обеспечивают ему большой запас возможностей для его использования в перспективных разработках.

Достоинства и недостатки

Достоинства изделий на основе графена:

Высокая степень электропроводности, сравнимая с тем же показателем для обычной меди;
Почти идеальная оптическая чистота, благодаря которой он поглощает не более двух процентов видимого светового диапазона. Поэтому со стороны он кажется практически бесцветным и невидимым для наблюдателя;
Механическая прочность, превосходящая алмаз;
Гибкость, по показателю которой однослойный графен превосходит эластичную резину. Это его качество позволяет легко изменять форму плёнок и растягивать их при необходимости;
Стойкость к внешним механическим воздействиям;
Ни с чем несравнимая теплопроводность, по показателю которой он в десятки раз превосходит ту же медь.

К недостаткам этого уникального углеродистого соединения относят:

Невозможность получения в достаточных для промышленного производства объёмах, а также достижения требуемых для обеспечения высокого качества физико-химических свойств. На практике удаётся получать лишь незначительные по габаритам листовые фрагменты графена;
Изделия промышленного изготовления чаще всего уступают по своим характеристикам образцам, полученным в исследовательских лабораториях. Достичь их с помощью рядовых промышленных технологий не удается;
Высокие нетрудовые затраты, существенно ограничивающие возможности его производства и практического применения.

Несмотря на все перечисленные сложности, исследователи не оставляют попыток освоения новых технологий производства графена.

В заключение следует констатировать, что перспективы у этого материала просто фантастические, поскольку он также может применяться при производстве современных ультратонких и гибких гаджетов. Кроме того, на его основе возможно создание современного медицинского оборудования и препаратов, позволяющих бороться с раком и другими распространёнными опухолевыми заболеваниями.

Видео

Графен - революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.

Графен был найден Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера, за что русские ученые были удостоены Нобелевской премии. На сегодняшний день на исследование свойств графена выделено около десяти миллиардов долларов на десять лет, и ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности.

Однако двухмерная структура наподобие этого углеродсодержащего материала была предсказана и для других элементов Периодической системы химических элементов и весьма необычные свойства одного из таких веществ недавно удалось изучить. А называется это вещество «синий фосфор».

Выходцы из России, работающие в Британии, Константин Новоселов и Андрей Гейм создали графен – полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом – в 2004 году. С этого момента практически сразу и повсюду мы стали слышать хвалебные оды о самых разных удивительных свойствах материала, обладающего потенциалом изменить наш мир и найти свое применение в самых разных сферах, начиная от производства квантовых компьютеров и заканчивая производством фильтрами для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена так и не изменился. Почему?

Введение...

Математическая формулировка...

См. также: Портал:Физика

Получение

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 многих плёнок могут попадаться однослойные 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 (они слабо видны 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 соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. 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 .

Существует также несколько сообщений , посвящённых получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C -стабилизированная или Si -стабилизированная поверхность - в первом случае качество плёнок выше. 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.

Дефекты

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

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен . Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Возможные применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор . Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным из-за отсутствия запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния, пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе . В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше, чем в кремнии , используемом в микроэлектронике) 10 4 см²·В −1 ·с −1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения предложена в статье и заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH 3 , , H 2 O , NO 2 . Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO 2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы , что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работе теоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. В работе было показано, что NO 2 молекула является хорошим акцептором благодаря своим парамагнитным свойствам, а диамагнитная молекула N 2 O 4 создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Ещё одна перспективная область применения графена - его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг) .

Недавно был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC) . Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

Физика

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 .

Теория

В этом параграфе кратко описываются основные положения теории, некоторые из которых получили экспериментальное подтверждение, а некоторые ещё ждут верификации .

Кристаллическая структура

а соответствующие им векторы обратной решётки:

(без множителя ). В декартовых координатах положение ближайших к узлу подрешётки A (все атомы которой на рисунке 3 показаны красным) в начале координат атомов из подрешётки B (показаны соответственно зелёным цветом) задаётся в виде:

Зонная структура

Кристаллическая структура материала находит отражение во всех его физических свойствах. В особенности сильно от порядка, в котором расположены атомы в кристаллической решётке, зависит зонная структура кристалла.

Линейный закон дисперсии приводит к линейной зависимости плотности состояний от энергии, в отличие от обычных двумерных систем с параболическим законом дисперсии, где плотность состояний не зависит от энергии. Плотность состояний в графене задаётся стандартным способом

где выражение под интегралом и есть искомая плотность состояний (на единицу площади) :

где и - спиновое и долинное вырождение соответственно, а модуль энергии появляется, чтобы описать электроны и дырки одной формулой. Отсюда видно, что при нулевой энергии плотность состояний равна нулю, то есть отсутствуют носители (при нулевой температуре).

Концентрация электронов задаётся интегралом по энергии

где - уровень Ферми . Если температура мала по сравнению с уровнем Ферми, то можно ограничиться случаем вырожденного электронного газа

Концентрацией носителей управляют с помощью затворного напряжения. Они связаны простым соотношением при толщине диэлектрика 300 нм. При такой толщине эффектами квантовой ёмкости можно принебречь, хотя при уменьшении расстояния до затвора в десять раз концентрация уже не будет линейной функцией приложенного напряжения.

Здесь также следует обратить внимание на тот факт, что появление линейного закона дисперсии при рассмотрении гексагональной решётки не является уникальной особенностью для данного типа кристаллической структуры, а может появляться и при существенном искажении решётки вплоть до квадратной решётки .

Эффективная масса

Благодаря линейному закону дисперсии эффективная масса электронов и дырок в графене равна нулю. Но в магнитном поле возникает другая масса, связанная с движением электрона по замкнутым орбитам и называемая циклотронной массой . Связь между циклотронной массой и энергетическим спектром для носителей в графене получается из следующего рассмотрения. Энергия уровней Ландау для уравнения Дирака задаётся в виде

где «±» соответствует псевдоспиновому расщеплению . Плотность состояний в графене осциллирует как функция обратного магнитного поля, и её частота равна

где - площадь орбиты в пространстве волновых векторов на уровне Ферми. Осциллирующий характер плотности состояний приводит к осцилляциям магнетосопротивления, что эквивалентно эффекту Шубникова - де Гааза в обычных двумерных системах. Исследуя температурную зависимость амплитуды осцилляций, находят циклотронную массу носителей.

Из периода осцилляций также можно определить концентрацию носителей

Хиральность и парадокс Клейна

Рассмотрим часть гамильтониана для долины K (см. формулу (3.2)):

Матрицы Паули здесь не имеют отношения к спину электрона, а отражают вклад двух подрешёток в формирование двухкомпонентной волновой функции частицы. Матрицы Паули являются операторами псевдоспина по аналогии со спином электрона. Данный гамильтониан полностью эквивалентен гамильтониану для нейтрино , и, как и для нейтрино, существует сохраняющаяся величина проекции спина (псевдоспина для частиц в графене) на направление движения - величина, называемая спиральностью (хиральностью). Для электронов хиральность положительна, а для дырок - отрицательна. Сохранение хиральности в графене приводит к такому явлению, как парадокс Клейна . В квантовой механике с этим явлением связано нетривиальное поведение коэффициента прохождения релятивистской частицей потенциальных барьеров , высота которых больше, чем удвоенная энергия покоя частицы. Частица более легко преодолевает более высокий барьер. Для частиц в графене можно построить аналог парадокса Клейна с той разницей, что не существует массы покоя. Можно показать , что электрон преодолевает с вероятностью, равной единице, любые потенциальные барьеры при нормальном падении на границу раздела. Если падение происходит под углом, то существует некоторая вероятность отражения. Например, обычный p-n переход в графене является таким преодолимым барьером . В целом парадокс Клейна приводит к тому, что частицы в графене трудно локализовать, что в свою очередь приводит, например, к высокой подвижности носителей в графене. Недавно были предложены несколько моделей, позволяющих локализовать электроны в графене . В работе впервые продемонстрирована квантовая точка из графена и измерена кулоновская блокада при 0,3 К.

Эффект Казимира

Эксперимент

Подавляющее большинство экспериментальных работ посвящено графену, полученному отшелушиванием объёмного кристалла пиролитического графита.

Проводимость

Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO 2), поэтому сейчас ведутся работы по получению свободновисящих плёнок графена, что должно увеличить подвижность до 2·10 6 см²·В −1 ·c −1 . В настоящее время максимальная достигнутая подвижность составляет 2·10 5 см²·В −1 ·c −1 ; она была получена в образце, подвешенном над слоем диэлектрика на высоте 150 нм (часть диэлектрика была удалена с помощью жидкостного травителя) . Образец с толщиной в один атом поддерживался при помощи широких контактов. Для улучшения подвижности образец подвергался очистке от примесей на поверхности посредством пропускания тока , который нагревал весь образец до 900 К в высоком вакууме .

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 (см. ), 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 10 12 см −2 . Здесь проявляется отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно - отсутствует переход металл-диэлектрик .

Квантовый эффект Холла

Впервые необычный (англ. unconventional ) квантовый эффект Холла наблюдали в работах , где было показано, что носители в графене действительно обладают нулевой эффективной массой, поскольку положения плато на зависимости недиагональной компоненты тензора проводимости соответствовали полуцелым значениям холловской проводимости в единицах (множитель 4 появляется из-за четырёхкратного вырождения энергии), то есть Это квантование согласуется с теорией квантового эффекта Холла для дираковских безмассовых фермионов . Сравнение целочисленного квантового эффекта Холла в обычной двумерной системе и графене см. на рисунке 6. Здесь показаны уширенные уровни Ландау для электронов (выделение красным цветом) и для дырок (синий цвет). Если уровень Ферми находится между уровнями Ландау, то на зависимости холловской проводимости наблюдается ряд плато. Эта зависимость отличается от обычных двумерных систем (аналогом может служить двумерный электронный газ в кремнии, который является двухдолинным полупроводником в плоскостях, эквивалентных {100}, то есть тоже обладает четырёхкратным вырождением уровней Ландау, и холловские плато наблюдаются при ).

Квантовый эффект Холла (КЭХ) может использоваться как эталон сопротивления, потому что численное значение наблюдаемого в графене плато, равное воспроизводится с хорошей точностью, хотя качество образцов уступает высокоподвижному ДЭГ в GaAs и, соответственно, точности квантования. Преимущество КЭХ в графене в том, что он наблюдается при комнатной температуре (в магнитных полях свыше 20 ). Основное ограничение на наблюдение КЭХ при комнатной температуре накладывает не само размытие распределения Ферми-Дирака, а рассеяние носителей на примесях, что приводит к уширению уровней Ландау.

В современных образцах графена (лежащих на подложке) вплоть до 45 Т невозможно наблюдать дробный квантовый эффект Холла , но наблюдается целочисленный квантовый эффект Холла, который не совпадает с обычным. В работе наблюдается спиновое расщепление релятивистских уровней Ландау и снятие четырёхкратного вырождения для наинизшего уровня Ландау вблизи точки электронейтральности . Для объяснения этого эффекта предложено несколько теорий , но недостаточное количество экспериментального материала не позволяет выбрать среди них правильную.

Благодаря отсутствию запрещённой зоны в графене в структурах с верхним затвором можно сформировать непрерывный p-n переход , когда напряжение на верхнем затворе позволяет инвертировать знак носителей, задаваемый обратным затвором в графене, где концентрация носителей никогда не обращается в ноль (кроме точки электронейтральности). В таких структурах тоже можно наблюдать квантовый эффект Холла, но из-за неоднородности знака носителей значения холловских плато отличаются от приведённых выше. Для структуры с одним p-n переходом значения квантования холловской проводимости описываются формулой

где и - факторы заполнения в n- и p-области соответственно (p-область находится под верхним затвором), которые могут принимать значения и т. д. Тогда плато в структурах с одним p-n переходом наблюдаются при значениях 1, 3/2, 2, и т. д.

Для структуры с двумя p-n переходами соответствующие значения холловской проводимости равны

Рис. 7. Для получения нанотрубки (n, m) графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R

См. также

Примечания

Wallace P. R. «The Band Theory of Graphite», Phys. Rev. 71 , 622 (1947) DOI :10.1103/PhysRev.71.622
Novoselov K. S. et al . «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306 , 666 (2004) DOI :10.1126/science.1102896
Bunch J. S. et. al. Electromechanical Resonators from Graphene Sheets Science 315 , 490 (2007) DOI :10.1126/science.1136836
Balandin A. A. cond-mat/0802.1367
Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40 , 228 (2007) DOI :10.1016/j.physe.2007.06.020
Novoselov, K. S. et al . «Two-dimensional atomic crystals» , PNAS 102 , 10451 (2005) DOI :10.1073/pnas.0502848102
Rollings E. et. al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate J. Phys. Chem. Solids 67 , 2172 (2006) DOI :10.1016/j.jpcs.2006.05.010
Hass J. et. al. Highly ordered graphene for two dimensional electronics Appl. Phys. Lett. 89 , 143106 (2006) DOI :10.1063/1.2358299
Novoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438 , 197 (2005) DOI :10.1038/nature04233
Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по физике
The Nobel Prize in Physics 2010 (англ.) . NobelPrize.org. Архивировано из первоисточника 24 января 2012. Проверено 8 января 2011.
Shioyama H. Cleavage of graphite to graphene J. Mat. Sci. Lett. 20 , 499-500 (2001)
Peierls R., Helv. Phys. Acta 7 , 81 (1934); Peierls R., Ann. I. H. Poincare 5 , 177 (1935); Landau L. D., Phys. Z. Sowjetvunion 11 , 26 (1937)
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. - 2001.
Zhang Y. et al. Fabrication and electric-field-dependent transport measurements of mesoscopic graphite devices Appl. Phys. Lett. 86 , 073104 (2005) DOI :10.1063/1.1862334
В Магеллановых облаках нашли следы графена
Zhang Y.et. al. «Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene» Nature 438 , 201 (2005) DOI :10.1038/nature04235
Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(24) pp 7720 - 7721; (Communication) DOI :10.1021/ja060680r
Bunch J. S. et al. Coulomb Oscillations and Hall Effect in Quasi-2D Graphite Quantum Dots Nano Lett. 5 , 287 (2005) DOI :10.1021/nl048111+
Stankovich S. et al . «Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate)», J. Mater. Chem. 16 , 155 (2006) DOI :10.1039/b512799h
Stankovich S. et al . «Graphene-based composite materials», Nature 442 , 282 (2006) DOI :10.1038/nature04969
Wang J. J. et. al. Free-standing subnanometer graphite sheets Appl. Phys. Lett. 85 , 1265 (2004) DOI :10.1063/1.1782253
Parvizi F., et. al. Graphene Synthesis via the High Pressure - High Temperature Growth Process Micro Nano Lett., 3 , 29 (2008) DOI :10.1049/mnl:20070074 Препринт
Sidorov A. N. et al .,Electrostatic deposition of graphene Nanotechnology 18 , 135301 (2007) DOI :10.1088/0957-4484/18/13/135301
Berger, C. et al . «Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene», Science 312 , 1191 (2006) DOI :10.1126/science.1125925
J. Hass et. al. Why Multilayer Graphene on 4H-SiC(000-1) Behaves Like a Single Sheet of Graphene Phys. Rev. Lett. 100 , 125504 (2008).
Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite March 14, 2006 gtresearchnews.gatech.edu Link
Schedin F. et. al. Detection of Individual Gas Molecules Absorbed on Graphene Nature Materials 6 , 652 (2007) DOI :10.1038/nmat1967
Hwang E. H. et. al. Transport in chemically doped graphene in the presence of adsorbed molecules Phys. Rev. B 76 , 195421 (2007) DOI :10.1103/PhysRevB.76.195421
Wehling T. O. et. al. Molecular Doping of Graphene Nano Lett. 8 , 173 (2008) DOI :10.1021/nl072364w
S.R.C.Vivekchand; Chandra Sekhar Rout, K.S.Subrahmanyam, A.Govindaraj and C.N.R.Rao (2008). «Graphene-based electrochemical supercapacitors ». J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences 120, January 2008 : 9−13.
Piotr Matyba, Hisato Yamaguchi, Goki Eda, Manish Chhowalla, Ludvig Edman, Nathaniel D. Robinson. Graphene and Mobile Ions: The Key to All-Plastic, Solution-Processed Light-Emitting Devices (англ.) // Журнал ACS Nano . - American Chemical Society, 2010. - В. 4 (2). - С. 637-642. - DOI :10.1021/nn9018569
Предложена схема двумерного метаматериала на основе графена
Ando T. Screening Effect and Impurity Scattering in Monolayer Graphene J. Phys. Soc. Jpn. 75 , 074716 (2006) DOI :10.1143/JPSJ.75.074716
Hatsugai Y. cond-mat/0701431
Gusynin V. P., et. al. AC conductivity of graphene: from tight-binding model to 2+1-dimensional quantum electrodynamics Int. J. Mod. Phys. B 21 , 4611 (2007) DOI :10.1142/S0217979207038022
Katsnelson M. I. et al ., Chiral tunnelling and the Klein paradox in graphene Nat. Phys. 2 , 620 (2006) DOI :10.1038/nphys384
Cheianov V. V. and Fal’ko V. I., Selective transmission of Dirac electrons and ballistic magnetoresistance of n-p junctions in graphene Phys. Rev. B 74 , 041403 (2006) DOI :10.1103/PhysRevB.74.041403
Trauzettel B. et al ., Spin qubits in graphene quantum dots Nat. Phys. 3 , 192 (2007) DOI :10.1038/nphys544
Silvestrov P. G. and Efetov K. B. Quantum Dots in Graphene Phys. Rev. Lett. 98 , 016802 (2007) DOI :10.1103/PhysRevLett.98.016802
Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene. Nat. Mat. 6 , 183 (2007). DOI :10.1038/nmat1849
Bordag M., Fialkovsky I. V., Gitman D. M., Vassilevich D. V. (2009). «Casimir interaction between a perfect conductor and graphene described by the Dirac model ». Physical Review B 80 . DOI :10.1103/PhysRevB.80.245406 .
Fialkovsky I. V., Marachevskiy V.N., Vassilevich D. V. (2011). «