noi metode de obținere a grafen și progresele recente
Fig. Grafenul 1. (de mai sus), care constă din atomi de carbon legați în formă de plasă de sârmă, se află la baza de grafit și fullerene. Grafit (inferior imaginea din stânga), cunoscut tuturor sub formă de tijă columnar - este un material fragil, care poate fi prezent ca un tort strat cu foi grafen slab legate. Când graphene laminate într-un tub sau sferă, obținută fullerene. Acestea sunt împărțite în numite nanotuburi de carbon, cilindrice (centru de fund), și structura în formă de minge de fotbal (dreapta jos), uneori numit în onoarea lor bile descoperitor Buckminster (Buckyballs). Cu toate acestea, există alte forme de grafit
Grafenul popularitate în rândul cercetătorilor și inginerilor este în creștere zi de zi, deoarece are proprietăți optice, electrice, mecanice și termice neobișnuite. Mulți experți prezic o posibilă înlocuire a tranzistori de siliciu, în viitorul apropiat, mai rentabilă și de mare viteză grafen (fig. 2).
Fig. 2. Utilizarea grafena ca tranzistor. Deoarece grafen a fost mai întâi obținut în urmă cu doar patru ani, este destul de firesc ca în acest moment nu există dispozitive de lucru bazate pe ea, deși lista de tehnologii promițătoare este destul de vastă. Figura prezintă un exemplu de posibilă implementare a unui tranzistor singur electron bazat pe graphene. Pe stânga este prezentat un circuit tranzistor format din sursa grafena (sursă) și de scurgere (de scurgere), insula legata (insula) dintr-un material conductor sau un punct cuantic, lat de aproximativ 100 nm. La dreapta este un tranzistor de test, a cărui imagine este mărită de 40 000 de ori. Islet tranzistor atât de mic încât este capabil să se potrivească doar un singur electron la un moment dat. În cazul în care o insulă electroni noi adecvate, au aruncat forța electrostatică. Orice sursă de electroni de tunelare cuantică (există o probabilitate nenulă a trecerii sale prin bariera de energie), pe insulă, și apoi „dispar“ înmuiere la sursa. Tensiunea aplicată la al treilea electrod, - o poarta (nu este prezentată în microfotografia); - controlează intrarea și ieșirea electronului din insulă, înregistrându-se astfel o logică 0 (nici un electron de pe insulă) sau 1 (electroni pe insulă)
În ciuda faptului că peeling mecanic cu bandă adezivă permite să primiți straturi de grafen de înaltă calitate pentru cercetarea de bază, precum și o metodă de creștere grafen epitaxial poate oferi cea mai scurtă cale de a chips-uri electronice, chimisti încearcă să iasă din soluție grafen. În plus față de costul scăzut și productivitate ridicată, metoda se deschide calea spre mai multe tehnici chimice utilizate în mod obișnuit, care ar introduce straturi grafen sau nanostructuri în diverse le integra cu diverse materiale pentru a genera nanocompozitelor. Cu toate acestea, pentru a obține graphene metode chimice au unele probleme care trebuie depășite: În primul rând, este necesar pentru a obține pachet complet de grafit plasat în soluție; în al doilea rând, pentru a face exfolierea grafen în soluție reținută în formă de foaie, mai degrabă decât pliat și nu se lipesc între ele.
Primul grup de oameni de știință - de la Universitatea Stanford (California, SUA) și Institutul Beijing de Fizică (China) - pentru a introduce acid sulfuric și azotic între straturi de grafit (proces intercalare, a se vedea compusul grafit intercalare.), Și apoi se încălzește rapid proba până la 1000 ° C (Figura . 3a). Cele mai explozive molecule de evaporare intercalants produce subtire (cativa nanometri grosime) grafit «fulgi», care cuprind o multitudine de straturi de grafen. După aceea, spațiul dintre straturile de grafen au implementat două substanțe reactive - (. Figura 3b) oleum și hidroxid de tetrabutilamoniu (GTBA). soluție sonicată conținut ca și grafit foaie grafen (Fig. 3c). După aceea, centrifugare a fost realizată prin separarea grafena (Fig. 3d).
Fig. 3. Foile grafenice sunt derivate chimic din soluție. (A) Reprezentarea schematică a moleculelor de acid sulfuric de grafit exfoliat încorporate în spațiul dintre straturi. (B) Imaginea grafit intercalat cu molecule încorporate GTBA (sfere albastre). (C) Tratamentul grafit plasat în soluția chimică, sonicată pentru a forma o foaie grafen. Nava este prezentată o soluție în care foile de grafen sunt după centrifugare. (D) Image grafen „fulgi“ dimensiunea de câteva sute de nanometri, obținută prin microscopie de forță atomică. Din articol în discuție Xiaolin Li și colab. Foarte efectuarea de foi de grafen și filme Langmuir-Blodgett
Fig. 4. Imagini cu grafit și grafen, obținute prin microscopie electronică. (A) Grafitul este utilizat pentru obținerea grafen. Scale - 500 microni. (B) peleți grafit. Scale - 25 microni. (C-g) de imagini foi graphene obținute prin microscopie electronică de transmisie utilizând solvenți diferiți. Scale - 500 nm. Din articol în discuție Yenny Hernandez și colab. producție de mare randament de graphene prin exfolierea fază lichidă de grafit
Succesul ambelor experimente se bazează pe găsirea intercalants și / sau solvenți potriviți. Desigur, există și alte metode de obținere a unui grafena, cum ar fi conversia de grafit la oxid de grafit. Ei folosesc o abordare numita „oxidare-bundle-recuperare“, în care planurile bazale de grafit acoperit cu grupe funcționale oxigen covalent legat. Acest grafit oxidat devine hidrofil (sau pur și simplu umiditate iubitoare) și poate exfolia ușor la foile de grafen individuale sub acțiunea ultrasunetelor, fiind în soluție de apă. Grafen obținut are proprietăți mecanice și optice excelente, dar conductivitatea electrică prin mai multe ordine de mărime mai mică decât conductivitatea graphene obținute folosind „Scotch-metoda“ (a se vedea paragraful. Anexa). Prin urmare, un astfel de grafic este puțin probabil să găsească aplicații în electronică.
După cum sa dovedit, celula care a fost obținut prin două metode vysheoboznachennyh de calitate superioară (conține mai puține defecte zăbrele) și, ca urmare, are o conductivitate mai mare.
Foarte întâmplător am avut o altă realizare de cercetători din California, au raportat recent de înaltă rezoluție (rezoluție de până la 1A) de microscopie electronică cu energie de electroni redus (80 kV) pentru observarea directă a atomilor individuali și defecte în rețeaua cristalină a graphene. Oamenii de știință pentru prima dată în lume, a reușit să obțină o imagine a structurii atomice a grafen HD (fig. 5), unde puteți asista la structura rețelei de grafen.
Fig. 5. Imaginea rețelei cristaline a substanțelor fine din lume. Lungimea barei scară - 2A
A mers chiar mai departe, cercetatorii de la Universitatea Cornell. foaie Grafena au reușit să creeze o grosime a membranei de numai un atom de carbon, și umfla-l ca un balon. Membrana a fost suficient de puternic pentru a rezista la presiunea gazului de mai multe atmosfere. Experimentul a fost după cum urmează. Pe un substrat de siliciu oxidat cu celulele gravate anterior au fost plasate foi grafen, care, din cauza forțelor van der Waals au fost prinse ferm pe suprafața de siliciu (Fig. 6a). Astfel sa format microcamerei, care ar putea deține gaz. Apoi, oamenii de știință au creat o diferență de presiune în interiorul și în exteriorul camerei (Fig. 6b). Folosind un microscop cu forță atomică, care măsoară amplitudinea forței de deflecție în consolă cu acul se simte la scanarea membranei la o înălțime de numai câțiva nanometri de la suprafață, cercetătorii nu au reușit să observe gradul de membrane concavitate-convexitate (Fig. 6c-e) atunci când presiunea este modificată la câteva atmosfere.
Fig. 6. (a) Reprezentarea schematică a Micro „sigilat“ grafen. (B) Secțiunea transversală a microcamerei cu o membrană etanșă. membrane arcuite (C) de imagine cu scăderea presiunii relative externe la presiunea gazului din interiorul camerei. membrană concavă (D) Imagine cu creșterea presiunii externe. (E) Modificarea adâncimii deformarea membranei cu timpul. Cea mai mică adâncime care corespunde interval de timp mu 71,3 ore, cea mai mare (175 nm) - 40 de minute de la începutul experimentului (adică după Microcamera a fost îndepărtat din vid). Fig. discuție a articolului J. Scott Bunch și colab. Impermeabila atomic Membranele de la Foi de grafen
Ulterior, membrana a fost folosită ca un tambur în miniatură pentru a măsura frecvența de vibrație atunci când schimbările de presiune. S-a constatat că heliu rămâne în Microcamera chiar și la presiune ridicată. Cu toate acestea, deoarece grafen utilizat în experiment nu a fost perfectă (are defecte de cristal), gazul seeped treptat prin membrana. Pe parcursul întregului experiment, care a durat mai mult de 70 de ore, a existat o scădere constantă a tensiunii membranei (Fig. 6e).
Creșterea rapidă a numărului de cercetare grafen arată că aceasta este într-adevăr, un material foarte promițătoare pentru o gamă largă de aplicații, ci să le traducă în practică a fost încă să fie construit și o mulțime de teorii dețin mai mult de o duzină de experimente.