Vetitë e grafenit dhe aplikimi i tij. “Shpresoj të zbuloj materiale më interesante se grafeni

Grafeni është materiali më i qëndrueshëm në tokë. 300 herë më i fortë se çeliku. Një fletë grafeni me një sipërfaqe prej një metër katror dhe një trashësi prej vetëm një atomi është në gjendje të mbajë një objekt që peshon 4 kilogramë. Grafeni, si një pecetë, mund të përkulet, paloset, shtrihet. Peceta e letrës është grisur në duar. Kjo nuk do të ndodhë me grafenin.

Forma të tjera të karbonit: grafeni, i përforcuar - grafeni përforcues , karabinë, diamant, fullerene, nanotuba karboni, mustaqe.

Përshkrimi i grafenit:

Grafeni është një formë alotropike dydimensionale e karbonit në të cilën atomet e kombinuara në një rrjetë kristali gjashtëkëndor formojnë një shtresë të trashë një atom. Atomet e karbonit në grafen janë të ndërlidhura me lidhje sp 2. Grafeni është fjalë për fjalë materie Tekstil.

Karboni ka shumë alotrope. Disa prej tyre, për shembull, diamanti dhe grafiti, janë njohur për një kohë të gjatë, ndërsa të tjerët u zbuluan relativisht kohët e fundit (10-15 vjet më parë) - fullerenet Dhe nanotuba karboni. Duhet theksuar se grafiti i njohur për shumë dekada është një pirg fletësh grafeni, d.m.th. përmban disa plane grafeni.

Në bazë të grafenit janë marrë substanca të reja: oksidi i grafenit, hidridi i grafenit (i quajtur grafan) dhe fluorografeni (produkt i reaksionit të grafenit me fluorin).

Grafeni ka veti unike që e lejojnë atë të përdoret në fusha të ndryshme.

Karakteristikat dhe përfitimet e grafenit:

Grafeni është materiali më i fortë në tokë. 300 herë më i fortë bëhet. Një fletë grafeni me një sipërfaqe prej një metër katror dhe një trashësi prej vetëm një atomi është në gjendje të mbajë një objekt që peshon 4 kilogramë. Grafeni, si një pecetë, mund të përkulet, paloset, shtrihet. Peceta e letrës është grisur në duar. Kjo nuk do të ndodhë me grafenin.

— falë strukturës dy-dimensionale të grafenit, është një material shumë fleksibël, i cili do ta lejojë atë të përdoret, për shembull, për thurjen e fijeve dhe strukturave të tjera të litarit. Në të njëjtën kohë, një "litar" i hollë grafeni do të jetë i ngjashëm në forcë me një litar çeliku të trashë dhe të rëndë,

- në kushte të caktuara, grafeni aktivizon një aftësi tjetër që i lejon atij të "shërojë" "vrima" në strukturën e tij kristalore në rast dëmtimi,

— Grafeni ka një përçueshmëri më të lartë elektrike. Grafeni praktikisht nuk ka rezistencë. Grafeni ka lëvizshmëri 70 herë më të lartë të elektroneve sesa silikon. Shpejtësia e elektroneve në grafen është 10,000 km/s, megjithëse në një përcjellës konvencional shpejtësia e elektroneve është rreth 100 m/s.

- ka kapacitet të lartë elektrik. Kapaciteti specifik energjetik i grafenit i afrohet 65 kWh/kg. Ky tregues është 47 herë më i lartë se ai që tani janë kaq të përhapura bateritë litium-jon,

— ka përçueshmëri të lartë termike. Është 10 herë më i përçueshëm termikisht bakri,

- karakterizohet nga transparencë e plotë optike. Thith vetëm 2.3% të dritës,

— filmi i grafenit lejon kalimin e molekulave të ujit dhe në të njëjtën kohë ruan të gjitha të tjerat, gjë që e lejon atë të përdoret si filtër uji,

- materiali më i lehtë. 6 herë më i lehtë se një stilolaps

— inertiteti ndaj mjedisit,

- thith mbetjet radioaktive.

Vetitë fizike të grafenit*:

*në temperaturën e dhomës.

Marrja e grafenit:

Mënyrat kryesore për të marrë grafen janë:

— eksfolimi mikromekanik i shtresave të grafitit (metoda Novoselov - metoda e shiritit ngjitës). Një kampion grafiti u vendos midis shiritave ngjitës dhe u qërua në mënyrë të njëpasnjëshme nga shtresat derisa të mbetej shtresa e fundit e hollë e përbërë nga grafeni,

— shpërndarja e grafitit në mjediset ujore,

— eksfolim mekanik;

— rritja epitaksiale në vakum;

— Ftohja e fazës kimike të avullit (procesi CVD),

— metoda e "djersitjes" së karbonit nga tretësirat në metale ose gjatë zbërthimit të karbiteve.

Marrja e grafenit në shtëpi:

Ju duhet të merrni një blender kuzhine me fuqi të paktën 400 vat. Në tasin e blenderit hidhen 500 ml ujë, duke i shtuar lëngut 10-25 mililitra çdo detergjent dhe 20-50 gramë plumb lapsi të grimcuar. Më pas, blenderi duhet të punojë nga 10 minuta në gjysmë ore derisa të shfaqet një pezullim i thekoneve të grafenit. Materiali që rezulton do të ketë përçueshmëri të lartë, gjë që do ta lejojë atë të përdoret në elektroda fotocelulare. Grafeni i prodhuar në shtëpi gjithashtu mund të përmirësojë vetitë e plastikës.

Aplikimet e Grafenit:

— energji diellore,

— trajtimi i ujit, filtrimi i ujit, shkripëzimi i ujit të detit,

— elektronikë (monitorë LCD, transistorë, mikroqarqe, etj.),

— në bateritë dhe burimet e energjisë. Bateria e grafenit i lejon makinës të kapërcejë 1000 km pa rimbushje, koha e karikimit të së cilës nuk është më shumë se 16 sekonda,

— bar. Shkencëtarët kanë zbuluar se thekon grafeni të oksidit të grafenit përshpejtojnë riprodhimin e qelizave staminale dhe rigjenerimin e qelizave kockore,

— krijimi i superkompoziteve,

— pastrimi i ujit nga ndotja radioaktive. Oksidi i grafenit largon shpejt substancat radioaktive nga uji i kontaminuar. Thekonet e oksidit të grafenit lidhen shpejt me radioizotopet natyrale dhe artificiale dhe i kondensojnë ato në trupa të ngurtë. Vetë thekonet janë të tretshme në lëng dhe janë të lehta për t'u prodhuar komercialisht.

myshk i stabilizuar

Printer shtëpie

Përdorimi i aluminit në vend të çelikut në motorë dhe...

Materiali për elektronikën e së ardhmes...

Përshpejtues i grimcave me përmasa të vogla (miniaturë)...

Kjo, duke premtuar një revolucion në shumë fusha të teknologjisë, nuk është aspak e sigurt. Mund të ketë efekte të dëmshme për shëndetin e njeriut dhe mjedisin.

Grafeni është një material me veti unike që shumë e lidhin me të. Grafeni është më i fortë se çeliku, fleksibël, ka përçueshmëri të lartë elektrike dhe përbëhet nga vetëm një shtresë atomesh karboni. Këto veti kanë çuar në faktin se materiali filloi të perceptohej si bazë për shumë shpikje "përparuese" të ardhshme të njerëzimit.

Megjithatë, deri vonë, askush nuk ishte angazhuar në një studim serioz të pasojave mjedisore të përdorimit të një materiali të ri. Pas një studimi të gjatë, shkencëtarët nga Universiteti i Kalifornisë në Riverside arritën në përfundimin se grafeni mund të jetë i rrezikshëm.

Doli se kur materiali hyn në ujërat nëntokësore, struktura gjashtëkëndore e grafenit fillon të shembet, mikrogrimcat shpejt humbasin stabilitetin e tyre, shkatërrohen dhe nuk mund të sjellin dëm të konsiderueshëm. Por ndotja me grafen e ujërave sipërfaqësore, të cilat përmbajnë më shumë lëndë organike dhe fortësi më të ulët, mund të jetë shumë më serioz. Struktura molekulare e grafenit është e tillë që zgjatjet e mprehta të nano-grimcave të materialit janë në gjendje të thyejnë membranat e qelizave të organizmave të gjallë, gjë që shkakton toksicitetin e tij. Shkencëtarët kërkojnë që të studiojnë vetitë e grafenit me sa më shumë kujdes që të jetë e mundur përpara se të përdoret në mënyrë aktive në prodhimin e elektronikës.

Megjithatë, ky zbulim nuk ka gjasa të ndalojë njerëzimin nga përdorimi në shkallë të gjerë i grafenit. Materiali ka veti kaq unike saqë thjesht nuk ka asgjë për ta zëvendësuar atë. Asnjë aliazh tjetër nuk mund të mburret me një përçueshmëri të tillë termike, forcë të jashtëzakonshme dhe përçueshmëri elektrike më të lartë nga të gjitha materialet e njohura. Lëvizshmëria e elektroneve në strukturat e grafenit është njëqind herë më e lartë se ajo e silikonit, i cili aktualisht është baza e pothuajse të gjithë elektronikës në planet.

Sipas vetive të tij, grafeni është shumë më i besueshëm se çeliku. Veglat e së ardhmes bazuar në të do të jenë shumë më rezistente ndaj dëmtimeve sesa ajo që kemi tani. Por kjo nuk është e gjitha - grafeni mund të përshpejtojë qasjen në internet njëqind herë, të çojë në një revolucion në industrinë e kompjuterave, duke rritur fuqinë e përpunuesve me disa shkallë të madhësisë. Grafeni ka gjetur aplikime në mjekësi, duke përforcuar ndërtesat e vjetra, prodhimin e energjisë elektrike dhe qindra aplikime të tjera.

Të parët që morën grafen në vitin 2004, ndërsa punonin në MB në Universitetin e Mançesterit, ishin emigrantët nga Rusia, Andrey Game dhe Konstantin Novoselov. Në vitin 2010, ata u nderuan me çmimin Nobel për kontributin e tyre në studimin e "materialit të së ardhmes".

Sot, të gjithë po flasin për vetitë e mahnitshme të grafenit. Një fletë grafeni me trashësi 1 atom dhe 0,01 milimetra gjerësi mund të përballojë presionin e një pike lapsi me një elefant të ulur në skajin tjetër. Sipas shkencëtarëve, prodhimi masiv i pajisjeve dhe teknologjive nga ky material do të fillojë në 2-3 vjet. Si mund të përdoret grafeni në jetën e përditshme?

Grafeni

Formula kimike: Cn

Përbëhet nga një shtresë atomesh. Ai u mor për herë të parë nga Andrey Geim dhe Konstantin Novoselov në 2004, për të cilin shkencëtarët u nderuan me çmimin Nobel. Një nga vetitë më të mahnitshme të grafenit është forca e tij e jashtëzakonshme në një trashësi shumë të vogël. Grafeni i pastër është një shtresë e sheshtë e atomeve individuale të karbonit që është një milion herë më e hollë se një fije floku e njeriut dhe 200 herë më e fortë se çeliku. Sidoqoftë, grafeni i pastër është i paqëndrueshëm (paloset në një tub), gjë që e bëri të vështirë marrjen e tij për një kohë të gjatë.

Rreth dy vjet më parë, fizikanët amerikanë zbuluan se plastika përzihet lehtësisht me grafen. Si rezultat i këtij zbulimi, u përftua një material super i fortë, nga i cili do të krijohen jo vetëm pajisje të thjeshta teknike, por edhe raketa hapësinore.

Kamera e smartfonit



Së fundmi, Nokia ka patentuar një matricë fotosensitive të përbërë nga disa shtresa grafeni. Më vonë doli se përdorimi i materialit në sensorët e kamerës do të rrisë ndjeshmërinë e tyre ndaj dritës me një mijë herë, dhe do të shpenzohet shumë më pak energji.

prezervativët

Së shpejti, shkencëtarët amerikanë do të fillojnë të krijojnë prezervativë nga grafeni dhe një material si lateksi. Ky zhvillim është nën mbikëqyrjen e ngushtë të Fondacionit Bill & Melinda Gates. Ky fond njihet jo vetëm për emrat e themeluesve të tij, por edhe për fushatat e mëdha për të luftuar SIDA-n.

Dekripëzimi i ujit të kripur

Me ndihmën e grafenit, procesi i shndërrimit të ujit të detit në ujë të freskët do të bëhet më i lirë. Filtri do të jetë një membranë grafeni me vrima të vogla. Këto vrima janë aq të vogla sa nuk lejojnë që grimcat e kripës të kalojnë. Pajisja do të jetë e fortë dhe e qëndrueshme, mund të përdoret për shkripëzimin e ujit në vëllime të mëdha.

Lentet e kontaktit

Vitin e kaluar, shkencëtarët koreanë zbuluan një prototip të lenteve të kontaktit LED me bazë grafeni. Për shkak të madhësisë së pajisjeve, do të jetë e mundur të prodhohen ekrane të implantuara në sy. Besohet se këto janë veglat që do të përdorim pas Google Glass.

kufje grafeni

Këto kufje përdorin një membranë grafeni me një rreze prej 7 mm dhe një trashësi prej 30 nm. Edhe një prototip i pa optimizuar i këtij modeli prodhoi një tingull të krahasueshëm në cilësi me markat e shtrenjta dhe të njohura. Shkencëtarët thonë se nëse modifikoni dhe optimizoni këtë membranë, mund të arrini rezultate mbresëlënëse.

Ekranet me prekje

Elektrodat e grafenit janë shumë të qëndrueshme dhe më transparente se homologët modernë të kallajit-indiumit. Për më tepër, teknologjia e re është më e lirë dhe më miqësore me mjedisin, pasi nuk kërkon përdorimin e metaleve të rralla.

Disqet flash "të përjetshëm".

Grafeni mund të përdoret për të krijuar memorie flash që do të ruajë informacionin për një kohë të gjatë. Shkencëtarët kanë treguar se një flash drive konvencional humbet gjysmën e informacionit të regjistruar në 10 vjet, ndërsa homologu i tij grafen humbet vetëm 8%. Kjo teknologji mund të aplikohet kudo ku ka nevojë për memorie flash të qëndrueshme, për shembull, në procesorë.

Bateritë me karikim të shpejtë

Përveç forcës së tij të jashtëzakonshme, grafeni ka edhe veti të shkëlqyera përcjellëse. Shkencëtarët kanë propozuar një mënyrë për të krijuar një superkondensator duke përdorur një disk DVD. Ndodh kështu: disku optik është i mbuluar me një shtresë oksidi grafiti, dhe më pas skicat e elektrodave digjen nga lazeri i ndezësit DVD. Nën veprimin e një lazeri të kuq, oksidi i grafitit shndërrohet në grafen, përçueshmëria elektrike e të cilit është 6 herë më e lartë se ajo e materialit origjinal. Në më pak se gjysmë ore, është e mundur të merren më shumë se 100 superkondensatorë grafeni në një disk, secili prej të cilëve tashmë mund të përdoret si bateri.

Jo shumë kohë më parë, Samsung njoftoi se shkencëtarët e saj kanë zbuluar një mënyrë të lirë për të prodhuar grafen në masë. Në këtë artikull, ne do të përpiqemi të shpjegojmë se çfarë është grafeni dhe pse zakonisht quhet "materiali i së ardhmes".

Çfarë është grafeni?

Grafeni është një formë alotropike dydimensionale e karbonit në të cilën atomet e kombinuara në një rrjetë kristali gjashtëkëndor formojnë një shtresë të trashë një atom. Grafeni u zbulua në vitin 2004 nga dy emigrantë nga Rusia - Andrey Geim dhe Konstantin Novoselov - të cilët, siç ndodh shpesh, nuk mund të realizonin potencialin e tyre shkencor në vendin e tyre të lindjes dhe u larguan për të punuar në Holandë dhe Britaninë e Madhe, përkatësisht. Për zbulimin e grafenit, Geim dhe Novoselov morën çmimin Nobel në Fizikë në vitin 2010.

Zbuluesit e grafenit Andrey Geim dhe Konstantin Novoselov

Pse është ai interesant?

Vetitë e pazakonta të grafenit premtojnë një të ardhme të ndritur për këtë material. Rendisim vetëm disa prej tyre, të cilat, sipas mendimit tonë, janë me interes maksimal.

Le të fillojmë me vetitë mekanike. Grafeni ka një forcë shumë të lartë. Një fletë grafeni me një sipërfaqe prej një metër katror (dhe, kujtoni, vetëm një atom të trashë!) Është në gjendje të mbajë një objekt që peshon 4 kilogramë. Për shkak të strukturës dy-dimensionale, grafeni është një material shumë fleksibël, i cili në të ardhmen do të lejojë që ai të përdoret, për shembull, për thurjen e fijeve (në këtë rast, një "litar" i hollë grafeni do të jetë i ngjashëm në forcë me një litar çeliku i trashë dhe i rëndë). Për më tepër, në kushte të caktuara, grafeni është në gjendje të "shërojë" "vrima" në vetë strukturën e tij kristalore.

Grafeni është një material me përçueshmëri shumë të lartë të energjisë elektrike dhe nxehtësisë, duke e bërë atë ideal për aplikime në një sërë pajisjesh elektronike, veçanërisht duke marrë parasysh fleksibilitetin dhe transparencën e plotë optike. Tashmë janë bërë qeliza diellore eksperimentale, në të cilat grafeni përdoret si zëvendësim për selenidin e indiumit relativisht të shtrenjtë. Në të njëjtën kohë, qelizat diellore "grafen" demonstrojnë efikasitet më të lartë.

Nënshtresë fleksibël me elektroda grafeni

Një aplikim tjetër i mundshëm i grafenit është krijimi i elektronikës fleksibël dhe, në veçanti, ekraneve fleksibël. Aktualisht, ekranet (si kristal i lëngët ashtu edhe OLED) përdorin oksid kallaji indium si një përcjellës transparent, i cili është relativisht i shtrenjtë dhe i brishtë. Në këtë kuptim, forca dhe fleksibiliteti i lartë i grafenit e bëjnë atë një kandidat ideal zëvendësues. Përdorimi i gjerë i grafenit sigurisht që do t'i japë një shtysë të mirë zhvillimit të pajisjeve elektronike të veshura, pasi do të lejojë që çipat të futen në rroba, letër dhe gjëra të tjera të përditshme.

Pllakë testimi me çipa "grafeni" të IBM

Grafeni konsiderohet gjithashtu si një material premtues për krijimin e transistorëve me efekt në terren, i cili hap mundësi të gjera për miniaturizimin e elektronikës. Për shembull, kohët e fundit është zakon të thuhet se i famshëm "ligji i Moore" së shpejti do të shterojë vetveten, pasi transistori klasik i silikonit nuk mund të reduktohet pafundësisht. Në të njëjtën kohë, transistorët që përdorin grafen mund të bëhen shumë të vegjël pa humbur vetitë e dobishme. IBM ka njoftuar tashmë krijimin e qarqeve të integruara të bazuara në tranzistorë grafeni, të cilët janë gjithashtu të aftë të funksionojnë pa probleme në temperatura deri në 128 gradë Celsius.

Skema e funksionimit të filtrit të grafenit

Filmi grafeni doli gjithashtu të ishte një filtër i shkëlqyer uji, pasi lejon që molekulat e ujit të kalojnë duke mbajtur të gjitha të tjerat. Ndoshta në të ardhmen kjo do të ndihmojë në uljen e kostos së shkripëzimit të ujit të detit. Disa muaj më parë, Lockheed Martin prezantoi një filtër uji grafeni të quajtur Perforene, për të cilin prodhuesi pretendon se redukton kostot e energjisë të shkripëzimit me 99%.

Së fundi, nuk mund të mos vërejmë se Fondacioni Bill & Melinda Gates dha një grant prej 100,000 dollarësh vitin e kaluar për "zhvillimin e materialeve të reja elastike të prezervativëve të përbërë që përfshijnë nanomateriale të llojit grafen".

Në lëndën e thatë

Çdo epokë ka zbulimin e vet kyç që përcakton ritmin dhe drejtimin e përparimit për shumë vite në vijim. Për shembull, metalurgjia u bë baza e revolucionit industrial dhe shpikja e tranzistorit gjysmëpërçues në shekullin e 20-të bëri të mundur shfaqjen e botës moderne siç e njohim ne. A do të bëhet grafeni një material kaq i mrekullueshëm i shekullit të 21-të, i cili do të na lejojë të krijojmë pajisje për të cilat tani nuk kemi asnjë ide? Mund të jetë fare mirë. Ndërkohë, kërkimet në këtë fushë mund t'i ndjekim vetëm me interes.

MINISTRIA E ARSIMIT DHE SHKENCËS SË UKRAINËS

Universiteti Shtetëror Pedagogjik Sllav

DEPARTAMENTI I FIZIKES

PUNA KURSI

Në temën: Grafeni dhe vetitë e tij. Çmimi Nobel në Fizikë 2010

E kryer

student i vitit të 3-të,

Fakulteti i Fizikës dhe Matematikës, grupi 3

Shcherbina I.L.

Mësues

Kostikov A.P.

Slavyansk 2011

1. Historia e zbulimit

2. Dëftesa

3. Defektet

4. Aplikimet e mundshme

5.1 Teoria

5.1.1 Struktura kristalore

5.1.2 Struktura e brezit

5.1.3 Ligji i dispersionit linear

5.1.4 Masa efektive

5.1.5 Kiraliteti dhe paradoksi i Klein

5.2 Eksperimentoni

5.2.1 Përçueshmëria

5.2.2 Efekti Kuantik Hall

6. Fakte interesante

Letërsia

1. Historia e zbulimit

Grafeni është një kristal dydimensional i përbërë nga një shtresë e vetme atomesh karboni të rregulluar në një rrjetë gjashtëkëndore. Hulumtimi i tij teorik filloi shumë përpara se të merreshin mostrat reale të materialit, pasi grafeni mund të mblidhet në një kristal grafiti tredimensional.

Grafeni është baza për ndërtimin e teorisë së këtij kristali. Grafiti është një gjysmë metal. Siç tregohet në 1947 nga P. Wallace, gjithashtu nuk ka hendek brezi në strukturën e brezit të grafenit, dhe në pikat e kontaktit midis brezit të valencës dhe brezit të përcjelljes, spektri i energjisë i elektroneve dhe vrimës është linear në funksion të vektorit të valës. Ky lloj spektri zotërohet nga fotone pa masë dhe grimca ultrarelativiste, si dhe nga neutrinot. Prandaj, thuhet se masa efektive e elektroneve dhe vrimave në grafen pranë pikës së kontaktit midis zonave është e barabartë me zero. Por këtu vlen të përmendet se përkundër ngjashmërisë së fotoneve dhe bartësve pa masë, ekzistojnë disa dallime domethënëse në grafen që i bëjnë transportuesit në grafen unik në natyrën e tyre fizike, domethënë: elektronet dhe vrimat janë fermione dhe ato janë të ngarkuara. Aktualisht, nuk ka analoge për këto fermione të ngarkuara pa masë midis grimcave elementare të njohura.

Pavarësisht këtyre veçorive specifike, këto përfundime nuk morën konfirmim eksperimental deri në vitin 2005, pasi nuk ishte e mundur të krijohej grafen. Për më tepër, edhe më herët u vërtetua teorikisht se një film ideal dydimensional i lirë nuk mund të merret për shkak të paqëndrueshmërisë në lidhje me palosjen ose përdredhjen. Luhatjet termike çojnë në shkrirjen e një kristali dydimensional në çdo temperaturë të fundme.

Interesi për grafen u rishfaq pas zbulimit të nanotubave të karbonit, pasi e gjithë teoria fillestare u bazua në një model të thjeshtë të një nanotubi si një cilindër që shpaloset. Prandaj, teoria për grafenin siç aplikohet në nanotuba është e zhvilluar mirë.

Përpjekjet për të lidhur grafin me një material tjetër filluan me eksperimente duke përdorur një laps të thjeshtë dhe vazhduan me përdorimin e një mikroskopi të forcës atomike për të hequr mekanikisht shtresat e grafitit, por nuk ishin të suksesshme. Përdorimi i grafitit me atome të huaja të ngulitura (grafit i ndërthurur) në hapësirën ndërplanare (që përdoret për të rritur distancën midis shtresave ngjitur dhe për t'i ndarë ato) gjithashtu nuk çoi në një rezultat.

Në vitin 2004, shkencëtarët rusë dhe britanikë botuan një punim në revistën Science, i cili raportonte mbi prodhimin e grafenit në një substrat silikoni të oksiduar. Kështu, stabilizimi i një filmi dydimensional u arrit për shkak të pranisë së një lidhjeje me një shtresë të hollë dielektrike SiO2, në mënyrë të ngjashme me filmat e hollë të rritur duke përdorur MBE. Përçueshmëria, efekti Shubnikov-de Haas dhe efekti Hall u matën për herë të parë për mostrat e përbërë nga filma karboni me trashësi atomike.

Metoda e eksfolimit është mjaft e thjeshtë dhe fleksibël, pasi ju lejon të punoni me të gjitha kristalet me shtresa, domethënë ato materiale që shfaqen si shtresa të dobëta (krahasuar me forcat në plan) të çiftëzuara të kristaleve dydimensionale. Në punën e mëvonshme, autorët treguan se mund të përdoret për të marrë kristale të tjera dy-dimensionale: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

2. Dëftesa

Pjesët e grafenit përftohen me veprim mekanik në grafit të ngjashëm me grafit pirolitik shumë të orientuar. Së pari, copat e sheshta të grafitit vendosen midis shiritave ngjitës (shirit ngjitës) dhe ndahen vazhdimisht, duke krijuar shtresa mjaft të holla (ndërmjet shumë filmave, mund të hasen ato me një shtresë dhe dy shtresa, të cilat janë me interes). Pas qërimit, shiriti ngjitës me filma të hollë grafiti shtypet kundër një nënshtrese silikoni të oksiduar. Në këtë rast, është e vështirë të merret një film i një madhësie dhe forme të caktuar në pjesë të fiksuara të nënshtresës (dimensionet horizontale të filmave janë zakonisht rreth 10 μm). një trashësi dielektrike prej 300 nm) përgatiten për matje. Trashësia mund të përcaktohet duke përdorur një mikroskop të forcës atomike (mund të ndryshojë brenda 1 nm për grafen) ose duke përdorur shpërndarjen Raman. Duke përdorur litografi standarde elektronike dhe gravurë reaktive të plazmës, forma e filmit vendoset për matjet elektrofizike.

Copa grafeni mund të bëhen gjithashtu nga grafiti duke përdorur metoda kimike. Së pari, mikrokristalet e grafitit ekspozohen ndaj një përzierjeje të acideve sulfurik dhe klorhidrik. Grafiti oksidohet dhe grupet karboksil të grafenit shfaqen në skajet e kampionit. Ato shndërrohen në kloride me klorur tionil. Më pas, nën veprimin e oktadecilaminës në tretësirat e tetrahidrofuranit, tetraklorometanit dhe dikloroetanit kalojnë në shtresa grafeni me trashësi 0,54 nm. Kjo metodë kimike nuk është e vetmja, dhe duke ndryshuar tretësit organikë dhe kimikatet, është e mundur të përftohen shtresa nanometërsh grafiti.

Artikujt përshkruajnë një metodë tjetër kimike për marrjen e grafenit të ngulitur në një matricë polimer. Duhet të përmenden dy metoda të tjera: depozitimi i avullit kimik me plazmë me radio-frekuencë (eng. PECVD), rritja në presion dhe temperaturë të lartë (eng. HPHT) . Nga këto metoda, vetëm kjo e fundit mund të përdoret për të marrë filma me sipërfaqe të madhe.

Nëse një kristal grafiti pirolitik dhe një substrat vendosen midis elektrodave, atëherë është e mundur të sigurohet që pjesët e grafitit nga sipërfaqja, ndër të cilat mund të ketë filma me trashësi atomike, nën veprimin e një fushe elektrike mund të lëvizin në substrat silikoni i oksiduar. Për të parandaluar prishjen (ndërmjet elektrodave u aplikua tension nga 1 deri në 13 kV), midis elektrodave u vendos edhe një pllakë e hollë mikë.

Ekzistojnë gjithashtu disa raporte mbi prodhimin e grafenit të rritur në nënshtresat e karbitit të silikonit SiC(0001). Një film grafiti formohet nga dekompozimi termik i sipërfaqes së substratit SiC (kjo metodë e marrjes së grafenit është shumë më afër prodhimit industrial), dhe cilësia e filmit të rritur varet nga stabilizimi i kristalit: C- stabilizuar ose Si- sipërfaqe e stabilizuar - në rastin e parë, cilësia e filmave është më e lartë. Në punime, i njëjti grup studiuesish tregoi se, pavarësisht nga fakti se trashësia e shtresës së grafitit është më shumë se një shtresë e vetme, vetëm një shtresë në afërsi të nënshtresës merr pjesë në përçueshmëri, pasi një ngarkesë e pakompensuar formohet në ndërfaqja SiC-C për shkak të ndryshimit në funksionet e punës të dy materialeve. . Vetitë e një filmi të tillë doli të ishin ekuivalente me ato të grafenit.

3. Defektet

Grafeni ideal përbëhet ekskluzivisht nga qeliza gjashtëkëndore. Prania e qelizave pesë dhe shtatëkëndore do të çojë në lloje të ndryshme defektesh.

Prania e qelizave pesëkëndore çon në palosjen e planit atomik në një kon. Një strukturë me 12 defekte të tilla njëkohësisht njihet si një fullerene. Prania e qelizave heptagonale çon në formimin e lakimeve të shalës të planit atomik. Kombinimi i këtyre defekteve dhe qelizave normale mund të çojë në formimin e formave të ndryshme të sipërfaqes.

4. Aplikimet e mundshme

Besohet se grafeni mund të përdoret për të krijuar një tranzistor balistik. Në mars 2006, një grup studiuesish nga Instituti i Teknologjisë i Gjeorgjisë njoftuan se kishin marrë një transistor me efekt në terren të bazuar në grafen, si dhe një pajisje për ndërhyrje kuantike. Studiuesit besojnë se falë arritjeve të tyre, së shpejti do të shfaqet një klasë e re nanoelektronike grafeni me trashësi bazë tranzistor deri në 10 nm. Ky tranzistor ka një rrymë të madhe rrjedhjeje, domethënë është e pamundur të ndahen dy gjendje me një kanal të mbyllur dhe të hapur.

Nuk është e mundur të përdoret grafeni drejtpërdrejt kur krijohet një transistor me efekt në terren pa rryma rrjedhje për shkak të mungesës së një hendeku brezi në këtë material, pasi është e pamundur të arrihet një ndryshim i rëndësishëm në rezistencë në çdo tension të aplikuar në portë, d.m.th. , nuk është e mundur të vendosen dy gjendje të përshtatshme për logjikën binare: përçuese dhe jopërçuese. Së pari ju duhet të krijoni disi një hendek brezi me gjerësi të mjaftueshme në temperaturën e funksionimit (në mënyrë që transportuesit e ngacmuar termikisht të japin një kontribut të vogël në përçueshmëri). Një nga mënyrat e mundshme është propozuar në vepër. Ky artikull propozon krijimin e shiritave të hollë grafeni me një gjerësi të tillë që, për shkak të efektit të madhësisë kuantike, hendeku i brezit të jetë i mjaftueshëm për kalimin në gjendjen dielektrike (gjendja e mbyllur) e pajisjes në temperaturën e dhomës (28 meV korrespondon me një gjerësia e shiritit prej 20 nm). Për shkak të lëvizshmërisë së lartë (që do të thotë se lëvizshmëria është më e lartë se në silikonin e përdorur në mikroelektronikë) 104 cm²·V−1·s−1, shpejtësia e një transistori të tillë do të jetë dukshëm më e lartë. Përkundër faktit se kjo pajisje tashmë është e aftë të funksionojë si një tranzistor, porta për të ende nuk është krijuar.

Një fushë tjetër e aplikimit e propozuar në artikull është përdorimi i grafenit si një sensor shumë i ndjeshëm për zbulimin e molekulave kimike individuale të ngjitura në sipërfaqen e filmit. Në këtë punë u hetuan substanca të tilla si NH3, CO, H2O, NO2. Një sensor 1 μm × 1 μm u përdor për të zbuluar lidhjen e molekulave individuale të NO2 me grafen. Parimi i funksionimit të këtij sensori është se molekula të ndryshme mund të veprojnë si dhurues dhe pranues, gjë që nga ana tjetër çon në një ndryshim në rezistencën e grafenit. Në këtë punim, ne studiojmë teorikisht ndikimin e papastërtive të ndryshme (të përdorura në eksperimentin e përmendur më lart) në përçueshmërinë e grafenit. Në punim u tregua se molekula NO2 është një pranues i mirë për shkak të vetive të saj paramagnetike, molekula adiamagnetike N2O4 krijon një nivel afër pikës së elektroneutralitetit. Në rastin e përgjithshëm, papastërtitë, molekulat e të cilave kanë një moment magnetik (një elektron i paçiftuar) kanë veti më të forta dopingu.