Химики научились получать оксид графена без вреда для окружающей среды

S. Pei et al./ Nature Communications, 2018

Китайские химики разработали метод получения оксида графена, безопасный для окружающей среды. Предложенный подход основан на электрохимическом окислении и примерно в 100 раз быстрее окисления традиционными методами, пишут ученые в Nature Communications. 

Оксид графена — материал, очень похожий на графен: он тоже состоит из гексагональной двумерной решетки из атомов углерода, но, в отличие от графена, в нем присутствуют поры, а на границах решетки к атомам углерода присоединены кислород-содержащие группы (в первую очередь это гидрокси-, эпокси- и карбоксильные группы). По своим механическим свойствам оксид графена довольно близок к самому графену, однако его химические и электронные свойства несколько отличаются. Это, например, позволяет делать из него более эффективные мембраны для фильтрования воды и органических растворителей или сенсоры для определения влажности воздуха. Обычно оксид графена получают с помощью окисления графена сильными окислителями, в частности с помощью перманганата калия в процессе синтеза по методу Хаммерса. Однако такие методы занимают достаточно долгое время, при этом в большинстве случаев реакционная смесь является взрывоопасной, а некоторые из продуктов реакции оказываются вредны для окружающей среды.

Китайские химики под руководством Вэньцая Жэня (Wencai Ren) из Шэньянского института исследования металлов предложили для синтеза оксида графена использовать электролитическое окисление в водном растворе. По словам авторов работы, в отличие от используемых сейчас методов, такой подход использует только методы «зеленой химии», поэтому не представляет опасности для окружающей среды.

Для получения оксида графена химики предложили следующую методику. Сначала графитовую бумагу погружают в раствор 98-процентной серной кислоты и выдерживают в ней в течение 20 минут при напряжении 1,6 вольта. Это позволяет гидросульфат-ионам встроиться между углеродными слоями. После этого кислоту разбавляют примерно в два раза, а напряжение увеличивают до 5 вольт. Минутная обработка графита в таких условиях приводит к образованию оксида графита. После этого полученный материал очищают с помощью вакуумной фильтрации и с помощью ультразвука в воде трехмерную многослойную структуру разбивают на отдельные слои оксида графена.

Схема электролитического метода получения оксида графена

S. Pei et al./ Nature Communications, 2018

Полученный оксид графена ученые сравнили с оксидом графена, полученным традиционным методом Хаммерса, и оказалось, что по своим структуре, составу, оптическим и проводящим свойствам практически не отличается от аналогов. При этом, по словам ученых весь процесс получения таким образом занимает не более получаса, а непосредственно стадия окисления занимает всего несколько секунд, что примерно в 100 раз быстрее традиционных методов окисления. При этом методика позволяет контролировать степень окисления графена, число слоев в образовавшемся материале, а также его поперечные размеры с помощью изменения концентрации серной кислоты.

Чтобы показать, что полученный оксид графена можно использовать для создания функциональных материалов, ученые использовали его для создания проводящих прозрачных пленок, прочной бумаги и сверхлегких упругих аэрогелей — наиболее распространенных современных приложений для оксида графена. По своим параметрам полученные материалы не уступали полученным традиционными способами: прозрачность проводящих пленок составила 80 процентов при длине волны 550 нанометров, механическая прочность бумаги — 175 мегапаскалей, а плотность аэрогеля — 3 миллиграмма на кубический сантиметр.

Оксид графена часто используют в качестве вещества, из которого потом с помощью восстановления получают графен. Такой графен содержит большое количество дефектов и может использоваться для создания проводимой ткани очень большой площади, из которой можно делать элементы, например, для носимых сенсоров и другой электроники.

Александр Дубов

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Электроника НТБ

Что такое графен?

Графен (C62h30) – одноатомный слой молекул углерода – относится к впечатляющему семейству углеродов, которое включает его трехмерные (алмаз, полуметаллы – графит), одномерные (полупроводники или металлы – углеродные нанотрубки) и нульмерные (фуллерены) аллотропные формы. Двухмерную аллотропную форму углерода, получившую название графен, описанную теоретически более 60 лет назад и широко используемую для описания свойств различных материалов на основе углерода, очень долго не удавалось получить практически, поскольку считалось, что двухмерные кристаллы не могут существовать из-за своей нестабильности. Это мнение было опровергнуто лишь в 2004 году, когда совместными усилиями ученых Манчестерского университета (Великобритания) под руководством профессора Андре Гейма и российского Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых металлов в Черноголовке под руководством доктора К.Новоселова удалось получить и воспроизвести структуру графена [1]. Сначала ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем «промокнули» ее лентой обычного скотча, подобно тому, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев. После отшелушивания скотч с многочисленными тонкими пленками графита и графена прижимали к подложке кремния со слоем SiO2 тщательно выбранной толщины. При этом трудно получить пленку, или скорее «лист», графена определенного размера и формы в фиксированных областях подложки. Поэтому главной составляющей успеха оказалась возможность найти с помощью оптического микроскопа слабую интерференционную картину образцов одноатомных слоев графита, перенесенных на поверхность кремниевой подложки. Авторы считают, что если бы не этот достаточно простой, но эффективный способ сканирования подложки в поисках кристаллов графена, их, вероятно, не открыли бы и по сей день.

Таким образом, графен представляет собой двухмерную аллотропную форму углерода с гексагональной кристаллической решеткой, формируемой тремя из четырех внешних электронов атома с sp2-связями. При этом атом имеет три ближайших соседних атома. Несвязанные четвертые электроны находятся на вертикальных орбиталях, простирающихся над и под плоскостью кристаллической решетки. Присутствие пентагональных (пятиугольных) или гептагональных (семиугольных) кристаллических ячеек считается признаком наличия дефектов. В присутствии пентагональной ячейки плоскость материала сворачивается в конус. Присутствие 12 пентагональных ячеек вызывает формирование фуллерена. Введение гептагональных ячеек приводит к формированию плоскости седлообразной формы. Контролируемое добавление пентагональных и гептагональных ячеек позволяет формировать разнообразные виды материала.

Уникальные свойства графена обусловлены его кристаллической и электронной структурами. В полупроводниках носители заряда (электроны и дырки) взаимодействуют с периодическим полем кристаллической решетки, приводя к образованию квазичастиц (возбужденных состояний, ведущих себя как реальные частицы). Энергия квазичастиц в твердом теле зависит от их момента и описывается их энергетическим состоянием, находящимся либо в заполненной валентной зоне, либо в относительно «пустой» зоне проводимости. Эти энергетические зоны разделены запрещенной зоной, в которой энергетические состояния отсутствуют.

Кристаллическая структура графена состоит из двух эквивалентных подрешеток, что приводит к образованию двух энергетических зон и двух «конических» точек на уровне нулевого заряда носителей К и К’, в которых валентная зона и зона проводимости соприкасаются. В результате носители заряда в графене ведут себя как фотоны, или безмассовые квазичастицы с постоянной «эффективной» скоростью света (скоростью Ферми) νF ≈ 106 м/с, которые при низких значениях энергии описываются релятивистским уравнением Дирака. При этом электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с полуцелым значением спина, и они заряжены. В настоящее время аналогов для таких безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Нулевая масса носителей заряда графена обусловливает их исключительно высокую подвижность – параметр, характеризующий пригодность материала для применения в современной электронике. Согласно измерениям рассеяния акустических фотонов графена, выполненных группой ученых под руководством А.Гейма и К.Новоселова, впервые сумевших в 2004 году получить графен, предельное значение подвижности носителей в этом материале при комнатной температуре и плотности носителей 1012 см-2 составляет 20 м2/В·с. (Подвижность носителей в кремнии составляет 0,15 м2/В·с, в широко используемом арсениде галлия – 0,85 м2/В·с.) Соответствующее значение удельной проводимости слоя графена составляет 10-6 Ом·см. Однако при измерении подвижности носителей графена, нанесенного на слой двуоксида кремния, рассеяние электронов фотонами подложки приводит к снижению значения подвижности до 4 м2/В·с, что тем не менее по-прежнему больше, чем у кремния и полупроводниковых соединений. При повышении температуры подвижность падает. Это связано с тем, что графен не представляет собой идеально плоский лист и имеет рифленую поверхность. При повышении температуры морщины и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электронов. Группа Гейма полагает, что в графене с более плоской поверхностью подвижность электронов будет еще выше. И действительно, сейчас ведутся работы по получению свободновисящих пленок графена, что должно увеличить подвижность носителей до 200 м2/В·c. Полученные значения подвижности свидетельствуют о том, что электроны могут перемещаться в графене на большие расстояния баллистически (без столкновений) и при комнатной температуре. Это свойство графена делает его многообещающим материалом будущих наноэлектронных систем [2].

Отсутствие запрещенной зоны в графене означает, что, хотя на его базе можно изготовить «углеродный полевой транзистор», никакое внешнее напряжение не сможет закрыть этот транзистор. И здесь возникает вопрос, как использовать необычайно высокую подвижность носителей заряда графена в наноэлектронике? Очевидно первое, что надо сделать, – это «открыть» запрещенную зону. Сейчас активно изучаются два способа получения в графене запрещенной зоны ощутимой ширины при комнатной температуре.

По-видимому, решить поставленную задачу можно достаточно простым способом – сформировать потенциал, по-разному действующий на две подрешетки графена. Объединение двух листов графена в двухслойный материал приводит к формированию четырех энергетических зон, две из которых соприкасаются, благодаря чему такой материал по-прежнему не имеет запрещенной зоны. Но в отличие от однослойного графена, носители заряда в двухслойном материале при приложении внешнего электрического поля могут иметь массу, что свидетельствует о возможности «открытия» запрещенной зоны и управления ее шириной. Ученым Калифорнийского университета в Беркли под руководством Фенг Ванга удалось показать, что при изменении внешнего напряжения, приложенного к двухслойному графену, от 0 до 250 мВ [3] можно управлять шириной запрещенной зоны материала в пределах от 0 до 250 мэВ (ширина запрещенной зоны германия и кремния составляет ~740 и 1200 мэВ соответственно). Отмечается, что для получения столь впечатляющего результата было принято два важных решения. Во-первых, был изготовлен двухзатворный полевой транзистор, что позволило независимо управлять шириной запрещенной зоны и электрическим легированием материала. Нанополевой транзистор был выполнен на кремниевой подложке, которая служила его нижним затвором. Слой двуокиси кремния малой толщины отделял подложку-затвор от двухслойного графена, поверх которого был нанесен слой прозрачной окиси алюминия. Вторым затвором служила платина, выращенная на пленке окиси алюминия.

Второе решение, позволившее зарегистрировать появление запрещенной зоны и управлять ее шириной, заключалось в отказе от измерения электрического сопротивления графена. Вместо этого с помощью пучка синхротронного ИК-излучения, формируемого аппаратурой Advanced Light Source (ALS), регистрировалась оптическая пропускная способность графена. Варьируя напряжения затворов, ученые фиксировали изменение поглощаемого графеном излучения. Пик поглощения в каждом спектре соответствовал ширине запрещенной зоны для заданного напряжения затвора. Таким образом, путем независимого управления напряжением двух затворов ученые Калифорнийского университета показали возможность изменять ширину запрещенной зоны графена в достаточно широком диапазоне плюс возможность независимого задания его энергетических состояний за счет «электрического легирования» материала. Правда, проведенные эксперименты лишь показали, что графен пригоден для применения в наноэеклтронике. Для получения приборов с требуемыми характеристиками потребуется большой объем работ, в первую очередь по повышению чистоты материала.

Но сегодня особо привлекательным представляется способ формирования запрещенной зоны в однослойном графене за счет создания структур нулевого размера, так называемых графеновых нанолент (Graphene NanoRibbon, GNR). Исследования показали, что в зависимости от атомной структуры краев – креслоподобной (armchair) или зигзагообрзной (Zig-Zag) (рис.1) – нанолента графена, длина которой не намного больше ее ширины, может иметь свойства металла или полупроводника. Наноленты, формируемые путем разрезания листа графена вдоль зерен, имеют зигзагообразную структуру и характеризуются в основном свойствами металла, тогда как при разрезании листа вдоль зерен образуется креслоподобная структура. В графеновой ленте такой структуры возможно наличие запрещенной зоны и, следовательно, полупроводниковых свойств. При этом, как показали расчеты специалистов Политехнического института Ренсселира, шириной запрещенной зоны можно управлять, изменяя длину наноленты [4].

Наноленты формируются либо методами литографии и травления (как и элементы полупроводниковых приборов), либо сочетанием термического и ультразвукового отшелушивания графита из раствора и нанесения его на подложку.

Возможность получения лент графена с металлическими свойствами позволит отказаться от применения проводников в наносхемах. Это устраняет главное препятствие для применения в электронных схемах углеродных нанотрубок, сопротивление которых при присоединении металлических проводников существенно повышается. Работы ученых Института технологии штата Джорджия по анализу удельного сопротивления графеновых нанолент шириной 18 нм и длиной 0,2–1 мкм показали, что при комнатной температуре наноленты по этому параметру не отличаются от медных проводников того же размера [5, 6]. Поскольку параметры графеновых нанолент с неоптимизированными свойствами сравнивались с оптимистическими оценками удельной проводимости медных проводников малой ширины, исследователи считают, что в конечном итоге графен по своим характеристикам превзойдет традиционный проводящий материал. И не только по удельной проводимости, но и по более высокой подвижности носителей, теплопроводности, механической прочности и меньшей емкостной связи между соседними проводящими линиями. Благодаря этому достигается большая гибкость при построении различных наноэлектронных приборов с требуемыми характеристиками.

Плоские графеновые листы легко обрабатываются с помощью ионно-лучевой литографии, их можно нарезать на наноленты. Здесь интерес представляет предложенный специалистами Пенсильванского университета метод получения нанолент путем травления листов, содержащих несколько слоев графена, вдоль определенных кристаллографических направлений с помощью наночастиц железа.

Интерес представляет и работа ученых Политехнического института Ренсселира Сародж Наяка и Филиппа Шемелла по «настройке» свойств графена путем выращивания его на различных подложках [7]. Исследования показали, что при нанесении на поверхность, обработанную кислородом, графен приобретает свойства полупроводника, а при нанесении на поверхность, обработанную водородом, – свойства металла.

Таким образом, появилась возможность использования графеновых нанолент для формирования межсоединений и активных электронных приборов. И этой возможностью не пренебрегли крупнейшие электронные компании.
Графеновый транзистор

В конце 2008 года компания IBM объявила о разработке графенового полевого транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Тем самым был сделан важный шаг на пути выполнения программы создания углеродной электроники для ВЧ-применений (Carbon Electronics for RF Applications, CERA), спонсируемой DARPA и выполняемой под руководством Центра космических и военно-морских систем США (Space and Naval Warfare Systems Center, SNWSC).

Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см) (рис.2). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии (Atomic Layer Deposition, ALD) при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку (рис.2б), чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм [8].

Для выявления проблем, влияющих на окончательные параметры прибора, после каждой технологической операции измерялись электрические характеристики транзистора по постоянному току. Было получено, что подвижность носителей до осаждения диэлектрика затвора µeff составляла 400 см2/В·с, после осаждения диэлектрика µeff существенно уменьшилась (рис.3).

В созданных компанией IBM графеновых полевых транзисторах заряд переносят электроны и дырки при положительных и отрицательных значениях напряжения соответственно. Минимальная проводимость соответствует точке Дирака, где вклад электронов и дырок в перенос заряда одинаков. Напряжение верхнего затвора транзистора слабо влияет на значение минимальной проводимости или ток, указывая на то, что металлизация электродов верхнего затвора не изменяет свойства графенового канала. Было установлено, что в полевых транзисторах с верхними затворами зависимость тока стока от напряжения ID(VD) почти линейная до напряжения 1,6 В. Отсутствие насыщения тока – следствие нулевой запрещенной зоны графена. Вероятно, насыщение тока в графеновых транзисторах возможно при более высоких значениях напряжения смещения. Но для достижения требуемой скорости насыщения при представляющих интерес значениях напряжения стока подвижность носителей очевидно должна быть более высокой.

Измерения высокочастотных характеристик графеновых транзисторов с верхними электродами и затворами различной длины показали отличную частотную зависимость усиления по току в режиме короткого замыкания, что указывает на подобие графенового транзистора традиционному полевому транзистору. Было получено, что с изменением напряжения затвора частота отсечки fT пропорциональна крутизне характеристики прямой передачи gm в соответствии с выражением fT = gm / (2πCG), где CG – общая емкость затвора. С уменьшением длины канала в соответствии с зависимостью fT ~ I/LG2 частота отсечки увеличивалась и при длине канала графенового полевого транзистора 150 нм составила 26 ГГц. По мнению разработчиков, при обеспечении в процесса изготовления высокой подвижности носителей графена (порядка 2000 см2/В·с) частота отсечки при длине затвора 50 нм может достичь уровня терагерц (1012 Гц).

В дальнейшем планируется выращивать графен на пластинах карбида кремния и уменьшить ширину канала графенового наноленточного транзистора до 2 нм [9–11].

Высокочастотный графеновый полевой транзистор продемонстрирован ООО HRL Laboratories (США) [12]. Работа выполнена в рамках программы CERA в сотрудничестве с группой университетов, промышленных компаний и Исследовательской лаборатории ВМС (NRL). Ток во включенном состоянии составлял 1180 мкА/мкм при напряжении стока 1 В. Частота отсечки была равна 4 ГГц при длине затвора 2 мкм. Максимальная частота 14 ГГц была зафиксирована при напряжении сток-исток 5 В. По-видимому, частотные характеристики можно улучшить, так как графеновые полевые транзисторы могут быть масштабированы до длины затвора менее 100 нм, что приведет к уменьшению значений паразитных емкости и сопротивления. Программа CERA была начата в июле 2008 года, ее завершение планируется на сентябрь 2012 года. Цель программы – создание на базе графеновых транзисторов малошумящих усилителей, работающих в W-диапазоне (>90 ГГц). Усилители планируется изготавливать на пластинах диаметром 200 мм или более с выходом годных, превышающим 90%. Предназначены усилители для военных средств отображения информации следующего поколения и широкополосных систем связи [12–14].

Работы по синтезу материала с оптимальными характеристиками и совершенствованию технологических процессов обработки позволили создать эпитаксиальные графеновые транзисторы с подвижностью носителей ~6000 см2/В·с, отличным насыщением вольт-амперной характеристики и отношением тока включения к току отключения, равным 19.

Интерес представляет и разработанный учеными Массачусетского технологического института однотранзисторный умножитель частоты. Схема состоит из одного графенового транзистора и одного нагрузочного резистора. В отличие от традиционных полупроводниковых приборов на кремнии или арсениде галлия, работа которых основана на переносе носителей одного типа (электронов или дырок), ток графенового транзистора независимо от типа носителей всегда проходит через резистор в одном направлении, что и обеспечивает эффект умножения частоты. При подаче переменного входного сигнала в течение положительного полупериода индуцируется ток электронов через сток. В течение отрицательного полупериода индуцируется ток дырок. Выходное напряжение возрастает с нулевого значения в соответствии с изменением входного переменного сигнала, что и приводит к удвоению частоты. Исследователи полагают, что высокая подвижность электронов графеновых транзисторов позволит создать умножитель на частоту до 1012 Гц [15].
Графеновая память

Необычные свойств графена привлекают и разработчиков высокопроизводительных компонентов компьютерной техники, в том числе энергонезависимой оперативной памяти. И здесь внимание привлекают работы ученых Университета Райса (США) Джеймса Тура, Юйбао Ли и Александра Синицкого, создавших ячейку памяти на основе диэлектрических наностержней – сердцевины из двуоксида кремния с графеновой оболочкой толщиной 5–10 нм. Изучение характеристик таких стрежней показало нелинейность их вольт-амперной характеристики: при низких значениях напряжения сила тока монотонно растет с увеличением напряжения, но при некотором пороговом значении напряжения Vпор происходит резкий переход в непроводящее состояние (рис.4). Более того, такая структура обладает памятью: если наностержень перевести в непроводящее состояние импульсом, превышающим Vпор, это состояние после снятие напряжения не изменяется. Восстановление проводящего состояния возможно лишь при некотором значении напряжения V<Vпор. Как показали исследования структуры наностержня с помощью сканирующего электронного микроскопа, ток при напряжении выше порогового приводит к разрыву наноленты графена шириной в несколько нанометров. При повторной подаче меньшего напряжения разрыв замыкается (рис.5). Исследователи объяснили это свойство следующим образом. При напряжении, превышающем Vпор, графитовая оболочка разрушается в местах расположения дефектов. Части разорванных графеновых слоев могут быть расположены на поверхности нанокабеля достаточно близко друг к другу и при приложении аксиального электрического поля притягиваются друг к другу и замыкают цепь (рис.6). Таким образом, графеновая оболочка работает по принципу наноэлектромеханической системы (НЭМС), в которой перемещение графеновых листов происходит в масштабах, сравнимых с размерами атомов. Правда, группа исследователей под руководством профессора Тура признает, что пока точного объяснения эффекта памяти графена нет.

Тем не менее, очевидно, что на основе таких наностержней можно создать ячейку памяти, в которой логическим «0» и «1» будут соответствовать состояния с низкой и высокой проводимостью. Считывание, запись и стирание информации в такой ячейке можно выполнять импульсами соответствующего напряжения. Таким образом, устройство на основе наностержней с графеновой оболочкой является энергонезависимой ячейкой памяти. Согласно данным исследователей, отношение сигнала в состояниях включено («1») и выключено («0») достигает 107.

По утверждению разработчиков, объем графеновой памяти может превысить объем наиболее перспективной на сегодняшний день энергонезависимой флеш-памяти в пять раз, поскольку размер ее ячейки памяти меньше 10 нм, тогда как в флеш-памяти минимальный размер ячейки по-видимому не будет меньше 25 нм. Кроме того, новая ячейка памяти может иметь два контакта, а не три, как в современных устройствах памяти, что позволит послойно наращивать графеновые матрицы и, соответственно, увеличивать объем памяти с каждым слоем. К достоинствам графеновой памяти относится и достаточно широкий диапазон рабочей температуры – -75…200°С. Испытания предложенной памяти показали также ее стойкость к радиационному облучению, что делает ее перспективной для применения в системах, работающих в экстремальных условиях.

Кроме того, испытания показали высокую надежность графеновой памяти – 20 тыс. циклов записи/считывания не привели к изменению скорости переключения ячейки, измеренное значение которого составляло 1 мкс. Правда, это значение ограничено возможностями лабораторной измерительной аппаратуры, поэтому предполагается, что пропускная способность графеновых ЗУ может быть выше.

К недостаткам предложенной графеновой памяти относится достаточно большое время выборки – 100 нс (в десять раз больше, чем у современных СОЗУ). Но разработчики уверены, что по мере совершенствования новой структуры им удастся уменьшить это время.

И сейчас группа профессора Тура интенсивно разрабатывает промышленную технологию формирования графеновой памяти, одним из вариантов которой является химическое осаждение графена из паровой фазы на кремниевую или иную подложку и применение обычной или электронно-лучевой фотолитографии для формирования нанополос графена.

Группа Тура заключила соглашение с компанией NuPGA (New Programmable Gate Arrays), согласно которому предложенная технология формирования графеновых нанополос будет использована для включения графена в сквозные отверстия микросхемы вентильной матрицы. Изменяя напряжение, подаваемое на графен, с 3,5 до 3 В, можно «размыкать» и «замыкать» соединение, формируемое графеном и таким образом программировать и репрограммировать вентильную матрицу. Подача напряжения в 1 В позволяет определить состояние соединения [16–18].

Группа Тура также лицензировала разработанный процесс получения тонкопленочных проводящих листов графена для применения в оборудовании изготовления устройств радиочастотной идентификации (RFID) методом струйной печати.

Интерес вызывает и работа ученых Национального университета Сингапура под руководством Барбороса Озилмаза, которые нанесли тонкий слой сегнетоэлектрика поверх ленты гарфена. Подача напряжения на слой сегнетоэлектрика позволяет изменять направление его собственного магнитного поля, что в свою очередь изменяет сопротивление графена. Память этого типа очень проста в изготовлении. К тому же, свойства ферроэлектриков хорошо изучены, а значит, проблемы с управляющим слоем, переключающим состояние ячейки памяти, возникать не должны. Правда, пока проект по созданию графеновой памяти такого типа находится на ранней стадии. Сейчас исследователи переносят на кремниевую подложку графеновые листы размером около 2 мкм, после чего осаждают два золотых электрода, а затем наносят верхний слой сегнетоэлектрика. Скорость считывания данных такого весьма грубого устройства в пять раз выше, чем у магнитной памяти. Новые устройства способны выдержать около 100 тыс. циклов переключения из состояния включено («1») в состояние выключено («0»). Для сравнения – современная магнитная память выдерживает более 106 циклов записи/перезаписи.
От графена к графану

И здесь снова первенство принадлежит ученым Университета Манчестера, в том числе А.Гейму и К.Новоселову, которые обнаружили, что графен может взаимодействовать с другими веществами, в результате чего образуются новые соединения с различными свойствами [19]. Ими, опять впервые, была показана возможность контролируемого превращения графена, материала с высокой электропровдностью, путем обработки его потоком водорода в диэлектрик – графан.

Следует отметить, что впервые термин «графан» был введен в 2006 году физиками Университета Пенсильвании, которые теоретически показали, что в результате взаимодействия графена с атомарным водородом может образоваться новое вещество с химической формулой CH. Теоретики, работавшие под руководством профессора Джорджа Софо, рассчитали зонную структуру нового материала, предсказали, что графан должен быть полупроводником, рассмотрели способы его получения и возможное применение в электронике. И вот предсказанный материал практически реализован, и расчеты теоретиков подтверждены.

Графан, как и графен, имеет двухмерную гексагональную кристаллическую структуру. При этом атомы водорода присоединяются к атомам по обе стороны плоскости углерода (рис.7). Графен, полученный традиционным методом отшелушивания и отожженный при температуре 300°C в атмосфере аргона (для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений), в течение двух часов подвергался воздействию плазмы, образованной смесью аргона и молекулярного водорода (доля Н2 составляла 10%), находящейся при низком давлении (~10 П).

Измерения проводимости графана подтвердили теоретические предсказания его полупроводниковых свойств. С ростом температуры сопротивление графана, как и у полупроводников, уменьшалось. При температуре жидкого гелия (~4К) сопротивление графана увеличивалось на два порядка, а подвижность носителей по сравнению с графеном уменьшалась более чем в 1000 раз. При отжиге графана при температуре 450°C в течение 24 ч он вновь превращается в графен, его сопротивление слабо зависит от температуры, а подвижность носителей практически становится прежней.

С появлением графана открылись новые возможности для создания печатных плат наноэлектронных схем непосредственно на листе нового материала с последующим формированием контактных площадок путем испарения водорода в требуемых участках с помощью лазера.

Кроме того, новый материал может найти применение в водородной энергетике. Здесь первостепенную роль играет высвобождение атомарного водорода при нагреве графана. А одна из основных проблем современной водородной энергетики – поиск эффективных способов хранения водорода. И способность графана «хранить топливо» в связанном состоянии весьма перспективна для решения этой проблемы.

И еще. Получение графана открывает широкие возможности для дальнейших исследований модификаций графена. Имея с одной стороны металлический графен и с другой — графан со свойствами полупроводника или диэлектрика, можно попытаться заполнить неизвестное пространство между ними. Почему бы не попытаться вместо водорода рассмотреть взаимодействие графена, скажем, с фтором?

Эксперименты с графеном и его производными доказали возможность получения на практике любых типов полупроводников и диэлектриков. В последнее время все говорит о том, что именно графен придет на смену кремнию в наноэлектронике следующего поколения и, возможно, в будущем станет основой квантовой электроники. С момента успешной демонстрации новой технологии в лабораторных условиях до появления ее на рынке, по мнению специалистов компании Intel, проходит не менее восьми лет. А это не так уж долго.

Литература

1. Novoselov K. S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.– Science, 2004.

2. Freitag M. Nanoelectronics goes flat out.– Nature nanotechnology, Aug. 2008, p.455–457.

3. Wang Z.F. et al. Emerging Nanocircuit Paradigm: Graphene-based Electronics for Nanoscale Computing. – IEEE International Symposium on Nanoscale Architecture (NANOARCH 2007), p.93–100.

3. Tunable Graphene Bandgap Opens the Way to Nanoelectronics and Nanophotonics.– ScienceDaily, June 15, 2009. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090610133453.htm Nature, June 11, 2009.

4. Two-Dimensional Graphene Nanoribbons.– J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (13), p.4216–4217.

5. Research into Graphene Nanoribbons Provides New Reasons for Using it as Interconnects In Future Computer Chips. – http://www.azonano.com/news.asp?newsID=12873.

6. Shemella P., Zhang Y. et al. Energy Gaps in Zero-Dimensional Graphene Nanoribbons.— Appl. Phys. Lett. July 23, 2007.

7. Shemella P. and Nayak S. K. Electronic Structure and Band-Gap Modulation of Graphene via Substrate Surface Chmistry.– Appl. Phys. Lett., 2007, Jan.20, 91, 042101; doi:10.1063/1.2761531.

8. IBM reports records 26GHz cut-off frequency for graphene FET. –Semiconductor today, Feb. 2009, мol.4, Issue 1.

9. Deffree S. IBM claims graphene field-effect transistors at GHz frequencies. – Electronic News, 12/19/2008.

10. Johnson R.C. IBM fabs grapheme FETs. www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=202103726

11. Lin Y-M et al. Operation of Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies. –Nano Letters, 2009, v.9, No.1, p.422–426.

12. HRL demos first RF graphene FETs. www.semiconductor-today.com/news_items/2008/DEC/HRL_051208.htm

13. IQE works with CERA program to develop graphene carbon-based RF technology. www.semiconductor-today.com/news_items/2008/SEPT/IQE_230908.htm

14. HRL Laboratories Announces Another Breakthrough in Advancing Graphene Transistor Technology. –www.hrl.com/assets/pressreleases/2009/prsRls_090521.html

15. Johnson R.C. Graphene circuit combines Si, GaAs functions. www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=216200559.

16. Miller M. Future nonvolatile memories may have carbon footprints. EDN, 1/8/2009.

17. Next generation nanotechnology computer memory made of graphene. www.nanowerk.com/spotlight/spotid=8363

18. Williams M. Graphite’s good tidings. – www.media.rice.edu/media/NewsBot.asp?MODE=VIEW&ID=13024&SnID=344324078.

19. Elias D., Nair R. et al. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane.– Science, Jan. 30, 2009, v.323, N 5914, p.610–613 DOI: 10.1126/science.1167130.

При взаимодействии с водородом графен превращается в графан

Хотя графит известен как одно из самых инертных химических веществ, группе ученых из Англии, Голландии и России удалось добиться химической реакции единичного атомного слоя графита — графена — с водородом. В результате образуется совершенно новое вещество — графан, которое при очень низких температурах ведет себя как изолятор. Наблюдения с помощью просвечивающего электронного микроскопа показывают, что графан тоже обладает двумерной гексагональной кристаллической структурой, но с более коротким шагом решетки, чем у графена.

О плоском монослое атомов углерода, плотно упакованных в гексагональную кристаллическую решетку, или, проще говоря, графене, написано столько, что кажется, что чем-то новым никого уже не удивишь. Но, как оказалось, возможно. «Графенную экзотику» еще можно получить на стыке физики и химии. Если химическое взаимодействие структурного «родственника» графена, углеродной нанотрубки, с другими элементами изучено уже довольно хорошо, о химических реакциях с участием самого графена почти ничего не известно.

Группе ученых из Англии, России и Голландии путем гидрирования (взаимодействия с водородом) удалось превратить графен в новое вещество — графан. Об этом сообщается в статье Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane, опубликованной в одном из последних выпусков журнала Science. Что интересно, в число авторов работы входят Эндрю Гейм и Костя Новосёлов — ученые, первыми получившие графен.

Впервые термин «графан» появился в 2006 году — в статье американских физиков-теоретиков Graphane: a two-dimensional hydrocarbon, опубликованной в архиве препринтов, а затем в журнале Physical Review B. В этой работе теоретически показано, что в результате взаимодействия графена с атомарным водородом может образоваться новое вещество с химической формулой CH — это вещество и было названо графаном. Кристаллическая структура графана, так же как и графена, — двумерная гексагональная. При этом атомы водорода присоединяются по обе стороны от плоскости атомов углерода. Кроме этого, авторы статьи дополнительно рассчитали зонную структуру нового материала, предсказали, что графан должен быть полупроводником, а также обсудили вероятные способы получения нового вещества и его возможное применение в электронике. И вот теперь настало время практической реализации предсказанного материала, а заодно и проверки расчетов теоретиков.

Как же был получен графан? Исходный материал — кристаллы графена — был приготовлен традиционным образом — микромеханическим отшелушиванием слоев графита, находящегося на подложке из оксида кремния (толщина подложки составляла 300 нм). В том, что получен именно единичный слой атомов углерода, исследователи убеждались оптическими методами и с помощью рамановской спектроскопии. Далее полученный графен отжигался при температуре 300°C в атмосфере аргона в течение 4 часов. (Эта процедура необходима для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений.) Затем образцы графена подвергались воздействию так называемой «direct-current» плазмы — смеси аргона и молекулярного водорода (доля Н₂ составляла 10%), находящейся при низком давлении — около 0,1 миллибара (1 миллибар = 100 Па). «Direct-current» плазма создавалась с помощью разряда между алюминиевыми электродами (отсюда ее название). Чтобы избежать возможного повреждения ионами, образующимися в плазме в результате облучения, графенные плоскости располагались на расстоянии 30 см от зоны разряда. После того как образцы два часа находились в плазме, и получался графан. На рис. 1 приведено сравнение кристаллической структуры графена (A) и графана (B).

Чтобы удостовериться в том, что получено действительно новое вещество, ученые повторили описанные выше манипуляции с графеном, но уже без 10-процентной примеси водорода в плазме, и с помощью рамановской спектроскопии убедились, что никаких трансформаций графена в другое вещество не происходило.

Проведенные резистивные измерения подтверждают теоретические предсказания полупроводниковых свойств графана. График на рис. 2 показывает температурную зависимость сопротивления нового материала (голубые квадраты). Как видим, с ростом температуры T сопротивление ρ уменьшается, как и у полупроводников. При переходе от температуры 300 К к температуре жидкого гелия (около 4 К) графан проявляет изолирующие свойства: его сопротивление вырастает на два порядка, а подвижность зарядов по сравнению с графеном падает более чем в 1000 раз. Собственно, зависимость ρ(T) хорошо приближается функцией exp[(T₀/T)^1/3], где T₀ — некоторая температура, равная приблизительно 250 К.

Любопытно, что реакция гидрирования графена является обратимой, и графан можно снова превратить в графен с помощью отжига при температуре 450°C в течение 24 часов. Свойства такого отожженного графена практически не изменяются: его сопротивление опять слабо зависит от температуры и подвижность зарядов возвращается почти на прежний уровень.

Источник: D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V. Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, K. S. Novoselov. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane // Science. 2009. V. 323. P. 610–613.

Юрий Ерин

Графен, нанотрубки и все-все-все – аналитический портал ПОЛИТ.РУ

 

Интеллектуальный партнер проекта

Создание новых материалов – это путь, пожалуй, максимально быстрого применения последних достижений физики и химии в практической области. Современное материаловедение достигло уровня, на котором рассматривается связь строения веществ на атомном и молекулярном масштабе с их свойствами в макромире.  В течение года мы неоднократно рассказывали о разработанных учеными новых материалах в новостях и обзорах ProScience, в лекциях Полит.ру, однако всегда есть исследования, которые еще не были упомянуты. О некоторых из них мы хотим рассказать в конце года.

Много новых материалов, разработанных в 2013 году, связаны с  использованием графена, точнее с сочетанием этой формы углерода с другими веществами. Ученые из Массачусетского технологического института, как сообщает их статья в Science, получили графеновый полупроводник, нанеся слой графена на подложку из нитрида бора. При этом свойства графена изменяются в зависимости от того, под каким углом пересекаются его кристаллическая решетка и кристаллическая решетка нитрида бора. Другой коллектив исследователей сумел обосновать использование графена в качестве основы электродов в аккумуляторах. Согласно расчетам, литиевый аккумулятор с электродами из бора, нанесенного на графеновую основу, будет иметь емкость более 7,6 мегаджоулей на килограмм (примерно в пять раз больше современных).

Большая перспектива у технологии, опробованной испанскими исследователями. Ученые из Мадридского института передовых исследований в нанонауке (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia), Мадридского университета Комплутенсе (Universidad Complutense de Madrid) и Мадридского автономного университета (Universidad Autónoma de Madrid) попробовали нанести на графен тетроциано-пара-хинодиметан (TCNQ), графеновый слой при этом располагался на подложке из рубидия. TCNQ – это вещество с формулой (NC)₂CC₆H₄C(CN)₂. Оказалось, что при нанесении на графен оно приобретает магнитный момент: его молекулы располагаются зонами с одинаковой ориентацией спинов. Это явление в будущем можно будет использовать при создании электронных устройств, в которых для кодирования информации будет использоваться не только заряд, но и спин частиц (так называемая спинтроника). Эта технология позволит значительно улучшить устройства хранения и передачи информации. Статья испанских ученых была опубликована у Nature Physics.

В Китае создан аэрогель графена – самое легкое твердое вещество, в семь раз легче воздуха. Прошлый рекорд легкости твердых веществ принадлежал аэрографиту, плотность которого 0,18 миллиграмма на кубический сантиметр. Плотность аэрогеля графена 0,16 мг на кубический сантиметр. Он настолько легок, что один его кубический сантиметр может лежать на тычинках цветка или пухе одуванчика. Новый материал способен восстанавливаться после сжатия почти на 90%. Перспективная область его применения – ликвидация разливов нефти в океане. Аэрогель графена способен впитать нефть массой в 900 раз больше собственной. Скорость впитывания 68,8 граммов в секунду. Также его можно использовать как изоляционный материал и в качестве электрода в ионисторах.

Другая перспективная область – использование углеродных нанотрубок. Исследователи из Университета Уильяма Райса (Хьюстон, США) совместно с коллегами из Израиля и Нидерландов смогли в этом году заплести нанотрубки в волокно. Получившиеся нити сочетают в себе высокую прочность и гибкость с высокой электропроводностью, сравнимой с электропроводностью меди. Они найдут применение в электронике и технологии передачи электроэнергии на большие расстояния.

Журнал Nature Nanotechnology рассказал о разработанном учеными из Университета штата Мичиган и Института фотонных исследований в Барселоне (ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques) методе определения слабых колебаний электростатического поля при помощи углеродных нанотрубок. Этот метод основан на колебаниях нанотрубок в электрическом поле. Как сказал один из авторов исследования, силы, отражающиеся в этих колебаниях столь малы, что их можно сравнить «с гравитационным притяжением двух людей, находящихся на расстоянии 4,5 тысячи километров». Новая технология сможет регистрировать изменение спина отдельного электрона. Это сделает возможным значительное увеличение точности магнитно-резонансной томографии.

Весьма интересны и перспективны свойства станена – материала, аналогичного по строению графену, но состоящего не из атомов углерода, а из атомов олова. Группа исследователей под руководством профессора Шоучэн Чжана в Стенфордском университете занимается исследованием топологических изоляторов – материалов, поверхность которых электропроводна, а остальная часть представляет собой диэлектрик. В случае сверхтонкой пленки электропроводными оказываются края материала. Топологические изоляторы были предсказаны теоретически в 2005 году, а впервые синтезированы в 2008 (антимонид висмута). Ученые предполагают, что материал на основе станена с добавленными атомами фтора станет высокоэффективным топологическим изолятором. Предвидя блестящее будущее станена в качестве компонента микросхем, профессор Чжан даже предположил, что когда-нибудь кремниевую долину придется переименовать в Оловянную.

Несколько неожиданным оказалось появление в такой новейшей области физики конденсированных сред, как изучение топологических изоляторов, природного материала, тем не менее 2013 год принес и такой сюрприз. Найденный в старом руднике в Чехии, где когда-то добывали золото, минерал кавалюзит оказался наделенным свойствами топологического изолятора. Его описала в журнале Nano Letters группа немецких и швейцарских физиков во главе с Паскалем Герингом. Примерный состав этого минерала – Bi₂(Te,Se)₂(Se,S). При этом его качество оказалось выше, чем у полученных до сих пор синтетических изоляторов, так как он не содержит дефектов, приводящих к появлению областей проводимости внутри материала. Возможно, более выгодным будет добывать природный топологический изолятор, чем синтезировать искусственные.

Если упомянутый нами выше метод увеличения емкости литий-ионных аккумуляторов с использованием электродов из графена и бора пока находится на теоретической стадии, то другой способ, предложенный в Высшей технической школе Цюриха (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich),  можно реализовать уже сейчас. Группа исследователей под руководством Максима Коваленко смогла вырастить нанокристаллы олова и оксида олова размером от 9 до 23 нанометров с большой точностью. Нанокристаллы образуют подобие «губки», связывающей ионы лития и выпускающей их при разрядке аккумулятора. Один атом олова в нанокристалле способен связать до четырех ионов лития. Емкость аккумулятора, на аноде которого будут расположены эти нанокристаллы, увеличится в два раза по сравнению с существующими моделями. При этом емкость начальной зарядки отличаться не будет, но после многочисленных циклов зарядки и разрядки аккумулятора разница в емкости станет заметной.

Другая конструкция сверхмощных литиевых аккумуляторов представлена учеными из Университета Иллинойса. Они также получены благодаря наноматериалам: анод состоит из сплава олова и никеля, а катод из соли лития (LiMnO₂). Трехмерная структура анода и катода напоминает микроскопические «гребенки» с пористыми зубцами. Она обеспечивает быстрое прохождение химических реакций. Всё это позволяет новым батареям как запасать много энергии, так и выделять ее в краткое время.

Модифицированный углерод преподносит сюрпризы создателям нанокатализаторов

​О графене только что песен не сложено — так бурно мир превозносит этот бесспорно необыкновенный материал. СМИ нередко говорят о нашем времени как об эпохе графена, рассуждают о последствиях графеновой революции и сулят ей необычайные перспективы. Углеродному материалу прочат широчайшее применение, скажем, в микроэлектронике, создании композитных материалов, сверхпрочных покрытий и много где еще. 

Как считает заведующий лабораторией Института органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН член-корреспондент РАН Валентин Анаников, чудо-новинка скажет свое слово и в разработке нового поколения катализаторов.

— Действительно, после присуждения Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новоселову графен удостоился колоссального внимания, — говорит Валентин Павлович. — В мире опубликованы, без преувеличения, десятки тысяч статей, описывающих его удивительные свойства и огромные возможности для использования в самых разных областях науки и техники. Причем пик популярности отнюдь не пройден. И это при том, что модификация углерода толщиной всего в один атом — материал эфемерный и для практических целей, в частности в химических исследованиях, вообще недоступный. В индивидуальном виде мономолекулярный слой углерода нестабилен и агрегирует в крупные частицы или трансформируется в другие соединения. Неудивительно, что вместе с восхвалением диковинного материала нередко слышатся и критические высказывания.

Тем не менее лично мне кажется, что от всего этого шума есть и польза: графеновая волна вновь всколыхнула интерес к углеродным материалам. Вооружась новым знанием и современным оборудованием, ученые стали изучать возможности приложения хорошо известных углеродных материалов, например графита, углеродных нанотрубок, нанокластеров углерода и всевозможных гибридных систем. (Тот же графит — это бессчетная масса графеновых листов, правда, обладающих несколько другими свойствами.) Это приносит неожиданные результаты, открывает оригинальные направления химии. Считаю, что именно в этом и есть польза от мировой популярности графена.

Теперь что касается главного направления исследований нашей лаборатории — создания гетерогенных нанокатализаторов, когда наночастицы металла, скажем палладия, никеля, золота наносят на поверхность углеродного материала. Это классический пример применения катализа в органическом синтезе, известный науке и промышленности уже много десятилетий. В мире ежегодно производят тонны подобных нанокатализаторов. Одна из самых распространенных сфер его использования — тонкий органический синтез. Катализаторы необходимы для получения лекарств и новых материалов для высокотехнологичных отраслей. Известна и голубая мечта химиков: сделать катализатор еще более эффективным и дешевым, добиться, чтобы его можно было использовать повторно, а отходы химпроизводства не загрязняли окружающую среду. Так изучение углеродных материалов стало магистральной темой развития катализа, получившей мощный импульс, вызванный появлением графена.

— Удалось ли вам создать такой «супернанокатализатор«?

— По целому ряду причин сделать наноразмерный катализатор, в котором частички металлов нанесены на идеальную графеновую поверхность, оказалось невозможным. Как была мечта получить «сверхкатализатор», так она и осталась. Но здесь важно другое. Пока мы пытались его разработать, нам удалось развить совершенно новую область исследований.

Три года назад наша лаборатория — а это достаточно большой коллектив молодых сотрудников, аспирантов и студентов — получила грант Российского научного фонда (РНФ) на исследование графена и других углеродных материалов для решения актуальных химических задач. Сейчас грант заканчивается — пора подводить итоги «проделанной работы». Скажу сразу: грант имеет очень большое значение для нашей лаборатории. Начав по сути с нуля, за это время мы развили новую область и получили неплохие результаты, о чем сообщили в серии статей, опубликованных ведущими журналами и по достоинству оцененных коллегами по всему миру. Знаю, что еще несколько проектов по этой тематике также были поддержаны фондом.

После трех лет исследований нам удалось, скажем так, изменить концептуальное восприятие химических реакций для сложных графеновых систем. Даже небольшая молекулярная система углеродных материалов содержит тысячи атомов. Это очень сложные структуры: составить их формулу, даже записать, как они выглядят, — задача вряд ли выполнимая. Традиционные методы, представляющие молекулы в виде простых, двумерных или «плоских» формул, в данном случае не работают. И мы не стали искать пути, как упростить подобные химические системы. Сегодня мы исследуем в трехмерном пространстве сложные молекулы и целые системы такими, какие они есть. Как бы их фотографируем, более того, на современном микроскопическом оборудовании пытаемся снять «видеоролики», объясняющие, как проходят химические реакции. Так нам впервые стало доступно таинство химических реакций, теперь они видны как на ладони. Это шаг вперед, новый уровень восприятия химических процессов.

Следующий этап. Сегодня мы точно не представляем, как работает гетерогенный катализатор, поэтому не знаем, какой параметр в первую очередь нужно изменить, чтобы повысить его эффективность. Фактически приходится действовать вслепую — «методом тыка». Все равно что пытаться улучшить конструкцию автомобиля, хотя в глаза не видел его «начинку». Теперь же, благодаря современной аппаратуре, мы наблюдаем, как молекулы ориентируются в пространстве, как приближаются друг к другу, что между ними происходит — открываются недоступные ранее секреты химической реакции. Появляется возможность определить «ключевую характеристику» катализатора, выяснить, что необходимо модернизировать, чтобы повысить его КПД. Стало понятно, почему мы получаем разные результаты, хотя проводим похожие реакции. Оказалось возможным выявить важнейшие параметры, увеличить стабильность работы катализатора.

Больше того, составить «рецепт» гетерогенного нанокатализатора (с использованием палладия и доступного углеродного носителя, даже самого дешевого графита) сегодня можно без сложной предварительной подготовки, буквально за пять минут. Это по силам и студенту с гарантией, что получится универсальный и дешевый катализатор для тонкого органического синтеза. Не скрою, мы испытываем большое удовлетворение от завершенного труда.

И вот что важно. Для создания подобных веществ графен, подчеркну, нам вовсе не понадобился. Как я уже говорил, его с успехом заменяют самые разные формы углерода. Но эфемерный материал свое дело сделал: вызвал бурю в научном мире, заставил произвести многочисленные исследования и получить новые фундаментальные знания.

Расскажу еще об одном чрезвычайно интересном и перспективном явлении, как точно трактовать которое мы пока не знаем. Во время моделирования мы установили, что особые формы углерода даже без наночастиц металлов обладают — внимание! — каталитической активностью. Углерод, который мы всегда считали всего лишь носителем, необходимым для приготовления катализаторов, может играть самостоятельную роль. Открывается новая область химии, которую можно назвать «карбокатализ». То есть катализ углеродными частицами без участия металлов. О всех его достоинствах говорить еще рано, однако ясно, что он может в сотни раз удешевить создание нанокатализаторов, если будет, конечно, обладать высокой эффективностью.

— За рубежом есть нечто подобное?

— Создание нанокатализаторов — необычайно востребованная область науки, исследования в этой области проводит масса лабораторий по всему миру. Мы все друг друга знаем, переписываемся, встречаемся на конференциях… Статьи по разным областям этого перспективного направления выходят буквально каждый день. И первое, что я делаю, когда утром прихожу на работу, — включаю компьютер и смотрю, что появилось нового. Сегодня это передний край науки — и конкуренция здесь достаточно жесткая. Стоит промедлить с публикацией хотя бы на неделю-другую — и может статься, что твою статью не примут — она уже успела устареть. У нас таких случаев пока не было: мы не отстаем от коллег и идем с ними вровень. Но жесткий прессинг ощущается постоянно.

— Каверзный вопрос. Вы создаете эффективные катализаторы, а они нужны, спрос на них есть?

— Ответ, увы, отрицательный. Когда я выступаю с докладами на международных конференциях, ко мне очень часто подходят представители крупных зарубежных фармкомпаний. Нередко они приглашают меня прочесть лекции перед своими сотрудниками. Слушают очень внимательно, конспектируют, задают уйму уточняющих вопросов… Знаю, что они пользуются нашими опубликованными материалами. Да они и сами говорят, что работы лаборатории ИОХ, хотя это глубокие фундаментальные исследования, помогают им разобраться, навести порядок в их каталитическом хозяйстве. И это понятно: ведь современные препараты — цепочка сложных больших молекул, которые синтезируются с помощью нанокатализаторов. Приятно, что добытое нами новое фундаментальное знание востребовано, что его стараются использовать для практического применения. Обидно другое: не припомню случая, чтобы среди тех, кто хватал меня за рукав после лекции, был хотя бы один сотрудник наших фармацевтических компаний.

— Грант заканчивается — рассчитываете ли вы на продолжение?

— Считаю, что полновесные гранты РНФ предопределили успех многих коллективов, ведущих фундаментальные исследования. И если мы хотим выдержать конкуренцию, то должны все время двигаться вперед. Поэтому обязательно будем подавать заявку на новый грант. Он необходим нам для разработки катализаторов не только с применением частиц металла, но теперь и без них. Еще очень важно, на мой взгляд, чтобы гранты, поддерживающие новые направления науки, предусматривали и практическое применение разработок. Но, наверное, это зависит от того, насколько они будут востребованы.

— Как молодежь вашей лаборатории относится к этим исследованиям?

— Она необычайно ими увлечена. Во многом это объясняется тем, что молодые сотрудники значительное число операций выполняют самостоятельно: например, синтез катализаторов, проверку их химической активности, причем механизмы реакций они изучают с помощью электронного микроскопа. При увеличении в сотни тысяч раз прекрасно видно, что происходит с наночастицами, как они участвуют в реакциях… Ощущение непередаваемое! Это, считаю, самое важное: так возникает увлечение наукой.

Юрий ДРИЗЕ

Physics of Wave Processes and Radio SystemsPhysics of Wave Processes and Radio Systems1810-3189Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics53691Original ArticleCalculation of efficiency of control of graphene conductivity by the external electric field at teraherz frequency rangeGolovanovO. A-MakeevaG. S-VarenitcaV. V-GorelovR. A-15062015182273207122020Copyright © 2015, Golovanov O.A., Makeeva G.S., Varenitca V.V., Gorelov R.A.2015The calculation of surface conductivity of graphene monolayer determined from the Kubo formulа taking into account in the model the intraband and interband conductivities is performed depending on the frequency. The influence of chemical potential on the surface conductivity of grapheme changed by the external electric field is researched at the teraherz frequency range.graphene monolayersurface conductivitychemical potentialterahert frequency rangeмонослой графенаповерхностная проводимостьформула Кубохимический потенциалтерагерцовый диапазонKubo formulа1.Electric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov [et al.] // Science. 2004. № 306 (5696). P. 666-669.2.Fine structure constant defines transparency of grapheme / R.R. Nair [et al.] // Science. 2008. № 320. P. 1308-1308.3.The Royal Swedish Academy of Sciences, The Nobel Prize in Physics, Information foe the public, 2010.4.Юдинцев В. Графен. Наноэлектроника стремительно набирает силы // Электроника НТБ. 2009. URL: http://www.electronics.ru/issue/2009/6/165.Graphene, Scientific Background on the Nobel Prize in Physics, 2010.6.Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Электронный транспорт в графене // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. № 7. С. 776-780.7.Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Перспективные наноструктуры и нанокомпоненты электроники // Электроника и связь 2’ Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». 2010. С. 18-19.8.Hanson G.W. Dyadic Green’s functions and guided surface waves for a surface conductivity model of grapheme // J. of Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 064302.9.Ultrahigh electron mobility in suspended grapheme / K.I. Bolotin [et al.] // Solid State Commun. 2008. Vol. 146. № 351-355.10.Ryzhii V., Satou A., Otsuji T. Plasma waves in two-dimensional electron-hole system in gated graphene heterostructures // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 101. P. 024509 (1-5).11.Falkovsky L.A. Unusual field and temperature dependence of the Hall effect in grapheme // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 75. P. 033409 (1-4).

графеновый аэрогель очистил воду от примесей

Инженеры из Университета Буффало в США разработали новый метод очистки воды, использовав уникальные свойства чудо-материала графена. Исследователи утверждают, что их разработку можно воссоздать в самых разных размерах и, что важно, использовать полученный материал несколько раз.

Получается, учёные преодолели две основных преграды в работе с графеном: масштабируемость и неустойчивость материала. С точки зрения эксплуатационных характеристик новая разработка тоже не подвела: получившийся фильтр успешно очищает воду от 100% биологических загрязнителей.

«Цель [исследования] заключалась в удалении загрязнителей из воды без выделения [в неё] каких-либо проблемных химических остатков. Созданный нами аэрогель сохраняет свою структуру, располагаясь внутри системы очистки воды, и может применяться в самых разных очистительных системах», – объясняет соавтор работы профессор Нирупам Айч (Nirupam Aich) из Университета Буффало.

Напомним, что аэрогель – это ультралёгкий и ультрапористый материал, который получают, замещая жидкости в составе геля газом. Так получается твёрдая и практически невесомая структура, которая сохраняет изначальный объём.

Аэрогель можно сравнить с привычным пенопластом: он очень пористый и лёгкий, но при этом жёсткий и устойчивый к внешним воздействиям материал.

Графен – уже ставший легендой материал, который не нуждается в лишних представлениях. Он представляет собой решётку из атомов углерода толщиной всего в один атом.

Чтобы придать чернилам для печати на 3D-принтере нужную консистенцию, учёные использовали два дополнительных полимера: синтетический полидофамин и бычий сывороточный альбумин.

Эксперименты показали, что новый аэрогель удаляет из воды некоторые тяжёлые металлы вроде свинца и хрома, которые часто находят в питьевой воде. Также полученный материал успешно очистил воду от органических красителей, таких как катионный метиленовый синий и анионный синий Эванса, и от органических растворителей, таких как гексан, гептан и толуол.

Этот аэрогель настолько лёгок, что обычная салфетка выдерживает вес таблетки из него.

Учёные пропустили органические растворители через графеновый фильтр целых десять раз, чтобы продемонстрировать потенциал его повторного использования. Каждый раз аэрогель удалял 100% растворителей.

Исследователи отметили, что в случае с красителем метиленовым синим фильтрационная способность материала падала на 2-20% к третьему циклу очистки.

Также создатели материала показали, что в отличие от плоских нанолистов графена, их аэрогель можно напечатать на 3D-принтере практически в любом масштабе. Это позволит использовать инновационный аэрогель в больших объёмах, например, на крупных очистных сооружениях.

К тому же, по словам разработчиков, графеновый фильтр можно использовать несколько раз, и он сам при этом не разрушается, а значит, не добавляет в очищаемую воду никаких посторонних соединений.

Теперь учёные планируют создать подобный аэрогель с внедрёнными в него наночастицами металлов: такие структуры смогут фильтровать не только биологические, но и химические загрязнители. Также они планируют запатентовать своё изобретение для использования в промышленности.

Исследование было опубликовано в издании Environmental Science: Nano.

Больше новостей из мира науки и технологий вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим«.

Графен | химия | Британника

Полная статья

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Мембраны из нанопористого графена можно использовать для опреснения воды. Молекулы воды проходят через поры, а ионы соли поворачиваются обратно.

© Массачусетский технологический институт (партнер по изданию Britannica) См. Все видео к этой статье

Графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо один слой атомов углерода, образующих сотовую (гексагональную) решетку, либо несколько спаренные слои этой сотовой структуры.Слово графен , когда используется без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен), обычно относится к однослойному графену. Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных слоев графена; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и бакиболлы, сферические молекулы из графена с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретические исследования графена были начаты в 1947 году физиком Филипом Р.Уоллес как первый шаг к пониманию электронной структуры графита. Термин графен был введен химиками Ханнсом-Питером Боем, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , обозначающего углерод в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , относящегося к до полициклических ароматических углеводородов, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики из Манчестерского университета Константин Новоселов и Андре Гейм с коллегами выделили однослойный графен с помощью чрезвычайно простого метода отслаивания от графита.В их «скотч-методе» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита и последующего нанесения слоев на материал подложки. После снятия ленты на подложке осталось немного графена в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; Каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы было не только выделение хлопьев графена, но и изучение их физических свойств.В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен может быть использован в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.

В этих первых экспериментах подложкой для графена был кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым под стандартным оптическим микроскопом.У такой видимости есть две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают цвета радуги в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства очень своеобразны.Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать электронную или дырочную (область, где отсутствует электрон, который действует как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников есть определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, для определенных напряжений затвора и типов химического легирования полупроводник действует как изолятор.С другой стороны, графен не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, включая нулевое. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая — разительное отличие графена от обычных полупроводников. Состояния электронов и дырок в графене, имеющие отношение к транспорту носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (предельная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена фактически состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например,ж., электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет всего около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным стендом для физики высоких энергий: некоторые квантовые релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, потому что их более низкой скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры.Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

Графен — что это?

Понимание графена

Графен представляет собой одинарный слой (монослой) атомов углерода, прочно связанных в гексагональную сотовую решетку. Это аллотроп углерода в виде плоскости атомов с sp2-связями с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, уложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием 0.335 нм. Отдельные слои графена в графите удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые могут быть преодолены при отслоении графена от графита.

Графен — самое тонкое соединение, известное человеку, толщиной в один атом, самый легкий из известных материалов (с 1 квадратным метром и весом около 0,77 миллиграмма), самое сильное обнаруженное соединение (в 100-300 раз прочнее стали с пределом прочности на разрыв 130 ГПа и модуль Юнга 1 ТПа — 150 000 000 фунтов на квадратный дюйм), лучший проводник тепла при комнатной температуре (при (4.3 Вт · м − 1 · K − 1), а также лучший из известных проводников электричества (исследования показали подвижность электронов при значениях более 200 000 см2 · В − 1 · с − 1). Другими примечательными свойствами графена являются его равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра (πα ≈ 2,3%) и его потенциальная пригодность для использования в переносе спинов.

Имея это в виду, можно удивиться, узнав, что углерод является вторым по распространенности элементом в теле человека и четвертым по распространенности элементом во Вселенной (по массе) после водорода, гелия и кислорода.Это делает углерод химической основой всей известной жизни на Земле, что делает графен потенциально экологически чистым и устойчивым решением для почти неограниченного числа применений. С момента открытия (или, точнее, получения механическим способом) графена, применение в различных научных дисциплинах резко возросло, и огромные успехи были достигнуты, в частности, в высокочастотной электронике, био, химических и магнитных датчиках, фотодетекторах со сверхширокой полосой пропускания и энергетике. хранение и генерация.

Проблемы производства графена

Первоначально единственным методом изготовления графена большой площади был очень дорогой и сложный процесс (химическое осаждение из паровой фазы, CVD), который включал использование токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия этилена на платину, никель или карбид титана. или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии на чем-либо, кроме металлической подложки, не было. Эти производственные проблемы сделали графен изначально недоступным для исследований и коммерческого использования.Кроме того, использованию графена CVD в электронике мешала сложность удаления слоев графена с металлической подложки без повреждения графена.

Однако исследования 2012 года показали, что, анализируя межфазную адгезионную энергию графена, можно эффективно отделить графен от металлической платы, на которой он выращивается, а также теоретически можно многократно повторно использовать плату для будущих приложений. следовательно, уменьшая токсичные отходы, ранее образовавшиеся в этом процессе.Кроме того, качество графена, выделенного этим методом, было достаточно высоким для создания молекулярных электронных устройств.

Исследования в области выращивания CVD-графена с тех пор прогрессируют скачкообразно, поэтому качество графена не является проблемой для технологического внедрения, которое теперь определяется стоимостью металлической подложки. Тем не менее, исследования все еще проводятся для последовательного производства графена на нестандартных подложках с контролем над примесями, такими как рябь, уровни легирования и размер доменов, а также с контролем количества и относительной кристаллографической ориентации графеновых слоев.

Приложения

Для продвижения исследований графена к промышленным приложениям требуются скоординированные усилия, такие как проект Graphene Flagship стоимостью миллиард евро. После первого этапа, который длился несколько лет, исследователи Flagship разработали усовершенствованную дорожную карту приложений графена, в которой указаны наиболее многообещающие области применения: композиты, энергетика, телекоммуникации, электроника, датчики и визуализация, а также биомедицинские технологии.

Возможность создавать суперконденсаторы из графена, возможно, станет крупнейшим шагом в электронной инженерии за долгое время.Хотя разработка электронных компонентов за последние 20 лет развивалась очень высокими темпами, решения для накопления энергии, такие как батареи и конденсаторы, были основным ограничивающим фактором из-за размера, мощности и эффективности (большинство типов батарей очень неэффективны. , а конденсаторов тем более). Например, литий-ионные батареи сталкиваются с проблемой компромисса между плотностью энергии и плотностью мощности.

В ходе начальных испытаний графеновые суперконденсаторы с лазерной разметкой (LSG) продемонстрировали плотность мощности, сравнимую с плотностью мощности мощных литий-ионных батарей, которые используются сегодня.Более того, суперконденсаторы LSG очень гибкие, легкие, быстро заряжаемые, тонкие и, как упоминалось ранее, сравнительно очень недорогие в производстве.

«Возможности того, что мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, широко раскрыты»

Графен также используется не только для увеличения емкости и скорости заряда батарей, но и для увеличения срока их службы. В настоящее время, хотя такие материалы, как литий, способны накапливать большое количество энергии, это потенциальное количество уменьшается при каждой зарядке или перезарядке из-за износа электродов.С оксидом графена и олова в качестве анода в литий-ионных батареях, например, батареи служат намного дольше между зарядками (потенциальная емкость увеличилась в 10 раз) и почти без уменьшения емкости между зарядками, что позволяет эффективно использовать такие технологии, как электронное питание. Транспортные средства станут гораздо более жизнеспособным транспортным решением в будущем. Это означает, что батареи (или конденсаторы) могут быть разработаны так, чтобы работать намного дольше и с большей емкостью, чем предполагалось ранее. Кроме того, это означает, что электронные устройства можно заряжать за секунды, а не за минуты или часы, и они значительно увеличивают срок службы.

Исследователи из Graphene Flagship также изучают способы использования графена для улучшения выработки энергии, включая усовершенствование перовскитных солнечных элементов (PSC), многообещающих солнечных источников энергии следующего поколения с очень высокой эффективностью. Ведущие исследователи добились отличных успехов в увеличении срока службы и производительности PSC при одновременном снижении стоимости производства PSC. Добавление разделительного слоя из восстановленного оксида графена к PSC привело к дешевому производству PSC с эффективностью 20%, сохраняющейся до 95% после 1000 часов работы.Пилотная производственная линия и солнечная электростанция из графен-перовскита мощностью 1 кВт находятся в разработке на следующий период.

Использование графена для накопления энергии наиболее широко исследуется благодаря использованию графена в современных электродах. Комбинация наночастиц графена и кремния привела к получению анодов, которые сохраняют 92% своей энергоемкости в течение 300 циклов заряда-разряда, с высокой максимальной емкостью 1500 мАч на грамм кремния. Достигнутые значения плотности энергии значительно превышают 400 Втч / кг. На следующем флагманском этапе проект Spearhead будет сосредоточен на доиндустриальном производстве литий-ионной батареи на основе кремния и графена.Кроме того, был разработан инструмент для нанесения покрытия распылением на графен, позволяющий крупномасштабное производство тонких пленок графена, которые использовались, например, для производства суперконденсаторов с очень высокой плотностью мощности.

Еще одно применение графена по аналогии с теми, о которых говорилось ранее, — это краска. Графен очень инертен и поэтому может действовать как коррозионный барьер между кислородом и диффузией воды. Это может означать, что будущие транспортные средства могут быть сделаны устойчивыми к коррозии, поскольку графен может быть выращен на любой металлической поверхности (при правильных условиях).Благодаря своей прочности, графен в настоящее время также разрабатывается как потенциальная замена кевлару в защитной одежде, и в конечном итоге он будет использоваться в производстве транспортных средств и, возможно, даже в качестве строительного материала.

Графен долгое время считался идеальным канальным материалом для гибкой радиочастотной (RF) электроники. Радиочастоты и даже терагерцовые приложения постоянно продвигаются вперед с продемонстрированным микроволновым приемником для сигналов до 2.45 ГГц, гибкий ТГц детектор и демонстрация эффективного охлаждения наноэлектронных устройств на основе графена с использованием гиперболического фононного охлаждения. Гибкая природа графена позволяет использовать различные электронные устройства на гибких подложках, такие как, например, гибкие, полностью твердотельные суперконденсаторы на основе графена, переносные сенсорные панели, тензодатчики и трибоэлектрические датчики с автономным питанием, все из которых недавно были продемонстрированы, с приложениями. такие как гибкие и надежные устройства с туш-экраном, такие как мобильные устройства и наручные часы, уже не за горами.

Помимо этих краткосрочных приложений, можно ожидать складных телевизоров и телефонов и, в конечном итоге, гибких электронных газет, содержащих интересные публикации, которые можно обновлять с помощью беспроводной передачи данных. Поскольку графен чрезвычайно прозрачен, ожидается, что он станет компонентом интеллектуальных (и чрезвычайно прочных) окон в домах с (потенциально) виртуальными шторами или возможностью отображения контента.

Оптическая связь стала основой эпохи Интернета и, как ожидается, станет не менее важной для развивающихся сетей 5G.Современные средства связи основаны на оптических каналах связи, по которым информация передается со скоростью света, а также на таких схемах, как фотодетекторы и модуляторы, которые способны кодировать большой объем информации в эти световые лучи. Хотя кремний является предпочтительным материалом для фотонных волноводов на оптических микросхемах, фотодетекторы изготавливаются из других полупроводников, таких как GaAs, InP или GaN, поскольку кремний прозрачен на стандартных длинах волн телекоммуникационного оборудования. Интегрировать эти другие полупроводники с кремнием сложно, что усложняет процессы производства и увеличивает расходы.Кроме того, управление температурным режимом становится проблемой, поскольку фотонные устройства продолжают сжиматься, потребляя больше энергии.

Графен является многообещающим материалом для фотодетекторов телекоммуникационной связи, поскольку он поглощает свет в широком диапазоне частот, включая стандартные длины волн телекоммуникационного оборудования. Он также совместим с технологией CMOS, что означает, что он может быть технологически интегрирован с кремниевой фотоникой. Кроме того, графен является отличным проводником тепла, обещая снижение потребления тепла фотонными устройствами на основе графена.По этим причинам графен для оптических коммуникаций был интенсивной областью исследований, которые в настоящее время получают результаты в виде полностью работающих прототипов.

В 2016 году полоса пропускания графеновых фотоприемников достигла 65 ГГц с использованием pn-переходов графен / кремний с потенциальной скоростью передачи данных ~ 90 Гбит / с ^{-1 ​​}. Уже в 2017 году графеновые фотоприемники с полосой пропускания более 75 ГГц были изготовлены на технологической линии 6-дюймовых пластин. Эти рекордные устройства были продемонстрированы на Всемирном мобильном конгрессе в Барселоне в 2018 году, где посетители могли испытать первый в мире полностью графеновый оптический канал связи, работающий со скоростью передачи данных 25 Гбит / с ^{-1 ​​} на канал.В этой демонстрации все активные электрооптические операции выполнялись на графеновых устройствах. Графеновый модулятор обрабатывал данные на передающей стороне сети, кодируя электронный поток данных в оптический сигнал. На стороне приемника графеновый фотодетектор действовал наоборот, преобразовывая оптическую модуляцию в электронный сигнал. Устройства были изготовлены из графена Graphenea CVD и представлены в Graphene Pavilion.

Графен, полученный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), станет краеугольным камнем будущих сенсоров на основе графена, химических, биологических и других типов.Двумерная природа материала обеспечивает существенные преимущества для сенсорных приложений, поскольку весь объем материала действует как чувствительная поверхность. Кроме того, графен обеспечивает превосходную механическую прочность, тепловую и электрическую проводимость, компактность и потенциально низкую стоимость, что необходимо для конкуренции на переполненном рынке датчиков.

Датчики газа / пара на основе графена привлекли большое внимание в последние годы из-за их разнообразия структур, уникальных характеристик чувствительности, условий работы при комнатной температуре и огромных перспектив применения.Помимо водяного пара, графен использовался для определения газов, таких как NH ₃ , NO ₂ , H ₂ , CO, SO ₂ , H ₂ S, а также паров летучих органических соединений. , что привело к резкому увеличению числа научных публикаций по этой теме. Графен также использовался для обнаружения следов опиоидов в концентрациях до 10 пикограммов на миллилитр жидкости.

Это множество благоприятных свойств привело к широкому спектру исследований использования графена для биочувствительности.Особенно интересными конфигурациями являются графеновые полевые транзисторы (GFET) и усиленный графеном поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Эти типы графеновых сенсоров использовались для обнаружения ДНК, белков, глюкозы и бактерий. С использованием GFET были изготовлены биосенсоры с пределом обнаружения 10 пг / мл для молекул опиоидов.

Графен также является технологией, позволяющей создавать новые гибкие датчики магнитного поля. Рынок датчиков магнитного поля постоянно растет, его размер оценивается в 4 доллара США.16 миллиардов в 2022 году. Многоцелевые датчики магнитного поля, такие как определение положения, текущий контроль, определение скорости и определение углов, открывают доступ к широкому спектру отраслей, таких как автомобилестроение, бытовая электроника, здравоохранение и оборона. Наиболее распространенный тип магнитных датчиков использует эффект Холла, создание разности потенциалов на электрическом проводнике при приложении магнитного поля.

Ключевым фактором для определения чувствительности датчиков Холла является высокая подвижность электронов.Таким образом, графен представляет собой очень интересный материал для этого приложения, с измеренной подвижностью носителей, превышающей 200 000 см. ² V ^-1 s ^-1 . Графеновые датчики Холла с чувствительностью по току до 5700 V / AT и чувствительностью по напряжению до 3 V / VT были продемонстрированы в графене, инкапсулированном в нитрид бора. Такие характеристики превосходят современные кремниевые датчики и датчики Холла III / V с магнитным разрешением всего 50 нТл / √Гц. Текущий практический предел чувствительности графеновых устройств Холла на стандартных промышленных пластинах составляет около 3000 В / ат.Для сравнения, современные датчики Холла из традиционных CMOS-совместимых материалов имеют чувствительность порядка ~ 100 В / АТ. Даже гибкие графеновые датчики Холла, изготовленные на каптоновой ленте, достигают чувствительности, аналогичной жестким кремниевым датчикам Холла.

Комбинируя некоторые из этих вышеупомянутых потенциальных применений, можно представить себе дальновидные приложения, такие как автомобильные системы безопасности, которые связаны с краской на транспортном средстве — автомобильная сигнализация не только сможет определить, если кто-то прикасается к транспортному средству, но и сможет для записи этой информации и отправки ее на смартфон владельца в режиме реального времени.Такую «умную краску» можно также использовать для анализа дорожно-транспортных происшествий с целью определения начальных пятен контакта и вытекающего из этого рассеяния энергии.

Скоро на рынке появится одежда, содержащая фотоэлектрические элементы и суперконденсаторы с графеновым покрытием, а это означает, что мы сможем заряжать наши мобильные телефоны и планшетные компьютеры за считанные минуты (возможно, даже за секунды), идя в школу или на работу. Возможно, мы даже увидим специальную одежду, обеспечивающую защиту от нежелательного контакта с использованием электрического разряда.

Игровой автомат

Таким образом, это открытие профессора физики и его аспиранта в лаборатории в Манчестере, где они использовали кусок графита и немного скотча, полностью изменило то, как мы смотрим на потенциальные пределы наших способностей как ученых, инженеров и изобретателей. . Возможности того, чего мы можем достичь с помощью имеющихся у нас материалов и знаний, были широко раскрыты, и теперь можно представить себе такие удивительные перспективные ситуации, как молниеносные, но сверхмалые компьютеры, плащи-невидимки, смартфоны, которые существуют в последние недели. между зарядками и компьютерами, которые мы можем сложить и носить в карманах, куда бы мы ни пошли.

Графен и графит — Графенея

– Атрибуты графена — прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость и способность к химическим реакциям с другими веществами — обладают потенциалом для развязывания новой технологической революции более великих масштабов, чем та, которая была начата. электричеством в XIX веке и развитием Интернета в 1990-х. ”- LarrainVial

В самых общих чертах графен можно описать как один слой толщиной в один атом обычно встречающегося минерального графита; графит состоит из сотен тысяч слоев графена.На самом деле структурный состав графита и графена, а также способ создания одного из другого немного отличаются.

Графит

Еще когда вы учились в школе, очень вероятно, что вы встречали термин «грифель карандаша», относящийся к центральной сердцевине карандаша, которая может наносить отметки на бумаге и других материалах. Фактически, это центральное ядро, которое чаще всего делается из графита, смешанного с глиной, вместо того, чтобы относиться к химическому элементу и тяжелому металлу, свинцу.Ошибка возникла, когда он был впервые обнаружен, и в этот момент, поскольку он представляет собой форму углерода и содержит аналогичный молекулярный состав с другими членами углеродной группы (хотя в первую очередь из-за визуального сходства), считалось, что это форма свинца.

Графит — это минерал, который естественным образом встречается в метаморфических породах на разных континентах мира, включая Азию, Южную Америку и некоторые части Северной Америки. Он образуется в результате восстановления осадочных углеродных соединений во время метаморфизма.Вопреки распространенному мнению, химические связи в графите на самом деле сильнее, чем в алмазе. Однако то, что определяет разницу в твердости этих двух соединений, — это структура решетки атомов углерода, содержащихся внутри; алмазы, содержащие связи трехмерной решетки, и графит, содержащий связи двумерной решетки (слои углеродных листов). Хотя в каждом слое графита атомы углерода содержат очень прочные связи, слои могут скользить друг по другу, делая графит более мягким и податливым материалом.

Обширные исследования на протяжении сотен лет доказали, что графит является впечатляющим минералом, демонстрирующим ряд выдающихся и превосходных свойств, включая его способность хорошо проводить электричество и тепло, обладать высочайшей естественной жесткостью и прочностью даже при температурах, превышающих 3600 градусов Цельсия, и также обладает высокой устойчивостью к химическому воздействию и самосмазыванием. Однако, хотя он был впервые обнаружен более тысячи лет назад и впервые назван в 1789 году, промышленности потребовалось время, чтобы полностью реализовать потенциал этого удивительного материала.

Графит — один из трех встречающихся в природе аллотропов углерода (другие — аморфный углерод и алмаз). Разница между тремя встречающимися в природе аллотропами заключается в структуре и связях атомов внутри аллотропов; алмаз имеет кристаллическую структуру алмазной решетки, графит имеет структуру сотовой решетки, а аморфный углерод (такой как уголь или сажа) не имеет кристаллической структуры.

Хотя существует множество различных форм углерода, графит имеет чрезвычайно высокое качество и является наиболее стабильным в стандартных условиях.Поэтому его обычно используют в термохимии как стандартное состояние для определения тепловыделения соединений, состоящих из углерода. В природе он встречается в трех различных формах: кристаллический чешуйчатый, аморфный и кусковой или прожилковый графит, и в зависимости от его формы используется для множества различных применений.

Как упоминалось ранее, графит имеет плоскую слоистую структуру; каждый слой состоит из атомов углерода, связанных вместе гексагональной решеткой. Эти связи, или ковалентные связи, как они более известны с технической точки зрения, чрезвычайно прочны, а атомы углерода разделены только 0.142 нм. Атомы углерода связаны между собой очень прочными sp2-гибридизированными связями в один слой атомов в двух измерениях. Каждый отдельный двумерный слой sp2-связанных атомов углерода толщиной в один атом в графите разделен на 0,335 нм. По сути, кристаллическая чешуйчатая форма графита, как упоминалось ранее, представляет собой просто сотни тысяч отдельных слоев связанных атомов углерода, уложенных вместе.

«« Атрибуты графена — прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость и способность к химическим реакциям с другими веществами — обладают потенциалом, чтобы развязать новую технологическую революцию в более грандиозных масштабах, чем та, которая была открыта электричеством в XIX веке и развитием Интернета в 1990-х.»- LarrainVial»

»

Графен

Итак, графен — это, по сути, один слой графита; слой sp2-связанных атомов углерода, расположенных в сотовой (гексагональной) решетке. Однако графен обладает некоторыми впечатляющими свойствами, которые превосходят свойства графита, поскольку он изолирован от своего «исходного материала». Графит, естественно, является очень хрупким составом и не может использоваться как конструкционный материал сам по себе из-за его отвесных плоскостей (хотя он часто используется для армирования стали). С другой стороны, графен — это самый прочный из когда-либо зарегистрированных материалов, он более чем в триста раз прочнее конструкционной стали A36, имеет плотность 130 гигапаскалей и более чем в 40 раз прочнее алмаза.

Из-за плоской структуры графита его тепловые, акустические и электронные свойства сильно анизотропны, а это означает, что фононы гораздо легче перемещаются по плоскостям, чем при попытке пройти через плоскости. С другой стороны, графен, представляющий собой один слой атомов и обладающий очень высокой подвижностью электронов, предлагает фантастические уровни электронной проводимости из-за наличия свободного пи (π) электрона для каждого атома углерода.

Рекомендуемые товары

GFET-S10
(размер матрицы 10 мм x 10 мм)
Для измерительных приложений
380.00 $

Высококонцентрированный оксид графена (концентрация 2,5 мас.%)
440,00 $

Easy Transfer: однослойный графен на полимерной пленке
(1 см x 1 см)
80,00 $

Однако для реализации такого высокого уровня электронной проводимости необходимо легирование (электронами или дырками), чтобы преодолеть нулевую плотность состояний, которая может наблюдаться в точках Дирака графена. Было объяснено, что высокий уровень электронной проводимости связан с появлением квазичастиц; электроны, которые действуют так, как будто у них нет массы, как у фотонов, и могут путешествовать на относительно большие расстояния без рассеяния (отсюда эти электроны известны как безмассовые фермионы Дирака).

Создание или выделение графена

Есть несколько способов, которыми ученые могут производить графен. Первым успешным способом получения однослойного и многослойного графена было механическое расслоение (техника клейкой ленты). Тем не менее, многие исследовательские институты по всему миру в настоящее время стремятся найти лучший, наиболее эффективный и действенный способ производства высококачественного графена в больших масштабах, который также является экономичным и масштабируемым.

Наиболее распространенный способ создания однослойного или многослойного графена для ученых — это метод, известный как химическое осаждение из паровой фазы (CVD).Это метод, при котором атомы углерода извлекаются из источника, богатого углеродом, путем восстановления. Основная проблема этого метода — найти наиболее подходящую подложку для выращивания графеновых слоев, а также разработать эффективный способ удаления графеновых слоев с подложки без повреждения или изменения атомной структуры графена.

Другие методы создания графена: выращивание из твердого источника углерода (с использованием термоинженерии), обработка ультразвуком, разрезание открытых углеродных нанотрубок, восстановление диоксида углерода, а также восстановление оксида графита.Этот последний метод использования тепла (с помощью атомно-силового микроскопа или лазера) для восстановления оксида графита до графена в последнее время получил широкую огласку из-за минимальной стоимости производства. Однако качество производимого в настоящее время графена не соответствует теоретическому потенциалу, и для его совершенствования неизбежно потребуется некоторое время.

www.ChemistryIsLife.com — Химия графена

Графен — это однослойная двухмерная форма углерода, которая прочнее стали, является лучшим проводником, чем любой другой материал, и представляет собой революционное вещество.Я решил исследовать это, потому что это довольно новое открытие в области технологий, физики и химии — всех областях, которыми я надеюсь продолжить в колледже. Из-за своего недавнего открытия графен все еще находится на начальной стадии массового производства, поэтому его нет в повседневной жизни. Однако исследования графена растут, и продукты, связанные с графеном, действительно можно купить. С открытием более эффективных методов производства графен будет чаще встречаться в нашей повседневной жизни. Состав …

Основным и единственным компонентом графена является углерод. Графен — это просто версия более распространенной, встречающейся в природе формы углерода, графита толщиной в один атом. Графен состоит из изотопа углерода-12 основного элемента углерода, что означает, что он имеет 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Самый внешний энергетический уровень имеет 4 валентных электрона, что значительно упрощает создание связей с другими атомами. атомы углерода образуют гексагональный узор, из которого происходят многие свойства графена.

Основные химические вещества, соединения, компоненты

Как указывалось ранее, графен полностью состоит из атомов углерода-12. Каждый атом углерода связан с тремя другими атомами углерода. Единственный способ, которым это может произойти, — это гексагональный узор. Этот шестиугольный узор может повторяться снова и снова, любой длины. Структура вносит свой вклад в большинство свойств графена. Важные свойства проводимости тепла и электричества проистекают из этой структуры. Электроны могут свободно перемещаться по сильно связанной структуре, и тепло очень легко переносится через форму.Другой важный аспект структуры заключается в том, что на самом базовом уровне графен имеет толщину в один атом, но его можно сложить друг с другом, чтобы создать связную многослойную структуру. В самом простом масштабе графен считается двумерным, что является еще одним замечательным свойством.

Роль химии

Как и все в этом мире, графен имеет большое значение для химии. Первый вопрос, который нужно задать, — встречается ли графен в этом мире в природе. Ответ на этот вопрос — и да, и нет.Графит, встречающаяся в природе форма углерода, по сути представляет собой множество слоев графена. Однако в природе графен не существует в однослойной форме. Поскольку он разделен в лаборатории, это означает, что его трудно создавать в больших количествах, что повышает ценность продукта. Способ создания графена на удивление прост, но требует очень много времени. Хотя ученые пытаются найти более эффективный метод, в настоящее время наиболее часто используется метод скотча. На самом базовом уровне ученые наклеивают ленту на графит и отклеивают ее — процесс, для которого требуется всего несколько слоев графита.Этот процесс повторяется, пока он не станет толщиной в один слой.

Графен обладает множеством потрясающих качеств, и все они обусловлены его химическим составом. Одним из важных аспектов графена является его прозрачность. Он поглощает только 2% падающего на него света. Это потому, что между этими атомами есть пространство, и из-за их абсолютной тонкости. Стопка слоев графена могла бы улавливать больше света, но, поскольку графен настолько тонкий, он пропускает большую часть света. Еще одна важная характеристика, которую можно объяснить с помощью химии, — это ее прочность, которая в 200 раз прочнее стали.Каждый углерод связан с тремя другими атомами углерода, и эти связи очень прочные, потому что они ковалентны. Это удивительно, потому что он очень гибкий. Графен также является одним из лучших проводников электричества. Это потому, что электроны, основа электричества, могут течь через плотно связанные ковалентно связанные атомы углерода. Ковалентные связи позволяют электронам двигаться быстрее, и гексагональная форма помогает этому. Графен также является лучшим проводником тепла, известным человеку. Он превосходит все остальные материалы.Он также невероятно легкий — всего 0,78 миллиграмма на квадратный метр, а это означает, что лист графена размером с футбольное поле будет весить около 3,8 грамма. Одним из важных фактов о графене является то, что, когда он становится слишком большим, он теряет некоторые свои свойства.

Предпосылки исследования

Графен был впервые открыт в 2004 году Андре Геймом и его ассистентом Костей Новоселовым, профессорами Манчестерского университета. Хотя именно они его открыли, концепцию графена впервые исследовал П.Р. Уоллес в 1947 году, который исследовал свойства трехмерного аналога графена, графита. Перед тем как разделить монослой графена, на других металлах был «выращен» другой тип графена, названный эпитаксиальным графеном. Теперь сбор графена осуществляется с помощью микромеханического расщепления или использования адгезива для одновременного захвата нескольких слоев объемного графита. Когда этот процесс повторяется, можно извлечь единственный слой графена. Поскольку графен является однослойным, он обладает такими свойствами, как огромная прочность, отличная проводимость тепла и электричества и почти прозрачность.

Ресурсы

http://www.graphenea.com/pages/graphene#.VmjjVBqDGkq

Что такое графен?

Чистый углерод

Гексагональная форма

Однослойный, толщиной в один атом

Длина связи между молекулами 0,124 нанометра

Это самая маленькая форма графита, его стопки образуют оксид графита в сочетании с кислородом

Самое тонкое соединение известно человеку

В 100-300 раз прочнее стали

Свойства графена

Основные характеристики

http: // www.newyorker.com/magazine/2014/12/22/material-question

Как это было открыто Андре Геймом и Костей Новоселовым

Propertes

http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/the- story-of-graphene /

Обнаружен в Манчестерском университете

Свойства и использование

В 2004 году

1984 был впервые теоретически предложен

Костя Новоселов работал с Андре

Возможно, можно использовать для очистки воды

Огромные свойства, которые может быть полезно

https: // en.wikipedia.org/wiki/Graphene#History

Соединения интеркаляции графита

Из чего он пришел

Кристаллический аллотроп

http://www.nature.com/news/graphene-the-quest-for-supercarbon-1.14193

используется для чехлов для смартфонов

доставить его из лаборатории в цех

дорого сделать в больших листах

когда сделать в больших листах, свойства скомпрометированы

флагманский проект графена

Автор

Джордж Dyre

Графен Свойства молекулярной структуры фторографена использует технологические приложения gcse igcse gce A Level AS A2 Chemistry revision notes

Часть 5.Графен, оксид графена и фторографен — структура, свойства и применение Док Brown’s Chemistry KS4 science GCSE / IGCSE / O level / A Level Chemistry Revision Notes НАНОХИМИЯ Нанонаука Нанотехнологии Наноструктуры Почему графен такой прочный? Что такое структура графена и фторографена? См. Также аллотропы углерода — алмаз, графит, фуллерены и др. Алфавитный указатель ключевых слов для страницы нанонауки : Указатель страниц нанонауки : нитрид бора * Бакминстерфуллерены-баки * углеродные нанотрубки * наночастицы жира * фторографен * фуллерены * графен * здоровье и вопросы безопасности * липосомы * нанохимия * наноматериалы * наночастицы * наноразмер * нанонаука * наноразмерные-наноразмерные-частицы * наноструктуры * нанотехнологии * нанотрубки * проблемы использования наноматериалов * наночастицы серебра * вопросы безопасности * солнцезащитные кремы-кремы для загара * диоксид титана Также А общий обзор материалов — природных и синтетических, их свойств и применения основная школа химия ревизия отмечает наука GCSE химия, IGCSE химия, O level & ~ Школьные курсы естественных наук для 8, 9 и 10 классов в США или их эквиваленты для детей от 14 до 16 лет студенты естественных наук для сдачи национальных экзаменов по химии по темам, включая наночастицы нанонаука нанохимия использование наноматериалов Часть 5.Графен и Фторографен Графен — структура и свойства Что такое графен? Что такое молекулярная структура графена? Для чего можно использовать графен? Графен — умный материал, но может также может рассматриваться как 2D-наноматериал, потому что его толщина составляет всего один атом. Графен — это, по сути, одиночный слой углерода в виде графита, с его слоистой структурой гексагональные кольца атомов углерода (структура графита). Можно синтезировать графит в отдельных слоях толщиной всего один атом, и продукт известен как графен , чья Ниже представлена ​​«сотовая» решетка. Каждая молекула графена представляет собой полностью плоская форма. Длина связи C-C составляет 0,142 нм, как и в графите, его среднее значение между 0,154 нм для связи C-C и 0,134 нм для C = C связь. Угол соединения C-C-C составляет 120 o , что вы ожидаете от внутреннего угла идеально симметричной плоской шестиугольник. Связи C-C прочные, прочная двумерная решетка атомов углерода. Каждый слой состоит из шестиугольников. кольца атомов углерода, связанных вместе в плоскую решетку, формула C n где n — очень большое число, НО слой графена — это всего лишь один атом в толщина ! другая версия скелетной формулы представления графена . На этом изображении показано, как структура графена относится к полиароматическим углеводородам, таким как нафталин C 10 H 8 и антрацен C 14 H 10 состоящий из 2 и 3 конденсированных бензола кольца соответственно. Если вы доведете этот «ароматический синтез» до крайности в двух размеры, атомы водорода уходят, и в результате получается молекула графена почти 100% атомов углерода. Графен пространственно рассмотрен 2D-материал. В графене каждый атом углерода образует три сигма-связи с другими атомами углерода (sp 2 гибридизация) через три из четырех валентностей электроны, но 4-й электрон делокализован, то есть имеет общее с другим углеродом атомы, дающие дополнительную связь (пи-электроны, пи-связь) … … это дает очень плотно упакованная и прочно связанная сеть атомов углерода внутри слоя, углерод-углеродные связи короткие и прочные (три на атом углерода), что очень высокая прочность на разрыв (в 300 раз больше, чем у стали), но при этом очень легкий материал низкой плотности. … И потому что эти пи или делокализованные электроны могут свободно перемещаться через слой, электрическая проводимость легко возникает, если приложить разность потенциалов. Эта делокализованная система означает что он ненасыщен и теоретически атомы могут добавлять к нему, НО это химически относительно инертен, за исключением горения! Графен имеет высокую термическую стабильность (как графит, до 3000 o C при отсутствии кислорода), высокий электрический проводимость, высокая оптическая прозрачность и химически относительно инертный. Графен, этот замечательный материал, сделанный из листов углерода толщиной всего в один атом, показал, что подвергается процессу самовосстановления для исправления отверстий при воздействии незакрепленных атомы углерода. Казалось бы, когда дыры были пробиты в нем пучком атомов, если атомы углерода находились рядом с поверхность графеновых листов, полные шестиугольные кольца реформируются, создавая двухмерные (2D) листы в комплекте. Графен обладает выдающейся механической прочностью по отношению к его тонкость и в сочетании с его электронными свойствами, это многообещающий материал для широкого спектра применений в будущем. Однако графен очень из-за тонкости его легко повредить при работе, поэтому любое «самовосстановление» недвижимость приветствуется! – ИСПОЛЬЗОВАНИЕ графена — потенциал применения графена Итак, что мы можем использовать графен для? Графен можно использовать для производим превосходные транзисторы для электронной промышленности. Проводимость может зависеть от на окружающее электрическое поле, что делает его очень чувствительной поверхностью и металлом. пленки не могут быть такими тонкими, поэтому менее чувствительными. Графен может быть использован в чувствительные газовые сенсоры — молекулы «приземляются» на поверхность, вызывая измеримые электронные изменения и, возможно, даже отдельные молекулы могут генерировать сигнал. Графен в 100 раз прочнее, чем сталь навалом, поэтому имеет потенциал для использования в малых масштабах, НО прочная компоненты в устройствах. Графен обладает высокой устойчивостью к воздействие сильных кислот (например, азотной, соляной, серной, плавиковой кислоты) или сильные щелочи (например, гидроксид натрия, гидроксид калия) и т. д. может использоваться для придания поверхностям ультратонкого защитного слоя, который прозрачный. Может использоваться как опора мембрана для просвечивающей электронной микроскопии, используемая для изучения молекулярных детали материалов, таких как хрупкие молекулы ДНК и наночастицы самих себя! Новые техники были разработан для производства высокоселективных фильтрующих материалов на основе графен, который может привести к более эффективному опреснению.Ученые удалось создать субнаноразмерные поры в листе материалы толщиной в один атом, включая графен, который является одним из самые прочные из известных материалов. Поэтому листы графена, с этими субнаноуровневыми порами может вести себя как полупроницаемые мембраны. Итак, одно возможное использование эти опреснение морской воды, очень важное в регионах мира там, где не хватает пресной воды e.грамм. пустынные регионы стран Африки и Ближний Восток. Чистая вода может быть извлечена поскольку молекулы воды могут диффундировать через графеновую мембрану, оставляя более крупные гидратированные ионы из солей, содержащихся в морской воде например ионы натрия и ионы хлорида из хлорида натрия. Идея состоит в том, чтобы получить эти субнаноуровневые поры, достаточно мелкие, чтобы препятствовать прохождению более крупных молекул или ионов через фильтр с графеновой мембраной, но достаточно большой, чтобы пропускать воду молекулы диффундировать через. – НЕ в некоторых программах, но очень интересно! Технически графен аллотроп углерода (как алмаз и графит), хотя на самом деле это однослойный графит. Графен — двумерный (2D) аллотроп углерода (алмаз — 3D). Однако, поскольку углерод имеет валентность четыре, возможны и другие линейные одномерные (1D) формы на основе систем одинарной, двойной или тройной ковалентной связи углерод-углерод. Итак, опять же, технически эти также являются аллотропами углерода. Итак, идет исследование пытаясь синтезировать и исследовать свойства линейных структур По материалам: – Фторографен (тоже умный материал) Что такое фторографен? Какие такое молекулярная структура фторографена? Что мы можем использовать фторографен для? Во фторографене четвертый валентный электрон углерода спарен с электроном фтора, образуя четвертый одинарная ковалентная связь между углеродом и фтором. – Каждый атом углерода образует четыре одинарные связи, направленные в углы тетраэдра. Валентные углы C-C-F и C-C-C будет около 109 o (симметричный тетраэдрический угол, как в метан) Три сильных C-C углерод-углеродные связи от каждого атома углерода производят сильная гигантская 2D сеть связей, но четвертая связь (углерод-фтор C-F, тоже очень сильно) ‘тыкает’ вверх и вниз от этого «волнистого» двумерного массива атомов углерода. Это означает, в отличие от графена, нет «запасного» 4-го электрона от углерода для образования делокализованного электрона система, которая позволяет проводить электричество, поэтому это электрическая изолятор. Фторографен — насыщенный органическое соединение (CF) n , где n — очень большое число (эмпирическая формула CF). Это упрощенно 2D версия ТЕФЛОН / ПТФЭ, состоящая из длинного одномерного поли (тетрафторэтиленового) полимера молекулы. Как и ПТФЭ, фторографен имеет очень высокую термостойкость и отличные антипригарные свойства. Также, как и ПТФЭ, он химически очень стабилен, т. Е. Очень инертен, поэтому, в сочетании с высокой термостойкостью, он может использоваться в качестве очень стабильный наплавочный материал в широком диапазоне температур. Использование фторографена Высококачественный супертонкий изолятор. Его электронные приложения включать использование в светодиодах (светодиодах) Как и ТЕФЛОН, он может использоваться как инертная защитная «антипригарная» поверхность, но я думаю, что тефлон намного дешевле производить! Самоочищающиеся окна. Духовки с самоочисткой. – Оксид графена — использовать как воду фильтр Исследования собираются разработать воду фильтры на основе графена e.грамм. для преобразования морской воды или солоноватой пресной воды в питьевую воду. Это может помочь миллионам людей, особенно в развивающихся странах, таких как Африка, чтобы иметь доступ к чистым питьевая вода. А Оксид графена Сито отфильтровывает соли, но оно не так эффективен, как хотелось бы, и в настоящее время довольно дорогостоящий. Идея состоит в том, чтобы просто пропустить воду через и действуют как барьер для солей, таких как хлорид натрия, процесс, называемый опреснение. Слои оксида графена будут действовать как полупроницаемая мембрана. – См. Также аллотропы углерода — алмаз, графит, фуллерены и др. НАЧАЛО СТРАНИЦЫ ГДЕ ДАЛЕЕ? НАУКА — ИНДЕКС НАНОХИМИИ Часть 1.Введение в нанонауку, наночастицы, объяснение широко используемых терминов Часть 2. Нанохимия — введение, использование и потенциал описанных приложений Часть 3. Использование наночастиц оксида титана (IV) (например, солнце сливки), жир (например, косметика), серебро (например, в медицине) Часть 4. От фуллеренов и баки-шаров до углеродных нанотрубок — строение, свойства, использование Часть 5.Графен, оксид графена и фторографен — состав, свойства, применение Часть 6. Нитрид бора кубический и гексагональный БН Часть 7. Проблемы, проблемы и последствия, связанные с с использованием наноматериалов см. Также УКАЗАТЕЛЬ из Умные материалы страницы и Общий обзор материалов — натуральных и синтетических, их свойства и использование состав, свойства и использование графена для химии, структуры, свойств и использования графена AQA AS для Edexcel Уровень AS, химия, структура, свойства и использование графена для уровня A OCR AS, химия A, структура, свойства и использование графена для химии B OCR Salters AS, структура, свойства и использование графена для химии уровня AQA A, структура, свойства и использование графена для химии уровня A level Edexcel, структура, свойства и использование графена для OCR Химия уровня A A, структура, свойства и использование графена для A level OCR Salters A химия уровня B структура, свойства и использование графена для 11 класса с отличием США 12 класс структура, свойства и использование графена для довузовские курсы химии довузовские курсы пересмотр уровня A примечания к структуре, свойствам и использованию графена Руководство по уровням заметки о структуре, свойствах и использовании графена для школ, колледжей, академий, преподавателей учебных курсов, изображений рисунки, диаграммы для структуры, свойств и использования графена Примечания к пересмотру химии уровня A на структура, свойства и использование графена для пересмотра примечаний к темам модуля, чтобы помочь в понимании структура, свойства и использование научных курсов университета графена карьера в науке работа в промышленности лаборант стажировки технические стажировки США США 11 класс 11 класс AQA A химия уровня примечания о структуре, свойствах и использовании графена Edexcel Химические заметки уровня A о структуре, свойствах и использовании графен для OCR Химия уровня A Заметки по химии WJEC A level по структуре, свойствам и использование графена CCEA / CEA A level Заметки по химии о структуре, свойствах и использовании графена для вступительных экзаменов в университет примечания о структуре, свойствах и использовании графена KS4 Примечания к редакции GCSE Science на структура, свойства и использование графена руководство по химии GCSE заметки о структуре, свойствах и использовании графена для школ, колледжей, академий, преподавателей учебных курсов, изображений рисунки, диаграммы для структуры, свойств и использования графеновой науки и химии. структура, свойства и использование графена для пересмотра примечаний к темам модуля по химии, чтобы помочь в понимании структура, свойства и использование научных курсов университета графена карьера в науке работа в промышленности лаборант стажировки технические стажировки США США 8 класс 9 класс 10 AQA химия наука GCSE примечания о структуре, свойствах и использовании графена Edexcel химические научные заметки о структуре, свойствах и использовании графен для OCR химии 21 века примечания о структуре, свойствах и использовании графена OCR GCSE Gateway science химические заметки о структуре, свойствах и использовании графена WJEC gcse science chemistry notes on структура, свойства и использование графена CCEA / CEA gcse химические заметки, наука о химии, химические заметки по структуре, свойства и использование графена IGCSE примечания к пересмотру химии по структуре, свойствам и использованию Примечания по химии уровня графена O должны оказались полезными для новой химии AQA, химии Edexcel и OCR химия GCSE (91, 9-5 и 5-1) научные курсы gcse Chemistry Revision бесплатные подробные заметки о структуре, свойствах и использовании графен, чтобы пересмотреть химию igcse Примечания к пересмотру химии igcse по структуре, свойствам и использование химии уровня O графена подробные примечания по структуре, свойствам и использованию, не требующие пересмотра графена, чтобы помочь пересмотреть gcse бесплатные подробные заметки по химии о структуре, свойствах и использование графена для пересмотра уровня O бесплатный онлайн-сайт по химии, который поможет пересмотреть структуру, свойства и использование графена для gcse бесплатный онлайн-сайт по химии, чтобы помочь пересмотреть структура, свойства и использование графена для Бесплатный онлайн-сайт по химии igcse, который поможет пересмотреть уровень O структура, свойства и использование химии графена как добиться успеха в вопросах по структура, свойства и использование графена для gcse химия как добиться успеха в igcse химия как добиться успеха по химии уровня O хороший сайт для бесплатных вопросов по структура, свойства и использование графена, чтобы помочь ответить на вопросы по химии gcse структура, свойства и использование графена хорошее сайт бесплатно помогите пройти igcse химия с доработкой заметки о структуре, свойствах и использовании графена хороший веб-сайт для бесплатной помощи для прохождения уровня O химия GCSE (91, 9-5 и 5-1) научные курсы что такое молекулярная структура графена? какие свойства графена? для чего можно использовать графен? нарисовать диаграмму графена, каковы физические свойства фторографен? каковы виды использования фторографена? НАЧАЛО СТРАНИЦЫ

Оксид графена | ACS Материал

Оксид графена | ACS Материал

21 нояб.2017 г. | ООО «АКС МАТЕРИАЛ»

Коммерциализация графена была основным направлением исследований и технологий, но его высокая стоимость и некоторые трудности в производстве больших количеств материала остаются предметом обсуждения.Однако оксид графена исключительно применим для создания масштабируемого производства; Фактически, это был привлекательный материал-предшественник для крупномасштабного производства материалов на основе графена. Здесь мы подробнее обсудим оксид графена, его синтез и то, как он может быть отличным материалом для различных приложений.

Введение в оксид графена

Графен представляет собой двумерный кристаллический аллотроп с гексагональной структурой решетки, состоящей из чистых атомов углерода.Они наиболее известны своими уникальными свойствами, включая высокую оптическую прозрачность, лучшую теплопроводность при комнатной температуре и способность быть гибкими в прочном наноразмерном материале. Графен был впервые обнаружен в результате механического расслоения трехмерных кристаллов графита и отделения одного слоя графена с помощью скотча. С тех пор графен получил признание благодаря своим свойствам, и были протестированы различные методы, чтобы найти лучший способ производить крупномасштабные количества с низкими затратами, но его все еще сложно производить с такими характеристиками.

Оксид графена (GO) оказался отличным предшественником для получения графена с более высокими выходами и меньшими затратами. Чтобы получить ОГ, сначала производят оксид графита, используя кристаллы графита, которые были окислены сильными окислителями, такими как серная кислота. В результате обработки ультразвуком графит приобретает кислородсодержащие функциональные группы, которые позволяют материалу диспергироваться в воде при увеличении межслоевого расстояния. ¹ Затем оксид графита может быть расслоен на один или несколько слоев оксида графена, функционализированного кислородом (GO).Разница между оксидом графита и GO основана на их различных структурах, но химический состав остается одинаковым. GO — однослойный материал, состоящий из молекул углерода, водорода и кислорода, который в конечном итоге становится недорогим, но в большом количестве. ² Однако из-за нарушения его sp ² гибридизации GO склонен описываться как электрический изолятор, а не как проводник. Чтобы противодействовать этому разрушению, GO может быть восстановлен с образованием восстановленного оксида графена (rGO), чтобы восстановить его гексагональную структуру решетки и произвести графеноподобные листы, удалив большую часть кислородных групп, чтобы они были очень похожи на графен.

Рис. 1. Молекулярная структура оксида графена состоит из углерода, водорода и кислорода.

Одной из наиболее важных характеристик GO является то, что он может быть произведен из графита (поскольку он недорогой) с использованием различных химических методов, обеспечивая высокую производительность при исключительной рентабельности. Вторая характеристика заключается в том, что ОГ очень хорошо диспергируется в воде и может образовывать стабильные водные коллоиды для сборки макроскопических структур с помощью более дешевых способов растворения.Хотя поверхность этих листов GO имеет некоторые дефекты, общий размер элементарных ячеек остается очень похожим на графен. ² Таким образом, GO представляет собой окисленную версию графена, состоящую из кислородсодержащих групп. Из-за наличия различных функциональных групп GO имеет более низкую эластичность, а его модуль Юнга зависит от функционализации и молекулярной структуры функциональных групп. ³

Синтез

В настоящее время GO можно синтезировать различными способами, такими как модифицированный метод Хаммера и метод Штауденмайера.Оба метода включают окисление графита, но различаются минеральными кислотами, окислителями, временем приготовления и типом процессов промывки / сушки. ⁴ В исходном методе Хаммерса GO был синтезирован с использованием KMnO ₄ и NaNO ₃ в концентрированной H ₂ SO ₄ . Обычно для модифицированного метода Хаммера использовали реагенты Хаммера с добавлением NaNO ₃ . GO производится из чистого графитового порошка, который постепенно добавляется (вместе с NaNO ₃ ) в раствор H ₂ SO ₄ с горячей концентрацией, который будет охлажден на ледяной бане.KMnO ₄ следует добавлять медленно, чтобы поддерживать температуру реакции ниже 20 ° C во избежание перегрева и взрывов. Для завершения реакции с KMnO ₄ суспензию затем обрабатывают раствором H ₂ O ₂ и промывают HCl и H ₂ О. После фильтрации и сушки будут получены листы GO. ^{5, 6} Этот модифицированный метод является очень распространенным и надежным при получении GO с высоким выходом.

Метод Штауденмайера — это еще один химический синтез GO, который улучшил уже существующий метод (Brodie, 1859) с использованием KClO3 в суспензии графита в дымящейся HNO ₃ ; в импровизированном варианте в качестве окислителей дополнительно добавлены концентрированные H ₂ SO ₄ и HNO ₃ . ⁷ Дополнительный KClO ₃ будет медленно добавляться в течение одной недели во время процедуры. ⁸ Небольшие изменения обеспечили простую процедуру производства сильно окисленного GO.

Приложения

Крупное и удобное производство GO привело к его появлению в качестве прекурсора для изготовления прозрачных проводящих пленок (TCF). ⁹ Поскольку ГО является гидрофильным, с его помощью можно создавать стабильные и гомогенные коллоидные суспензии в водных или полярных органических растворителях, что позволяет упростить процесс диспергирования для получения TCF на подложке.Использование однослойного GO увеличивает прозрачность тонких пленок из-за более низкой концентрации GO в дисперсии, что позволяет тонким пленкам, возможно, получить более высокую прозрачность и проводимость. ¹⁰ Фактически, TCF, сделанные из GO, могут даже потенциально заменить прозрачные проводники из оксида индия и олова. ¹¹

Между тем функционализированный ГО может использоваться в качестве флуоресцентного и фотолюминесцентного средства при визуализации клеток. Фактически, исследования проводились с использованием скварановых красителей, которые были загружены внутрь мезопористых наночастиц диоксида кремния, где поверхности наночастиц были обернуты ультратонкими листами GO.Этот процесс может эффективно защитить загруженный краситель от нуклеофильной атаки и важен для приложений, связанных с флуоресцентной визуализацией in vitro. ¹² Другие приложения были применены к материалам биочувствительности, обнаружения и носителей лекарств на основе их флуоресценции.

Заключение

Получение графена с масштабируемым производством и низкой стоимостью является жизнеспособным для коммерциализации материала. GO является отличным предшественником графена, поскольку он обладает отличительными чертами и может быть изменен, чтобы получить молекулярную структуру графена после процесса восстановления.Использование обоих методов модифицированного Хаммера и Штауденмайера было очень возможным и обычным для эффективного получения высоких выходов ГО. Как производное графена, GO доказал, что он обладает уникальными качествами и множеством возможностей для использования в различных приложениях.

ACS Material Products:

Список литературы

1. Song, Jianguo, et al. «Приготовление и характеристика оксида графена». Журнал наноматериалов, 2014 (2014), 11 марта.2014 г., DOI: 10.1155 / 2014/276143.

2. Рэй, Сехар. (2015). Глава 2. Применение и использование оксида графена и восстановленного оксида графена. 39-55. 10.1016 / B978-0-323-37521-4.00002-9.

3. Zheng, Qinbing, et al. «Прозрачные проводящие пленки на основе оксида графена». Прогресс материаловедения, т. 64, июль 2014 г., стр. 200–247., DOI: https: //doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.03.004.

4. Рамакришнан, Минита Черукутти и Раджендракумар Рамасами Тангавелу.«СИНТЕЗ И ХАРАКТЕРИСТИКА ВОССТАНОВЛЕННОГО ОКСИДА ГРАФЕНА». Advanced Materials Research, Vol. 678 (2013), 25 марта 2013 г., стр. 56–60., DOI: DOI: 10.4028 / www.scientific.net / AMR.678.56.

5. Шахриари, Лейла и Анджали А. Атавале. «Оксид графена, синтезированный с использованием модифицированного подхода Хаммерса». Международный журнал возобновляемой энергии и экологической инженерии, январь 2014 г.

6. Zaaba, N.i., et al. «Синтез оксида графена с использованием модифицированного метода Хаммерса: влияние растворителя.”Разработка процедур, т. 184, 2 мая 2017 г., стр. 469–477., DOI: 10.1016 / j.proeng.2017.04.118.

7. Алам, Сайед Насимул и др. «Синтез оксида графена (GO) модифицированным методом Хаммерса и его термическое восстановление для получения восстановленного оксида графена (RGO) *». Графен, т. 06, нет. 01, 2017, стр. 1–18., DOI: 10.4236 / graphene.2017.61001.

8. Li, Jianchang, et al. «Получение оксида графена и его производных и их применение в биотрибологических системах». Смазочные материалы, т.2, вып. 3, 2014, стр. 137–161., DOI: 10.3390 / смазочные материалы2030137.

9. Zhu, Yanwu, et al. «Графен и оксид графена: синтез, свойства и применение». Advanced Materials Research, 29 июня 2010 г., DOI: 10.1002 / adma.201001068.

10. Zheng, Qingbin, et al. «Прозрачные проводящие пленки, состоящие из сверхбольших листов графена, произведенные на сборке Ленгмюра – Блоджетт». САУ Нано, т. 5, вып. 7, 2011, стр. 6039–6051., DOI: 10.1021 / nn2018683.

11. Некахи, А., и другие. «Прозрачная проводящая тонкая пленка из сверхбольших монослоев восстановленного оксида графена». Прикладная наука о поверхности, т. 295, 15 марта 2014 г., стр. 59–65., DOI: 10.1016 / j.apsusc.2014.01.004.

12. Sreejith, S, et al. «Обертывание оксидом графена мезопористых наночастиц диоксида кремния, загруженных сквареном, для биоимиджинга». Журнал Американского химического общества, Национальная медицинская библиотека США, 24 октября 2012 г., www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22799451.

Аллотропы углерода | Введение в химию

Цель обучения

• Опишите свойства аллотропов углерода.

---

Ключевые моменты

• Алмаз — это хорошо известный аллотроп углерода, обладающий твердостью и высокой дисперсией света. Это самый твердый из известных природных минералов, который находит применение в резке, сверлении и ювелирных изделиях, а также в качестве потенциального полупроводникового материала.
• Графен представляет собой одинарный слой атомов углерода, расположенных в одной плоскости; слои графена составляют графит. Графен представляет интерес из-за его высокой подвижности электронов и его возможных применений в электронике.
• Фуллерены — это класс аллотропов углерода, в которых углерод принимает форму полой сферы, эллипсоида или трубки. Этот класс материалов включает углеродные нанотрубки, бакиболлы и недавно открытые нанопучки.

---

Срок

• аллотропов Различные формы химического элемента.

---

Аллотропия — это свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах или аллотропах, когда они встречаются в природе. Есть несколько аллотропов углерода.

Аллотропы углерода Аллотропы углерода: а) алмаз, б) графит, в) лонсдейлит, г) C60 (бакминстерфуллерен или бакиболл), д) C540, f) C70, г) аморфный углерод и h) однослойный углерод нанотрубка, или бакитуба.

Бриллиант

Алмаз, вероятно, самый известный углеродный аллотроп. Атомы углерода расположены в решетке, которая представляет собой разновидность гранецентрированной кубической кристаллической структуры. Он обладает превосходными физическими качествами, большинство из которых связано с прочной ковалентной связью между его атомами.Каждый атом углерода в алмазе ковалентно связан с четырьмя другими атомами углерода в тетраэдре. Эти тетраэдры вместе образуют трехмерную сеть из шестичленных углеродных колец в конформации кресло, допускающую нулевую деформацию валентного угла. Эта стабильная сеть ковалентных связей и гексагональных колец является причиной того, что алмаз невероятно прочен как вещество.

В результате алмаз имеет самую высокую твердость и теплопроводность среди всех сыпучих материалов. Кроме того, его жесткая решетка предотвращает загрязнение многими элементами.Поверхность алмаза липофильная и гидрофобная, что означает, что он не может намокать водой, но может быть в масле. Алмазы обычно не вступают в реакцию с какими-либо химическими реагентами, включая сильные кислоты и основания. Использование алмаза включает резку, сверление и шлифование; ювелирные украшения; и в полупроводниковой промышленности.

Алмаз и графит Алмаз и графит — это два аллотропа углерода — чистые формы одного и того же элемента, различающиеся по структуре.

Графит

Графит — еще один аллотроп углерода; в отличие от алмаза, это электрический проводник и полуметалл.Графит является наиболее стабильной формой углерода при стандартных условиях и используется в термохимии как стандартное состояние для определения теплоты образования углеродных соединений. Природный графит бывает трех видов:

1. Кристаллический чешуйчатый графит: изолированные плоские пластинчатые частицы с шестиугольными краями
2. Аморфный графит: мелкие частицы, результат термического метаморфизма угля; иногда называют метаантрацитом
3. Кусковой или прожилковый графит: встречается в трещинах, прожилках или трещинах, проявляется в виде разрастаний волокнистых или игольчатых кристаллических агрегатов

Графит имеет слоистую планарную структуру.В каждом слое атомы углерода расположены в гексагональной решетке с разделением 0,142 нм, а расстояние между плоскостями (слоями) составляет 0,335 нм. Две известные формы графита, альфа (гексагональная) и бета (ромбоэдрическая), имеют очень похожие физические свойства (за исключением того, что слои складываются немного по-разному). Гексагональный графит может быть плоским или выгнутым. Альфа-форма может быть преобразована в бета-форму посредством механической обработки, а бета-форма возвращается в альфа-форму при нагревании выше 1300 ° C.Графит может проводить электричество из-за обширной делокализации электронов в углеродных слоях; поскольку электроны могут свободно двигаться, электричество проходит через плоскость слоев. Графит также обладает самосмазывающими и сухими смазывающими свойствами. Графит находит применение в протезных материалах, содержащих кровь, и термостойких материалах, поскольку он может выдерживать температуры до 3000 ° C.

Однослойный графит называется графеном. Этот материал обладает исключительными электрическими, тепловыми и физическими свойствами.Это аллотроп углерода, структура которого представляет собой единый плоский лист из sp ² связанных атомов углерода, плотно упакованных в сотовую кристаллическую решетку. Длина связи углерод-углерод в графене составляет ~ 0,142 нм, и эти листы укладываются в стопку, образуя графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нм. Графен является основным структурным элементом углеродных аллотропов, таких как графит, древесный уголь, углеродные нанотрубки и фуллерены. Графен является полуметаллическим или бесщелевым полупроводником, что позволяет ему демонстрировать высокую подвижность электронов при комнатной температуре.Графен — это захватывающий новый класс материалов, уникальные свойства которого делают его предметом постоянных исследований во многих лабораториях.

Аморфный углерод

Аморфный углерод — это углерод, не имеющий кристаллической структуры. Несмотря на то, что аморфный углерод можно производить, все еще существуют микроскопические кристаллы графитоподобного или алмазоподобного углерода. Свойства аморфного углерода зависят от соотношения sp ² и sp ³ гибридизированных связей, присутствующих в материале.Графит состоит исключительно из гибридизированных связей sp ² , тогда как алмаз состоит исключительно из гибридизированных связей sp ³ . Материалы с высоким содержанием гибридизированных связей sp ³ называют тетраэдрическим аморфным углеродом (из-за тетраэдрической формы, образованной гибридизированными связями sp ³ ) или алмазоподобным углеродом (из-за сходства многих его физических свойств. к алмазам).

Фуллерены и нанотрубки

Углеродные наноматериалы составляют еще один класс аллотропов углерода.Фуллерены (также называемые бакиболами) — это молекулы различных размеров, полностью состоящие из углерода, которые принимают форму полых сфер, эллипсоидов или трубок. Бакиболлы и бакитубы были предметом интенсивных исследований как из-за их уникального химического состава, так и из-за их технологических применений, особенно в материаловедении, электронике и нанотехнологиях. Углеродные нанотрубки — это цилиндрические молекулы углерода, которые обладают необычайной прочностью и уникальными электрическими свойствами и являются эффективными проводниками тепла.Углеродные нанопочки — это недавно открытые аллотропы, в которых фуллереноподобные «почки» ковалентно прикреплены к внешним боковым стенкам углеродной нанотрубки. Таким образом, нанобуски проявляют свойства как нанотрубок, так и фуллеренов.

Стеклоуглерод

Стекловидный или стекловидный углерод — это класс углерода, широко используемый в качестве электродного материала в электрохимии, а также в протезах и высокотемпературных тиглях. Его наиболее важными свойствами являются высокая термостойкость, твердость, низкая плотность, низкое электрическое сопротивление, низкое трение, низкое термическое сопротивление, чрезвычайная стойкость к химическому воздействию и непроницаемость для газов и жидкостей.

Другие аллотропы

Другие аллотропы углерода включают углеродную нано-пену, которая представляет собой кластер с низкой плотностью, состоящий из атомов углерода, связанных вместе в рыхлую трехмерную ткань; чистый атомарный и двухатомный углерод; и линейный ацетиленовый углерод, который представляет собой одномерный углеродный полимер со структурой — (C ::: C) _n -.