Графен в медицине – ответы на главные вопросы

В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». С тех пор физики и химики по всему миру начали исследовать свойства нового материала и находить им все новые практические применения. Графен используется для создания электронных чипов, сенсоров для газов, мембран для очищения воды. С появлением графена начался новый этап развития медицинских технологий и биоэлектроники.

Свойства графена

Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет sp2-гибридизации. На внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона: при sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. Поэтому из-за sp2-гибридизации графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.

Теоретические работы доказывают, что графен очень жесткий и стойкий к механическому воздействию. В то же время, если положить его на подложку из мягкого материала, он примет его свойства. Эти характеристики полезны в биоэлектронике, в рамках которой ученые разрабатывают устройства для применения в живых организмах. В этой области приоритет отдается мягким материалам, более совместимым с тканями организма. Кремний и твердые металлы, которые используются в обычной электронике, для этого плохо подходят. С 2008 года появляются работы по графеновым нейродевайсам и биосенсорам: ученые исследуют возможности нового материала и уже достигают ощутимых результатов в этой области [1] [2].

Нейродевайсы: считывание активности нейронов

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в 

Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их  in vivo на мышах и крысах [3].

В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами. При наступлении судорог пациент нажимает кнопку на мини-девайсе, и через электрод поступает несколько сигналов в часть мозга, которая отвечает за заболевание.

Проблема стандартных мультиэлектродных массивов в том, что они сделаны из твердого кремния. Имплантировать кремниевое устройство в мозг — все равно что пытаться поместить гвоздь в мягкую конфету. Организм реагирует на кремниевую электронику как на инородное тело. Вокруг таких устройств формируются глиальные клетки, с помощью которых мозг пытается защитить нейроны и вытолкнуть чужеродный предмет. Поэтому стимуляторы меняют каждые 2–5 лет. На основе графена можно разрабатывать совсем другие девайсы — гибкие, тонкие и мягкие. Клетки апробируют такое устройство, защитная реакция не запустится. Тогда девайсы можно будет менять намного реже — раз в несколько десятков лет.

Облегчение болезни Паркинсона — далеко не единственная область применения графеновых нейродевайсов. Они будут полезны исследователям, работающим с любыми нейродегенеративными заболеваниями. Большинство из них до сих пор недостаточно изучены: ученым не хватает данных о том, как работает человеческий мозг. Сейчас для таких наблюдений тоже используют кремниевые устройства, так что более эффективные графеновые девайсы заменят их и в исследовательских задачах. 

Сенсоры: определение биомаркеров

Другая область применения графена — создание сенсоров, которые определяют  биомаркеры. Таким образом можно измерять нейрональные биорецепторы, ДНК, иммуноглобулин, биомаркеры, связанные с раком или сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это дает врачам новые возможности для диагностики заболеваний.

Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C₁₆H₁₀, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме. Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.

Миф о токсичности графена

На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в 2010-х годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.

В современной биоэлектронике используется высококачественный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Он представляет собой однородный слой атомов на очень большой площади — до 100 на 100 миллиметров. Потом разработчики уменьшают его до порядка 100 на 100 микрометров и закрепляют на подложке. В этом случае он не может проявить токсичность, потому что не плавает среди клеток. Более того, есть несколько работ, в рамках которых ученые выращивали клетки поверх графена на подложке и на обычном стекле и сравнивали результаты. Выяснилось, что клетки растут гораздо активнее именно на графене. Графен — биосовместимый материал, ведь это обычный углерод.

Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии

Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. Из-за этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.

Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно:  электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других 2D-материалов. Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.

Перспективы практического применения графена

Сложно сказать, когда графеновую биоэлектронику начнут широко применять на практике. Ученые испытывают нейродевайсы, биосенсоры и другие исследовательские проекты в лабораторных условиях. Чтобы вывести их на уровень медицинского применения, нужно развивать индустрию производства графеновых устройств. Для исследований обычно изготавливают от 10 до 100 аппаратов. Медицинская практика требует гораздо больших масштабов: нужны тысячи и миллионы таких устройств. Сейчас кажется, что перспектива практического применения пока далеко за горизонтом, но через 5–10 лет можно будет сказать нечто более определенное. Исследовательские группы экспериментируют с графеном в разных направлениях, применяют его для решения многих задач. Пока сложно однозначно выделить перспективные подходы, на это нужно время и инвестиции, которые помогут развивать уже имеющиеся исследования.

наука и индустрия – ответы на главные вопросы

На сегодняшний день графен представляет собой уникальную платформу для изучения физики низкоразмерных структур. Этим материал обязан совокупности своих уникальных свойств: он самый тонкий, самый прочный и жесткий, самый теплопроводный, обладает самыми легкими носителями заряда с наибольшей длиной свободного пробега среди всех существующих материалов. Графен может выдерживать огромные плотности тока и механические растяжения, является уникальной непроницаемой мембраной, не пропускающей даже атомы гелия. Это лишь краткий список того, почему графен привлек огромную популярность в мире физики конденсированного состояния.

Модификации графена и вандерваальсовы гетероструктуры

После открытия графена начались поиски других материалов, способных существовать в двумерной форме. На сегодняшний день накоплена огромная библиотека двумерных кристаллов, какие-то из них — металлы и полупроводники, другие — изоляторы, сверхпроводники и полуметаллы, а некоторые являются топологическими изоляторами, то есть материалами, проводящими по краям образца, но не внутри. Каждый из таких материалов можно купить и расслоить до толщины одного слоя.

Среди модификаций самого графена в первую очередь стоит отметить двухслойный графен — уникальный объект, который, в отличие от монослоя, обладает запрещенной зоной. Благодаря этому двухслойный графен гораздо более пригоден для создания транзисторов: именно запрещенная зона определяет возможность перевести транзистор в непроводящее состояние, то есть выключить. Помимо графена и его «двухслойки», исследуют модификации из трех и более слоев, которые проявляют интересные физические свойства в режиме квантового эффекта Холла. Красивый пример был представлен в марте 2018, когда два слоя графена положили друг на друга с поворотом на 1 градус. «Повернутая двухслойка» оказалась объектом, обладающим всеми свойствами высокотемпературных сверхпроводников. Никто не ожидал, что такое может случиться, и механизм сверхпроводимости пытаются сейчас изучать как теоретически, так и экспериментально. Вероятно, можно будет понять высокотемпературные сверхпроводники, наблюдая за поведением таких повернутых слоев графена.

Существуют разнообразные химические модификации графена. Оксид графена получается путем присоединения к некоторым углеродным атомам атомов кислорода или гидроксильных групп. Спрессованные слои оксида графена могут работать как эффективные водяные фильтры, а отдельные кристаллиты активно исследуют с целью применения для направленной доставки лекарств. Другой химической модификацией графена является флюрографен — двумерный аналог тефлона, не уступающий ему по своим свойствам.

В современной науке о двумерных материалах особую роль занимают вандерваальсовы гетероструктуры. Это искусственно созданные кристаллы, в которых чередуются один или несколько слоев различных двумерных материалов. К примеру, можно взять несколько слоев диэлектрика, положить на него один или два слоя полупроводника, разделить еще одним слоем диэлектрика и повторить процесс несколько раз. Таким образом можно получить структуру, которую нельзя встретить в природе, материал с новыми свойствами. Отличительной особенностью таких гетероструктур является особая простота в их создании. Отдельные кристаллиты можно получить с помощью скотча, как и графен, а совмещение отдельных кристаллитов между собой производится при помощи простых полимерных пленок.

Пока не наступила эпоха двумерных материалов, слоистые гетероструктуры получали методом молекулярно-лучевой эпитаксии с помощью дорогостоящих и громоздких установок, которые занимали несколько комнат, соединенных между собой вакуумными шлюзами. Работать с установками должны были профессионалы, специализирующиеся на технологии роста. Вандерваальсова гетероструктура может быть собрана одним студентом за несколько часов; процесс напоминает игру с конструктором «Лего». Методы построения образцов, необходимых для фундаментальной науки, существенно упростились с появлением двумерных материалов.

Безусловно, метод скотча не подходит для получения двумерных материалов в промышленных масштабах, и поэтому разрабатываются технологии роста кристаллов из газовой фазы. К примеру, для получения графена используют метан, который разлагается на углерод и водород под действием высоких температур, что при определенных условиях ведет к формированию тонких углеродных пленок. Еще один распространенный метод — жидкое расслоение, в ходе которого графит помещают в растворитель и разбивают на слои с помощью ультразвука. Данный подход позволяет производить суспензии графена в огромных количествах. Есть также метод эпитаксиального роста графена. Карбид кремния нагревают до высоких температур в условиях высокого вакуума, и на поверхности этого материала выступает углерод в виде графеновой пленки. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки и нацеливается на конкретную задачу.

Презентация «Графен и его применение»(10-11классы)

Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация «Графен и его применение»(10-11классы)

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд Описание слайда:

Графен И его применения

2 слайд Описание слайда:

Прогресс не стоит на месте. День ото дня учёные всего мира трудятся над совершением открытий, созданием различных инновационных технологий, способных улучшить уровень жизни людей, открыть новые просторы в их жизни. Всего каких-то несколько сотен лет назад открытие такого явления, как электричество, перевернуло умы людей. Ещё большим потрясением стала возможность применения его на практике, в быту. Учёные открыли новую страницу в истории человечества: до сих пор электричество является неотъемлемой частью нашей с вами жизни. Представить своё существование без него чрезвычайно сложно, ведь большинство вещей, которыми мы пользуемся, могут работать исключительно благодаря электричеству. Введение

3 слайд Описание слайда:

Вряд ли за последнее время было совершено достаточное количество открытий, по своему масштабу сопоставимых с данным, однако они всё же имеют место быть. Совершались эти открытия не только в области физики: пожалуй, к подобным можно отнести открытие пенициллина, периодическую таблицу Д. И. Менделеева, перспективы использования стволовых клеток, и так далее. Но если не углубляться далеко в прошлое, а оглянуться лишь на несколько лет назад, то грандиозным открытием по праву можно назвать открытие такого удивительного вещества, как графен.

4 слайд Описание слайда:

Что же представляет из себя графен? Выражаясь научным языком, графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединённых в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Последние семь лет он находится в центре пристального внимания физиков-экспериментаторов во всем мире. Атом углерода Модель графена

5 слайд Описание слайда:

До этого, правда, лет сорок считалось, что двумерный лист углерода — не более чем модельная абстракция, которая вряд ли сможет принести много пользы. Но наши соотечественники Константин Новоселов и Андрей Гейм, в настоящее время работающие в Манчестерском университете, получили Нобелевскую премию в 2010 году за то, что перевели графен из теоретической плоскости в практическую и смогли раскрыть его скрытый потенциал.

6 слайд Описание слайда:

В 60-х годах прошлого века физики стали интенсивно изучать двумерные аллотропные модификации. В частности, например, атомы углерода могут располагаться в одной плоскости самым простым и естественным образом — в виде гексагональной решетки (то есть решетки, у которой все ячейки — шестиугольники). Оскар Клейн еще в 1929 году предсказывал такому материалу необычные квантовые свойства. Начало пути В это же время предпринимались попытки получить отдельно «куски» плоского углерода, однако они не привели к успеху. В результате многие ученые решили, что получение этого материала на практике в принципе невозможно и, в конце концов, графен оставался не более чем абстракцией. Оскар Клейн, шведский физик Глубокое разочарование…

7 слайд Описание слайда:

Поначалу у Новосёлова и Гейма возникали проблемы с получением графена. Их конкуренты также пытались получить заветное вещество, применяя самые разные и хитрые способы: и выжигание при температуре 1300° по Цельсию карбида кремния, и прикрепление кристалла углерода к игле силового микроскопа с последующим вождением им по поверхности, однако всё это не приводило к желаемому результату. Но, как говорится, «ларчик просто открывался». Новосёлов с Геймом взяли за основу принцип написания карандашом, при котором от грифеля отслаиваются крохотные чешуйки углерода, некоторые из которых достигают толщины как раз в один атом. Они отклеивали хлопья от графита при помощи скотча, после чего переносили их на специальную подложку. В 2004 году в журнале «Science» появилась статья физиков, в которой они описывали не только технологию получения графена, но и некоторые его свойства. Получение графена

8 слайд Описание слайда:

Свойства и применение графена Графен – самый тонкий материал из всех существующих. Более того, он в 200 раз прочнее стали и проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал известный человечеству. Исследователи из Колумбийского университета, которые доказали, что графен является самым прочным материалом, заявили, что для того, чтобы порвать пленку графена толщиной в 0.01 мм, понадобится слон. При этом его вес должен уместиться на площади равной кончику карандаша. Исходя из этого, у графена может быть необычайно широкий спектр применения, но прежде всего, графену прочат большое будущее в электронике. Листы графена и свернутые из него нанотрубки – отличный материал для конструирования электросхем.

9 слайд Описание слайда:

В сегодняшнем мире, где огромное количество работы за человека выполняет компьютер, производители стремятся повысить быстродействие своих аппаратов. В платах современных компьютеров используются кремниевые полупроводники, однако им уже давно ищут замену. Графен вполне сможет стать отличной заменой. В теории графеновые транзисторы смогут обеспечить значительно более высокую скорость, при этом препятствуя увеличению температуры на микроскопическом уровне, сделав в конечном итоге устройство гораздо меньших размеров с большей производительностью, низким энергопотреблением и невысокой стоимостью (сырье для транзисторов – углерод – не стоит практически ничего по сравнению с медью или золотом). Компания IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1THz, что в десятки раз мощнее современных компьютеров. углерод медь золото

10 слайд Описание слайда:

Недавно ученые Академии наук Китая обнаружили, что пластины оксида графена эффективно уничтожают бактерии. В опытах исследователей попавшая на лист графена кишечная палочка гибла в течение считанных минут. Экологичный, нетоксичный для человека графен наверняка станет идеальным бактерицидным покрытием и найдет применение во многих отраслях: от упаковки продуктов до хирургических инструментов. Кишечная палочка Escherichia coli

11 слайд Описание слайда:

Графен, благодаря своим исключительным механическим свойствам, способен стать основой сверхпрочных композитных материалов. В настоящее время армия США активно изучает возможности добавления углеродных нанотрубок в ткань бронежилетов. Даже небольшие количества нанотрубок повышают пулестойкость бронезащиты на 10–20%. Кроме того, графен повышает долговечность материала и его износостойкость.

12 слайд Описание слайда:

Заключение Всё вышеперечисленное — это лишь малая часть сфер применения графена. Есть еще солнечные батареи, сверхпроводники, научные инструменты, герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей, прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и мониторов биомедицинские технологии, в которых применение графена дает потрясающие результаты. И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения. Мы стоим еще в самом начале длинного пути. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он вероятно станет для нас обычным материалом, подобно пластику в наши дни.

13 слайд Описание слайда:

В работе были использованы материалы со следующих интернет – сайтов:   http://wikipedia.org http://lenta.ru Андрей Коняев. Цена плоского углерода. 2010г. http://globalscience.ru (оригинал на англ. яз. http://bigthink.com Michio Kaku. Graphene Will Change the Way We Live. 2010г.)  

Курс профессиональной переподготовки

Учитель физики

Курс повышения квалификации

Курс повышения квалификации

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию: Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс: Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник: Все учебники

Выберите тему: Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Краткое описание документа:

Прогресс не стоит на месте.День ото дня ученые всего мира трудятся над совершенствованием различных инновационных технологий,способных улучшить уровень жизни людей. В этой  презентации показаны история графена,его свойства и широкий спектр применения,особенно в электронике. Графен,благодаря своим исключительным техническим свойствам способен стать основой сверхпрочных композитных материалов. Со временим,он вероятно станет для нас обычным материалом подобно ппастику в наши дни.   

Общая информация

Номер материала: 109665

Похожие материалы

Оставьте свой комментарий

Графеновые наноленты — Википедия

Графеновые наноленты — узкие полоски графена с шириной порядка 10—100 нм. По своим физическим свойствам отличаются от более широких образцов, которые имеют линейный закон дисперсии, как в бесконечном графене. Наноленты интересны тем, что обладают нелинейным законом дисперсии и полупроводниковыми свойствами из-за наличия запрещённой зоны, которая зависит от ширины ленты и расположения атомов на границах. Графеновые наноленты благодаря этому рассматриваются как важный шаг в создании транзистора на основе графена, который будет работать при комнатной температуре.

Основной способ подготовки графеновых образцов — это механическое отшелушивание слоёв пиролитического графита с помощью липкой ленты и последующее осаждение на подложку высоколегированного кремния, покрытого слоем диэлектрика (SiO₂). При использовании этого метода поиск графена осуществляется в оптическом микроскопе, а так как нанообъекты в этом случае рассмотреть нельзя, то сначала находят относительно большой образец. Его подвергают стандартной процедуре для использования электронной литографии, позволяющей добиться разрешения порядка 10 нм. Сначала закрывают подложку с осаждённым графеном электронным резистом и с помощью электронного пучка засвечивают резист, нанося необходимые размеры графеновых нанолент, а после удаления неэкспонированного резиста (для негативного резиста или, наоборот, удаления экспонированного резиста для позитивного резиста) проводят плазменное травление. В работах^[1][2] использовали электронный резист HSQ.

С использованием химического метода^[3] были созданы наноленты шириной менее 10 нм. Для этого метода необходим термически расширенный графит. Этот метод не предполагает использование литографии и травления, поэтому границы нанолент получаются гладкими.

Существует ещё один метод^[4], не использующий литографию, поскольку маской здесь выступает тонкая кварцевая нить (диаметр 200 нм), что позволяет избежать возможных повреждений и загрязнений при литографии. Кроме того, метод не временезатратный.

Рис. 1. Способы нарезки графеновой плоскости на наноленты. Пунктирные линии соответствуют центрам нанолент. Красные границы соответствуют нанолентам с границами типа зигзаг, а зелёные — типа кресло. Синяя нанолента имеет смешанный тип границы.

Так как графен является полуметаллом, то невозможно избавиться от носителей в нём при приложении затворного напряжения, и поэтому всегда будет существовать высокий ток утечки в графеновых структурах. Для преодоления этого нежелательного эффекта предлагается использовать узкие полоски графена, из-за размера называемые нанолентами, где благодаря квантово-размерному эффекту возможно образование запрещённой зоны, ширина которой обратно пропорциональна поперечному размеру ленты.^[1][2]

Рис. 2. Наноленты с границами в виде кресла (a) и зигзага (b).

Однако не все наноленты в теории обладают запрещённой зоной, поскольку это сильно зависит от расположения граничных атомов, и в общем случае все наноленты с расположением атомов на краю зигзагом (аценовый край) (англ. zig-zag) не имеют запрещённой зоны, то есть являются металлическими.^[5] На рис. 1. показано, как из бесконечного графена можно нарезать различные наноленты, в зависимости от ориентации обладающие разным расположением атомов на границах. Если атомы расположены в виде кресла (фенантреновый край) (англ. armchair), и количество их отлично от N=(3M-1), где M — целое число, образуется запрещённая зона ^[6], N — число димеров, как показано на рис. 2, ширина наноленты. Существует простая аналитическая модель^[5], основанная на использовании уравнения Дирака для графена, с помощью которой можно оценить ширины запрещённых зон для идеальных графеновых нанолент, где граничные атомы расположены в виде кресла или зигзагом (см. рис. 2). Для исследования графеновых нанолент с шероховатыми границами используются аналитические методы: адиабатическое приближение^[7]; либо более сложные методы численного моделирования: приближение сильной связи, метод функционала плотности^[8][9][10].

При возникновении дефектов на границе наноленты переходят из металлического состояния в полупроводниковое. Так как не представляется возможным добиться атомарной точности при литографии, получить металлическую наноленту до сих пор не удалось.

С помощью электронной литографии из графена можно сделать узкие ленты вплоть до 20 нм.^[1] Из-за квантово-размерного эффекта ширина запрещённой зоны при ширине ленты 20 нм составляет 28 мэВ. При уменьшении ширины наноленты можно добиться большей ширины запрещённой зоны, поскольку она обратно пропорциональна ширине. Здесь электронной литографии не хватает, и был предложен химический метод получения графеновых нанолент из графита.^[3] Используя этот метод, можно создать наноленты с гладкими границами и шириной менее 10 нм.^[11] Эти транзисторы, где использовалась высоколегированная подложка кремния в качестве обратного затвора, показали отношение тока в открытом и закрытом состоянии около 10⁶ при комнатной температуре. Из-за барьера Шотки между металлическим контактом (Pd или Ti/Au) и графеном сопротивление контактов составило около 60 кОм для нанолент шириной около 2,5 нм, а оценённая подвижность носителей около 100 см²В⁻¹с⁻¹.

Рис. 3. Кондактанс полупроводниковой наноленты в зависимости от химического потенциала при различных температурах. Параметры, используемые для расчёта: W = 30 нм, α = 0,5.

Для наноленты длиной 850 нм и шириной 30 нм был измерен кондактанс (проводимость) как функция затворного напряжения, при приложенном постоянном смещении в 10 мВ^[12]. Кондактанс на комнатной температуре имел гладкую V-образную характеристику, но при понижении температуры до 90 К проявились несколько плато квантования с шагом 1.7 μСм. Это квантование кондактанса связано с образованием подзон размерного квантования в узких лентах шириной W{\displaystyle W}, когда волновой вектор частиц квантован в поперечном направлении k⊥W=πm{\displaystyle k_{\bot }W=\pi m}, где m{\displaystyle m} — целое число. Энергия квазичастиц в одномерных подзонах описываются выражением

Em=±ℏvFk||2+(m+α)2π2/W2,{\displaystyle E_{m}=\pm \hbar v_{F}{\sqrt {k_{||}^{2}+(m+\alpha )^{2}\pi ^{2}/W^{2}}},}

где ℏ{\displaystyle \hbar } — постоянная Планка, vF{\displaystyle v_{F}} — Ферми скорость, k||{\displaystyle k_{||}} — волновой вектор, связанный с движением вдоль наноленты, α{\displaystyle \alpha } — параметр, который зависит от кристаллографической ориентации. Ширина запрещённой зоны равна

Eg=2ΔE|α|,{\displaystyle E_{g}=2\Delta E|\alpha |,}

где ΔE=ℏvFπ/W{\displaystyle \Delta E=\hbar v_{F}\pi /W} — расстояние между уровнями. Кондактанс наноленты описывается следующим выражением

G=4e2h∑i∫Ti(E)(∂f0∂E)dE,{\displaystyle G={\frac {4e^{2}}{h}}\sum _{i}{\int {T_{i}(E)\left({\frac {\partial f_{0}}{\partial E}}\right)dE}},},

где Ti(E){\displaystyle T_{i}(E)} — коэффициент прохождения носителей для каждой подзоны, f0=1/(1+exp⁡(E−μ)/kT){\displaystyle f_{0}=1/(1+\exp {(E-\mu )/kT})} — функция распределения Ферми — Дирака, μ — химический потенциал. Коэффициенты Ti(E){\displaystyle T_{i}(E)} меняются ступенчатым образом, то есть когда энергия E превышает уровень размерного квантования, коэффициент становится ненулевым (для простоты взят за единицу). Благодаря температурному уширению квантование кондактанса как функция энергии Ферми (химического потенциала), а следовательно, и концентрации носителей и затворного напряжения не будет заметно при комнатной температуре при ширине наноленты 30 нм, но при более низких температурах хорошо заметно (см. рис. 3).

1. ↑ ^{1 2 3} Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40, 228 (2007) doi:10.1016/j.physe.2007.06.020 Препринт
2. ↑ ^{1 2} Han M. Y., et. al. Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007) doi:10.1103/PhysRevLett.98.206805 Препринт
3. ↑ ^{1 2} Li X., et. al. Chemically Derived, Ultrasmooth Graphene Nanoribbon Semiconductors Science 319, 1229 (2008) doi:10.1126/science.1150878
4. ↑ Staley N. et. al. Lithography-free fabrication of graphene devices Appl. Phys. Lett. 90, 143518 (2007) doi:10.1063/1.2719607
5. ↑ ^{1 2} Brey L. and Fertig H. A. Electronic states of graphene nanoribbons studied with the Dirac equation Phys. Rev. B 73, 235411 (2006) doi:10.1103/PhysRevB.73.235411 Препринт
6. ↑ Nakada K. et al., Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence Phys. Rev. B 54, 17954 (1996) doi:10.1103/PhysRevB.54.17954
7. ↑ Katsnelson M. I. Conductance quantization in graphene nanoribbons: Adiabatic approximation Eur. Phys. J. B 57, 225 (2007) doi: 10.1140/epjb/e2007-00168-5 Препринт
8. ↑ Barone V. et al., Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons Nano Lett. 6, 2748 (2006) doi:10.1021/nl0617033
9. ↑ Son Y. et al., Energy Gaps in Graphene Nanoribbons Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006) doi:10.1103/PhysRevLett.97.216803
10. ↑ Son Y. et al., Half-metallic graphene nanoribbons Nature 444, 347 (2006) doi:10.1038/nature05180
11. ↑ Wang X., et. al. Room-Temperature All-Semiconducting Sub-10-nm Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistors Phys. Rev. Lett. 100, 206803 (2008) doi:10.1103/PhysRevLett.100.206803 Препринт
12. ↑ Lin Y.-M. cond-mat

новые методы получения и последние достижения • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика

Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?

На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10^–10 м)!

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).

Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался.

На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.

Первая группа ученных — из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряли два вещества — олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА) (рис. 3b). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы (рис. 3c). После этого методом центрифугирования проводили отделение графена (рис. 3d).

В тоже время вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — предложила другую методику для получения графена из многослойного графита — без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон. Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.

Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей. Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.

Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.

Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии, которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.

Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета. Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп, измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.

После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).

Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения — например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное — исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

Источники:
1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.
2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.
3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.
4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.
5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).

Александр Самардак

способ получения, свойства и применение 🚩 Естественные науки

Поскольку получен графен был относительно недавно, повышенный интерес к себе он привлекает как со стороны ученых, так и простых людей. В любом случае, благодаря своим необычным свойствам, он считается одним из самых перспективных наноматериалов, способов применения которому можно найти множество.

С давних времен людям были известны две модификации углерода — алмаз и графит. Разница между этими двумя веществами заключается лишь в строении кристаллической решетки.

У алмазов атомные ячейки имеют кубическую форму и отличаются плотной организацией. Графит на атомарном уровне состоит из расположенных в разных плоскостях пластов. Именно строение кристаллической решетки и определяет свойства обоих этих веществ.

Алмаз — самый твердый материал на планете, графит же легко разрушается и крошится. Происходит разрушение графита из-за того, что атомы в его кристаллической решетке, находящиеся в разных слоях, практически не имеют связей. То есть при механическом воздействии пласты графита просто-напросто начинают отделяться друг от друга.

Именно благодаря такому свойству этой углеродной модификации и был получен новый материал — графен. Представляет он собой просто один из пластов графита толщиной в один атом.

Внутри каждого одноатомного слоя связи в графите даже более прочны, чем в кубических ячейках алмаза. Соответственно, и материал этот является более твердым, чем алмаз.

Способ получения графена К. Новоселов и А. Гейм разработали технологически простой, но достаточно трудоемкий. Ученые просто закрашивали графитовым карандашом обычный скотч, а затем складывали его и разлепляли. В результате графит разделялся на два пласта. Далее ученые повторяли эту процедуру огромное количество раз до получения самого тонкого слоя в один атом.

Поскольку связи в двухмерной решетке этого материала необыкновенно прочны, на настоящий момент он является самым тонким и прочным из всех известных человечеству. Свойства графен имеет следующие:

• почти полную прозрачность;
• хорошую теплопроводность;
• гибкость;
• инертность к кислотам и щелочам при обычных условиях.

Вес графен имеет очень небольшой. Всего несколько грамм этого материала можно использовать для того, чтобы полностью покрыть футбольное поле.

Также графен является идеальным проводником. Учеными была создана лента этого материала, в которой электроны способны пробегать, не встречая препятствий, более 10 микрометров.

Расстояние между атомами в этой углеродной модификации очень невелико. Поэтому через этот материал не могут проходить молекулы каких-либо веществ.

Материал это на самом деле очень перспективный. Из графена, к примеру, можно делать гибкие и абсолютно прозрачные экраны смартфонов и телевизоров.

Также считается, что этот материал в скором времени будет активно использоваться для получения питьевой воды из морской или очистки пресной. Тонкие пластины графена со специально проделанными в них отверстиями по размеру молекул воды могут быть использованы как фильтры для солей и других веществ.

На основе непроницаемого графена можно также создавать антикоррозийные аэрогели для металла, к примеру, для кузовов автомобилей.

Поскольку этот материал отличается высокой прочностью и при этом имеет небольшой вес, его можно использовать и в авиастроительной отрасли. Считается также, что прозрачный графен будет широко применяться в качестве альтернативы кремнию при производстве фотоэлементов.

Многие ученые полагают, что этот материал способен, помимо всего прочего, использоваться для производства емких батарей. Смартфоны с такими батарейками, к примеру, будут заряжаться всего несколько минут или даже секунд, а работать затем очень долгое время.