Grafen, două rebeli -dimensionale din carbon
Articolul face parte din secțiunea științifică, cercetarea – șansa noastră.
Carbon: Acrobat chimic
Cu ceva timp în urmă, această secțiune a fost găzduită de dr. Martin Venhart de la Institutul Fizic al SAS, care a scris o poveste captivantă despre carbon: „Carbon. Element aleatoriu? Am învățat nu numai modul în care a apărut carbonul în timpul dezvoltării universului, ci și că nucleul izotopului de carbon-12 a fost existențial important în procesul de fuziune în formarea altor elemente.
Astăzi observăm aspectul chimic al carbonului. Este al patrulea în a doua linie a tabelului periodic al elementelor. Aceasta înseamnă că carbonul are patru electroni pe orbită în ultimul strat (valență). Ele creează legături chimice, iar variabilitatea lor nu are un adversar de carbon.
În condiții extreme de presiune și temperatură, toate cele patru orbitale electronice din spațiu sunt aranjate de -a lungul marginilor cvadruplei și formează un diamant – cel mai dificil mineral cunoscut.
În condiții normale, doar trei orbitale orbitale electronice se leagă pentru a forma o rețea extrem de fixă de atomi de carbon, așa cum se arată în imaginea microscopului electronic din imaginea din titlu din dreapta. Astfel de avioane stocate unul pe celălalt formează cristalul de grafit. Spre deosebire de diamant, straturile de grafit sunt atât de slab legate între ele, încât prin apăsarea părții straturilor alunecă ușor.
Carbonul, un acrobat inteligent, poate construi o cantitate enormă de compuși, de la o singură lanțuri dimensionale de hidrocarburi până la biomolecule care ne modelează, organisme vii. Dar cea mai simplă structură de carbon – singurul strat (două -dimensional) de grafit – este grafenul.
Substanțe cu dimensiuni reduse într -o lume cu trei dimensiuni
Lumea noastră de trei ani este naturală și de înțeles pentru noi.
La începutul secolului XX, Albert Einstein și Hermann Minkowski au venit cu un concept de timp de patru spațiu dimensional în care coordonatele spațiului și timpului sunt legate între ele. Este posibil să nu ne imaginăm, dar această viziune descrie corect universul observat.
Fizicienii teoretici ai Leului Davidovici Landau și Sir Rudolf Ernst Peierls s -au gândit în direcția opusă: pot exista materiale cu mai puțin de trei? Două plan -dimensional sau unul -dimensional într -o linie dreaptă? Teoria a prezis că astfel de structuri se vor „topi” la o temperatură puțin mai mare decât zero absolută (0 Kelvin = -273 ° C, cea mai mică temperatură posibilă).
Experimentatorii nu au descurajat o astfel de predicție a teoriei. Aceștia au examinat două sisteme dimensionale și cu o modificare adecvată a impurităților atomice (dopaj) a trei cristale dimensionale au obligat sarcina electrică să se deplaseze doar într -un strat de suprafață subțire. Transportul electric blocat în avion a indicat fenomene cuantice necunoscute, cum ar fi oscilațiile Shubnikov – De Haas și o sală cuantică (Efectul Quantum Hall, Qhe).
Fizicianul german Klaus von Klitzing a primit premiul Nobel pentru fizică în 1985 pentru descoperirea fenomenului cuantic. A fost un moment de cotitură. S -a demonstrat că, indiferent de materialul și forma eșantionului, rezistența electrică în direcția transversală are întotdeauna aceeași valoare RK = 25812.80745 … Ω (ohm) cu precizie la un miliard de!
Deci, a existat un nou standard pentru rezistența electrică în lume. O altă modificare a metrologiei – o nouă definiție a unui kilogram, este de asemenea legată de „Out of the Klitzing Constant RK”. Din 2019, a înlocuit „constanta Planck” (conținută în constanta măsurabilă a RK) prototip antic kilogram stocat la Paris din 1875.
Motivația de a pregăti materialul „real” cu două dimensiuni a crescut odată cu aceste succese științifice și cea mai mare șansă promisă de grafit. În 2004, la Manchester, într -un microscop optic pe suprafața substratului de siliciu, au observat un strat clivat din grafit. Cel mai slab contrast a fost doar un strat de grafit – grafen.
A început febra aurului grafen.
Grafen: Teorie, Experimente, Premiul Nobel
Să ne întoarcem mai întâi la Landau: Cum este stabilitatea a două materiale dimensionale? Landau a greșit? Un substrat cu un grafen a călătorit de la Manchester la Stuttgart, unde fizicianul german Jannik C. Meyer a transferat un grafen într -o grilă de aur, iar microscopul electronic a văzut mai întâi un strat de grafen ușor atașat: avea o grosime a unui atom.
Stratul de grafen nu este perfect plat, dar este ondulat la a treia dimensiune. Ripple stabilizează structura două -dimensionale.
Oamenii de știință au început să șoptească că simetria hexagonală a atomilor de grafen (vezi imaginea din titlu din dreapta) are consecințe bune: electronii nu se comportă în grafen ca particule materiale normale, ci în conformitate cu legile fizice ale luminii.
Pot fi relativiste și se pot deplasa cu viteze care sunt de doar 400 de ori mai mici decât viteza luminii, adică 750.000 m/s. Datorită simetriei hexagonale, în grafen este de asemenea așteptat un fenomen diferit de sală cuantică decât a fost observat din clitzing în două sisteme dimensionale. Măsurătorile au confirmat teoria.
Într -un experiment recent (2021), rata de particule locale inconfundabile cu un de 1,2 milioane m/s de neimaginat (viteza luminii este de 300 milioane m/s) a fost măsurată într -un grafen nedezvoltat.
Mobilitatea încărcării este un parametru foarte important în electronică, deoarece condiționează viteza răspunsului semnalelor electrice în toate dispozitivele. În materialele semiconductoare clasice, valorile tipice de încărcare ale încărcării sunt de 1000 cm la celălalt /vs (volt ori pe secundă) în siliciu și 4000 cm la celălalt /vs în Germania, dar mobilitatea măsurată a încărcării în grafen a fost cu mai multe rânduri mai mari, 200 000 cm față de cealaltă /VS
Măsurarea fenomenului cuantic a dovedit clar ceea ce teoria a prezis și s -a demonstrat că electronii din grafen în anumite circumstanțe se comportă ca „particule necorporale”, similare cu lumina.
În 2010, Sir Andre Geim și Sir Konstantin Novosel au câștigat premiul Nobel pentru descoperiri revoluționare cu privire la două materiale dimensionale, grafen.
Ce alte oferă grafen?
Din nou, să ne uităm la structura hexagonală a grafenului. Distanța atomilor de carbon adiacenți din acesta este de 0,142 nm. Sunt mai aproape unul de altul decât carbonii adiacenți în Diamante (0,154 nm). Acest lucru arată că există o legătură mai puternică între atomii din grafen decât în Diamante.
O astfel de legătură puternică duce la o conductivitate termică ridicată. În combinație cu conductivitatea sa electrică, grafenul este o componentă importantă în compozite pentru a crește rezistența și flexibilitatea pieselor mecanice din industria auto și a aerului.
Ne -am gândit că doar 3 orbitale electronice din patru dintre grafen sunt create de rețeaua hexagonală a grafenului. Ce face al patrulea?
Este gratuit, o mică suprapuneri cu orbitalele de carboni adiacenți și creează așa -numite. nor de electroni. Acesta este rebelul responsabil pentru surprizele pe care le arată grafenul. Grafenul creează o barieră moleculară.
Această caracteristică este foarte apreciată pentru industria ambalajelor, a suprafețelor antibacteriene în medicină și pentru toate sectoarele în care este necesar să se protejeze obiectele împotriva degradării și coroziunii ca acoperiri de protecție și anticorozive.
Dacă stocați 2 straturi de grafen unul la altul într -un anumit unghi, unii atomi din ambele straturi se vor suprapune, iar alții nu sunt; Se creează un model cu un motiv recurent, așa cum vedem pe perdeaua pliată și în imaginea de mai sus.
În cazul dublei grafenului, transformarea are un efect mare asupra proprietăților electronice. De exemplu, atunci când vă întoarceți doar cu 1,1 ° (astfel unghiul magic -numit), grafenul dvs. va deveni superconductor. Controlul proprietăților electronice prin fotografierea a două grafene a fost numit „Twistronics”.
Când grafenul este transferat în folia transparentă, transparența sa este redusă cu doar câteva, fiecare strat de grafen absoarbe 2,3 % din lumină. Cu toate acestea, folia primește o caracteristică importantă, conductivitatea electrică. Materialele conductoare electric sunt de obicei metale și nu sunt niciodată transparente pentru lumina vizibilă. Prin urmare, grafenul acoperit cu folii transparente ar putea fi utilizat ca electrozi transparenti pentru aplicații fotoactive (celule solare).
Pe alte suprafețe, grafenul creează straturi antistatice. Combinația de o bună conductivitate termică și electrică oferă aplicarea grafenului ca detector de temperatură de rezistență, un alt termometru. Stratul de grafen răspunde foarte repede la schimbările de temperatură, schimbându -și rezistența electrică.
Este posibil să preparați grafenul diferit decât prin împărțirea de la grafit?
În plus față de prepararea menționată mai sus a grafenului prin împărțirea din grafit (Konstantin Novoselov a făcut -o folosind bandă adezivă), există mai multe alte metode pentru a pregăti grafenul și aici menționăm trei dintre ele:
1. De pe suprafața cristalului de carbură de siliciu la temperatură ridicată și presiune foarte mică, atomii de siliciu se evaporă, în timp ce suprafața este acoperită cu stratul de grafen. În acest fel, pregătim un strat continuu de grafen de calitate relativ bună. Dezavantajul este că nu putem separa grafenul de cristalul de carbură de siliciu.
2. Pe suprafața foliei metalice la temperaturi ridicate, aducem un gaz care conține carbon și care este descompus pe folia metalică, astfel încât carbonul să formeze un grafen pe suprafața sa. Avantajul este pregătirea unui strat de grafen continuu și posibilitatea de a transfera grafenul într -un alt substrat. Dezavantajul este structura policristalină a grafenului și consumul ridicat de material metalic, care nu poate fi utilizat de mai multe ori.
3. Oxidarea chimică a grafitului duce la dezintegrarea spontană în straturi de grafen oxidat. Spre deosebire de grafen, grafenul oxidat nu este conductor electric, dar este solubil în apă. Acesta este un avantaj uriaș, deoarece în dispersia apei este ușor de aplicat grafen oxidat pe orice suprafață sau de filtrat în folie. Avantajul este, de asemenea, un preț scăzut și o cantitate practic nelimitată de materiale. Dezavantajul este de obicei calitatea și necesitatea mai scăzută a eliminării grupelor de oxid, astfel încât grafenul oxidat neconductiv să fie transformat într -un grafen conductiv.
În cele din urmă, vom dezvălui cum putem folosi grafenul oxidat
Grafenul oxidat ne permite să pregătim alte două materiale dimensionale, astfel încât rezultatul să fie o „heterostructură” a materialelor cu două dimensiuni încapsulate direct în grafen. Am publicat această metodă extrem de eficientă și simplă abia de curând (https: //dii.org/10.1002/ adMA.202106922) și ne așteptăm la aplicarea a două structuri de hetero -dimensiune cu grafen, de ex. În electronice, spintronics, elemente active optic, senzori și în alte părți.
Asst. Ing. Viera sare, alunecă.
- Institutul de Inginerie Electrică din SAS, VVI
- Co -Funder și director general al companiei de cercetare Dunărea Nanotech, SRO
- Din 2021 cercetător emerit la Universitatea din Viena
- din 2012-2021 la Universitatea din Viena, structura atomarică a materialelor 2D
- Din 1999 până în 2012 la Institutul de Max Planck (MPI) din Stuttgart, prof. von klitzinga,
- Cercetarea caracteristicilor electrice ale grafenului