Графен

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Изображение было получиено при помощи цифрового атомно-силового микроскопа. Обратите внимание на ступеньку, состоящую из слоя в один атом, ширина которого равна 8 ангстрем.

Графеном (Graphene) называется слой атомов углерода, соедненных посредствам связи sp². Графен характеризуется большой механической жесткостью, высокими значениями теплопроводности и электрической проводимости, что делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях – от наноэлектроники до покрытия фюзеляжей авиалайнеров. Но процедура отделения графеновых слоев от графита крайне сложна, поэтому один из путей практического использования их уникальных свойств состоит в том, чтобы попытаться изготовить композиты на их основе. Данная материя не является просто кусочком обычного угля, графита, или алмаза. Из-за особенности энергетического спектра она проявляет удивительные свойства.

[править] Открытие

[править] Терминология

ИЮПАК заявил

Раньше под словом графен подразумевались любые графитовые слои или части графита... однако нельзя использовать тот же термин для описания однослойных частей графита. Термин графен должен применяться только для описания выделенных однослойных структур атомов углерода.

Как заявили авторы статьи в журнале Science ^[1], физики Константин Новоселов из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке и Андре Гейм (Andre Geim) из Университета Манчестера

Термин графен, данный однослойным структурам атомов углерода, также широко применяется для описания структур на основе атомов углерода, таких как нанотрубки и фуллерены. Чистый графен не может существовать в свободном состоянии, так как это состояние нестабильно.

Стабилизация достигается благодаря наличию связи с подложкой в качестве которой выступает кремний с тонким слоем диэлектрика SiO₂.

[править] Получение

Кусочки графена можно получить при механическом воздействии на пиролитический графит. При движении кристалла вдоль плоскости, от него один за другим отделяются тончайщие слои углерода, располагаясь при этом в одной плоскости. Эффект напоминает движение мела по школьной доске. Естественно, что получившийся монослой обладает некоторыми дефектами (так например, подвижность электрона ограничена велечинами 10⁴ см²В^-1с^-1.

Недавно несколько работ о графене, выращенном на SiC подложках были опубликованы ^[2][3]. Графеновая плёнка получалась при термическом разложении поверхности SiC подложки (этот метод получения графена гораздо ближе к промыщленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того какая ориентация у грани (0001) кристалла C ориентация или Si ориентация - в первом случае качество плёнок выше. В работе ^[4] таже группа исследователей показала, что несмотря на то что толщина графена составляла больше чем 1 слой, но предполагается что так как на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется наскомпенсированный заряд, поэтому в проводимости учатсвует только слой в непосредственной близости от подложки.

[править] Химические модификации

Кусочки графена можно приготовить из графита ^[5]. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем, под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана, они переходят в графеновые слои толщиной 5.4 ангстрем.

Идеальные графены состоят исключительно из гексагональных кристаллических решеток, так как присутсвие пятиугольной и семиугольной будут приводит к различного рода дефектам. Если в графене будет присутствовать пятиуголная решетка, тогда атомная плоскость свернется в конус, а присутствие одновременно 12 таких решеток приведет к образованию фуллерена. Если же в графене будет присутсвовать семиугольная решетка, то атомная плоскость примет седловидную форму. Таким образом различные комбинации атомных структур внутри графена могут образовывать различные формы поверхности.

[править] Возможные применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 году группа исследователи из технологического института штата Джорджии заявили, что ими был получен полевой транзистор на графеновом слое, а также квантово-интерференционный прибор.^[6] Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.

[править] Физика

Подложка кремния с диэлектриком на котором покоится графен должна быть сильно легирована, для того чтобы она работала в качестве обратного затвора, при момощи которого можно управлять концентрацией и даже изменять тип проводимости поскольку так как графин является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к затвору приводит к электронной проводимости графена и обратно, если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому в принципе нельзя обеднить полностью графин от носителей. В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное напряжение равно нулю не должно быть носителей тока, что следуя наивным представлениям приводит к отсутствию проводимости, но как показывают теоретические работы вблизи дираковской точки или точки электронейтральности для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно чистых обрзцов. В действительности все плёнки графена соединены с подложкой и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что приводит к неоднородности типа проводимости по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация носителей не меньше 10¹² см^-2. Здесь проявляются отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно отсутствует переход металл-диэлектрик.

Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO₂), поэтому сейчас ведуться работы по получению свободновисящих плёнок графена, что должно увеличить подвижность до 1500000 см²В^-1c^-1[7]. Это приведёт к возможности наблюдать дробный квантовый эффект Холла. В современных образцах вплоть до 45 Т невозможно наблюдать этот эффект, но наблюдается квантовый эффект Холла в графене, который не совпадает с обычным квантовым эффектом Холла. Для графена плато на зависимости проводимости от концентрации или магнитного поля наблюдаются при числах заполнения , где n - индекс уровня Ландау. Четвёрка означает четырёхкратное вырождение по энергии. В работе^[8] наблюдается расщепление уровней Ландау и снятие четырёхкратного вырождения для первого уровня Ландау вблизи точки электронейтральности.

[править] Поразительные факты, наблюдающиеся в графене

• В статье, опубликованной 10 ноября 2005 года в журнале Nature ^[9], Константин Новоселов и Андре Гейм утверждают, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, и описываются уравнением Дирака. Хотя в эффекте Шубникова-де Гааза (осцилляции магнетосопротивления) наблюдаемые осцилляции соответствуют конечной циклотронной массе.

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

• Квантовый эффект Холла в графене может наблюдаться даже при комнатной температуре из-за огромной температуры Ферми (~1000 К), при которой электронный газ всё ещё остаётся вырожденным.
• В графене удалось наблюдать когеренцию электронов при комнатной температуре, что свидетельствует о проявлении эффектов квантовой интерференции.
• При сворачивании графена в цилиндр (см. рисунок) получается одностенная нанотрубка, а совокупность большого количества таких параллельных друг другу слоев представляет собой графит. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками.
• Так как закон дисперсии для носителей идентичен безмассовым частицам, то графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики.
• В графене отсутствует вигнеровская кристаллизация.
• В графене нарущается приближение Борна-Оппенгеймера (адиабатическое приближение), гласящее что в силу медленного движения ионных остовов решётки их можно включить в рассмотрение как возмущение известное как фононы решётки - основное приближение на котором строится зонная теория твёрдых тел.

Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

[править] Ссылки

1. ↑ Novoselov, K.S. et al. "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science, Vol 306 (5696), p. 666-669, 2004 doi:10.1126/science.1102896
2. ↑ http://arxiv.org/pdf/cond-mat/0512226
3. ↑ http://arxiv.org/pdf/cond-mat/0604206
4. ↑ Berger, C. et al. "Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene", Science, Vol. 312, p. 1191-1196 26 May 2006 10.1126/science.1125925 doi: 10.1126/science.1125925
5. ↑ Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(24) pp 7720 - 7721; (Communication) doi:10.1021/ja060680r
6. ↑ Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite March 14, 2006 gtresearchnews.gatech.edu Link
7. ↑ cond-mat/0610157
8. ↑ Zhang Y., et al.,Landau-Level Splitting in Graphene in High Magnetic Fields Phys. Rev. Lett. 96, 136806 (2006) doi:10.1103/PhysRevLett.96.136806
9. ↑ Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene [1]

[править] См. также

• Фуллерены
• нанотрубки
• галерея фотографий графита и графена