Graphen wird für Forscher immer attraktiver. Gab es 2007 797 Artikel zum Thema Graphen, so gab es in den ersten 8 Monaten des Jahres 2008 bereits 801 Veröffentlichungen. Was sind die bedeutendsten neueren Studien und Entdeckungen auf dem Gebiet der Graphenstrukturen und -technologien?

Bis heute ist Graphen (Abb. 1) das dünnste Material, das der Menschheit bekannt ist, nur ein Kohlenstoffatom dick. Es trat 2004 in die Lehrbücher der Physik und in unsere Realität ein, als es Forschern der Universität Manchester, Andre Game und Konstantin Novoselov, gelang, es mit gewöhnlichem Klebeband zu erhalten, um nacheinander Schichten von gewöhnlichem kristallinem Graphit zu trennen, das uns in Form eines Bleistifts bekannt ist Stab (siehe . Anwendung). Bemerkenswerterweise kann eine auf einem oxidierten Siliziumsubstrat platzierte Graphenfolie mit einem guten optischen Mikroskop betrachtet werden. Und das trotz seiner Dicke von nur wenigen Angström (1Å = 10 -10 m)!

Die Popularität von Graphen unter Forschern und Ingenieuren wächst von Tag zu Tag, da es ungewöhnliche optische, elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften aufweist. Viele Experten prognostizieren in naher Zukunft einen möglichen Ersatz von Siliziumtransistoren durch wirtschaftlichere und schnellere Graphentransistoren (Abb. 2).

Obwohl mechanisches Peeling mit Klebeband es ermöglicht, qualitativ hochwertige Graphenschichten für die Grundlagenforschung zu erhalten, und die epitaktische Methode des Aufwachsens von Graphen den kürzesten Weg zu elektronischen Mikroschaltkreisen bieten kann, versuchen Chemiker, Graphen aus Lösung zu gewinnen. Neben niedrigen Kosten und hoher Produktivität öffnet diese Methode die Tür zu vielen weit verbreiteten chemischen Techniken, die es ermöglichen würden, Graphenschichten in verschiedene Nanostrukturen einzubetten oder mit verschiedenen Materialien zu integrieren, um Nanokomposite zu erzeugen. Bei der Gewinnung von Graphen durch chemische Verfahren müssen jedoch einige Schwierigkeiten überwunden werden: Erstens ist es notwendig, eine vollständige Trennung von in eine Lösung eingebrachtem Graphit zu erreichen; Zweitens, um sicherzustellen, dass das abgeblätterte Graphen in der Lösung die Form des Blattes beibehält und sich nicht zusammenrollt und zusammenklebt.

Neulich in einem renommierten Magazin Natur Es wurden zwei Arbeiten von unabhängig arbeitenden wissenschaftlichen Gruppen veröffentlicht, in denen es den Autoren gelang, die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden und in Lösung suspendierte Graphenblätter von guter Qualität zu erhalten.

Die erste Gruppe von Wissenschaftlern - von der Stanford University (Kalifornien, USA) und (China) - führte Schwefel- und Salpetersäure zwischen Graphitschichten ein (ein Interkalationsprozess; siehe Graphit-Interkalationsverbindung) und erhitzte die Probe dann schnell auf 1000 ° C ( Abb. 3a). Die explosionsartige Verdampfung von Einlagerungsmolekülen erzeugt dünne (einige Nanometer dicke) Graphit-„Flocken“, die viele Graphenschichten enthalten. Danach wurden zwei Substanzen, Oleum und Tetrabutylammoniumhydroxid (HTBA), chemisch in den Raum zwischen den Graphenschichten eingebracht (Abb. 3b). Die beschallte Lösung enthielt sowohl Graphit- als auch Graphenblätter (Abb. 3c). Danach wurde Graphen durch Zentrifugation abgetrennt (Abb. 3d).

Gleichzeitig schlug die zweite Gruppe von Wissenschaftlern – aus Dublin, Oxford und Cambridge – eine andere Methode zur Gewinnung von Graphen aus mehrschichtigem Graphit vor – ohne die Verwendung von Einlagerungsmitteln. Die Hauptsache ist laut den Autoren des Artikels, die "richtigen" organischen Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon zu verwenden. Um qualitativ hochwertiges Graphen zu erhalten, ist es wichtig, solche Lösungsmittel so auszuwählen, dass die Energie der Oberflächenwechselwirkung zwischen dem Lösungsmittel und Graphen die gleiche ist wie für das Graphen-Graphen-System. Auf Abb. 4 zeigt die Ergebnisse der schrittweisen Herstellung von Graphen.

Der Erfolg beider Experimente basiert darauf, die richtigen Interkalationsmittel und/oder Lösungsmittel zu finden. Natürlich gibt es andere Techniken zur Gewinnung von Graphen, wie etwa die Umwandlung von Graphit in Graphitoxid. Sie verwenden einen als "Oxidation-Delaminierung-Reduktion" bezeichneten Ansatz, bei dem Graphitgrundflächen mit kovalent gebundenen funktionellen Sauerstoffgruppen beschichtet werden. Dieser oxidierte Graphit wird hydrophil (oder einfach feuchtigkeitsliebend) und kann in wässriger Lösung unter Einwirkung von Ultraschall leicht in einzelne Graphenblätter delaminieren. Das resultierende Graphen hat hervorragende mechanische und optische Eigenschaften, aber seine elektrische Leitfähigkeit ist um mehrere Größenordnungen niedriger als die von Graphen, das mit der „Klebebandmethode“ (siehe Anhang) erhalten wurde. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, dass ein solches Graphen in der Elektronik Anwendung findet.

Wie sich herausstellte, ist Graphen, das als Ergebnis der beiden obigen Verfahren erhalten wurde, von höherer Qualität (enthält weniger Defekte im Gitter) und hat folglich eine höhere Leitfähigkeit.

Eine weitere Errungenschaft von Forschern aus Kalifornien kam uns zugute, die kürzlich über eine hochauflösende (Auflösung bis zu 1 Å) Niederenergie-Elektronenmikroskopie (80 kV) zur direkten Beobachtung einzelner Atome und Defekte im Graphen-Kristallgitter berichteten. Wissenschaftlern ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, hochauflösende Bilder der atomaren Struktur von Graphen zu erhalten (Abb. 5), auf denen Sie mit eigenen Augen die Gitterstruktur von Graphen sehen können.

Forscher der Cornell University sind sogar noch weiter gegangen. Aus einer Graphenschicht gelang es ihnen, eine nur ein Kohlenstoffatom dicke Membran herzustellen und sie wie einen Ballon aufzublasen. Eine solche Membran erwies sich als stark genug, um einem Gasdruck von mehreren Atmosphären standzuhalten. Das Experiment war wie folgt. Graphenblätter wurden auf einem oxidierten Siliziumsubstrat mit vorläufig geätzten Zellen platziert, die aufgrund von Van-der-Waals-Kräften fest an der Siliziumoberfläche befestigt waren (Abb. 6a). Auf diese Weise wurden Mikrokammern gebildet, in denen das Gas zurückgehalten werden konnte. Danach erzeugten die Wissenschaftler einen Druckunterschied innerhalb und außerhalb der Kammer (Abb. 6b). Mit einem Rasterkraftmikroskop, das die Auslenkungskraft misst, die ein Cantilever mit einer Nadel spürt, wenn er eine Membran in einer Höhe von nur wenigen Nanometern von ihrer Oberfläche abtastet, konnten die Forscher den Grad der Konkavität der Konkavität beobachten Membran (Abb. 6c–e) bei Druckänderungen bis zu mehreren Atmosphären.

Danach wurde die Membran als Miniaturtrommel verwendet, um die Frequenz ihrer Schwingungen bei einer Druckänderung zu messen. Es wurde festgestellt, dass Helium auch bei hohem Druck in der Mikrokammer verbleibt. Da das im Experiment verwendete Graphen jedoch nicht ideal war (es hatte Defekte in der Kristallstruktur), sickerte das Gas allmählich durch die Membran. Während des Experiments, das mehr als 70 Stunden dauerte, wurde eine stetige Abnahme der Membranspannung beobachtet (Abb. 6e).

Die Autoren der Studie weisen darauf hin, dass solche Membranen eine Vielzahl von Anwendungen haben können – zum Beispiel können sie verwendet werden, um biologische Materialien zu untersuchen, die in eine Lösung gebracht werden. Dazu reicht es aus, ein solches Material mit Graphen zu bedecken und es durch eine transparente Membran mit einem Mikroskop zu untersuchen, ohne ein Auslaufen oder Verdunsten der Lösung zu befürchten, die die Vitalaktivität des Organismus unterstützt. Es ist auch möglich, atomare Löcher in die Membran zu bohren und dann durch Untersuchung von Diffusionsprozessen zu beobachten, wie einzelne Atome oder Ionen das Loch passieren. Vor allem aber hat die Studie von Wissenschaftlern der Cornell University die Wissenschaft der Entwicklung von Einzelatomsensoren einen Schritt näher gebracht.

Die schnell wachsende Zahl von Studien zu Graphen zeigt, dass es sich tatsächlich um ein sehr vielversprechendes Material für eine Vielzahl von Anwendungen handelt, aber viele Theorien und Dutzende von Experimenten müssen noch aufgebaut werden, bevor sie in die Praxis umgesetzt werden können.

Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (Volltext verfügbar) // NanoLetters. V. 8. Nr. 8. S. 2458–2462 (2008).

Alexander Samardak

Bis zum vergangenen Jahr bestand die einzige der Wissenschaft bekannte Methode zur Herstellung von Graphen darin, die dünnste Graphitschicht auf Klebeband aufzubringen und dann die Basis zu entfernen. Diese Technik wird "Klebebandtechnik" genannt. Kürzlich haben Wissenschaftler jedoch entdeckt, dass es einen effizienteren Weg gibt, um ein neues Material zu erhalten: Als Basis verwenden sie eine Schicht aus Kupfer, Nickel oder Silizium, die dann durch Ätzen entfernt wird (Abb. 2). Auf diese Weise schuf ein Team von Wissenschaftlern aus Korea, Japan und Singapur rechteckige Graphenplatten mit einer Breite von 76 Zentimetern. Die Forscher stellten nicht nur eine Art Rekord für die Größe eines Stücks einer einschichtigen Struktur aus Kohlenstoffatomen auf, sondern schufen auch empfindliche Bildschirme auf Basis flexibler Folien.

Abbildung 2: Erhalt von Graphen durch Ätzen

Zum ersten Mal wurden Graphen-„Flocken“ von Physikern erst 2004 erhalten, als ihre Größe nur 10 Mikrometer betrug. Vor einem Jahr gab das Team von Rodney Ruoff von der University of Texas at Austin bekannt, dass es ihm gelungen sei, zentimetergroße „Schnipsel“ aus Graphen herzustellen.

Ruoff und Kollegen lagerten mithilfe von chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) Kohlenstoffatome auf Kupferfolie ab. Forscher im Labor von Professor Byun Hee Hong von der Sunkhyunkhwan University gingen noch weiter und vergrößerten die Blätter auf die Größe eines vollwertigen Bildschirms. Die neue „Roll“-Technologie (Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung) ermöglicht es, aus Graphen ein langes Band zu erhalten (Abb. 3).

Abbildung 3: Hochauflösendes Tranvon gestapelten Graphenschichten.

Eine Schicht eines haftenden Polymers wurde auf die physikalischen Graphenblätter aufgebracht, die Kupfersubstrate wurden aufgelöst, dann wurde der Polymerfilm abgetrennt – eine einzelne Graphenschicht wurde erhalten. Um den Platten mehr Festigkeit zu verleihen, "wuchsen" die Wissenschaftler auf die gleiche Weise drei weitere Schichten Graphen auf. Am Ende wurde das entstandene „Sandwich“ mit Salpetersäure behandelt, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Eine brandneue Graphenfolie wird auf ein Polyestersubstrat gelegt und zwischen beheizten Walzen hindurchgeführt (Abb. 4).

Abbildung 4: Rollentechnologie zur Gewinnung von Graphen

Die resultierende Struktur ließ 90 % des Lichts durch und hatte einen geringeren elektrischen Widerstand als der standardmäßige, aber immer noch sehr teure transparente Leiter Indium-Zinn-Oxid (ITO). Übrigens fanden die Forscher bei der Verwendung von Graphenplatten als Basis für Touch-Displays heraus, dass ihre Struktur auch weniger zerbrechlich ist.

Zwar ist die Kommerzialisierung der Technologie trotz aller Errungenschaften noch sehr weit entfernt. Transparente Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Filme versuchen schon seit geraumer Zeit, ITO zu ersetzen, aber die Hersteller können das Problem der „toten Pixel“, die auf Filmdefekten erscheinen, nicht umgehen.

Die Verwendung von Graphenen in der Elektrotechnik und Elektronik

Die Helligkeit von Pixeln in Flachbildschirmen wird durch die Spannung zwischen zwei Elektroden bestimmt, von denen eine dem Betrachter zugewandt ist (Abb. 5). Diese Elektroden müssen transparent sein. Derzeit wird zinndotiertes Indiumoxid (ITO) verwendet, um transparente Elektroden herzustellen, aber ITO ist teuer und nicht das stabilste Material. Außerdem wird die Welt bald ihre Indiumreserven erschöpfen. Graphen ist transparenter und stabiler als ITO, und ein Graphen-Elektroden-LCD wurde bereits demonstriert.

Abbildung 5: Helligkeit von Graphen-Bildschirmen als Funktion der angelegten Spannung

Auch in anderen Bereichen der Elektronik hat der Werkstoff großes Potenzial. Im April 2008 demonstrierten Wissenschaftler aus Manchester den kleinsten Graphen-Transistor der Welt. Eine perfekt korrekte Graphenschicht steuert den Widerstand des Materials und verwandelt es in ein Dielektrikum. Es wird möglich, einen mikroskopisch kleinen Leistungsschalter für einen Hochgeschwindigkeits-Nanotransistor zu schaffen, um die Bewegung einzelner Elektronen zu steuern. Je kleiner Transistoren in Mikroprozessoren sind, desto schneller sind sie, und Wissenschaftler hoffen, dass Graphen-Transistoren in Computern der Zukunft die Größe eines Moleküls haben werden, da die moderne Silizium-Mikrotransistor-Technologie fast an ihre Grenzen gestoßen ist.

Graphen ist nicht nur ein hervorragender elektrischer Leiter. Es hat die höchste Wärmeleitfähigkeit: Atomschwingungen breiten sich leicht durch das Kohlenstoffgeflecht einer Zellstruktur aus. Die Wärmeableitung in der Elektronik ist ein ernsthaftes Problem, da die hohen Temperaturen, denen die Elektronik standhalten kann, begrenzt sind. Wissenschaftler der University of Illinois haben jedoch herausgefunden, dass graphenbasierte Transistoren eine interessante Eigenschaft haben. Sie zeigen einen thermoelektrischen Effekt, der zu einer Abnahme der Temperatur des Geräts führt. Dies könnte bedeuten, dass Graphen-basierte Elektronik Kühlkörper und Lüfter der Vergangenheit angehören lassen wird. Damit steigt die Attraktivität von Graphen als vielversprechendes Material für Mikroschaltkreise der Zukunft weiter (Abb. 6).

Abbildung 6: Eine Rasterkraftmikroskop-Sonde tastet die Oberfläche eines Graphen-Metall-Kontakts ab, um die Temperatur zu messen.

Für Wissenschaftler war es nicht einfach, die Wärmeleitfähigkeit von Graphen zu messen. Sie erfanden eine völlig neue Methode zur Temperaturmessung, indem sie einen 3 Mikrometer langen Graphenfilm über genau dasselbe winzige Loch in einem Siliziumdioxidkristall legten. Anschließend wurde die Folie mit einem Laserstrahl erhitzt und in Schwingung versetzt. Diese Schwingungen halfen bei der Berechnung der Temperatur und Wärmeleitfähigkeit.

Der Einfallsreichtum von Wissenschaftlern kennt keine Grenzen, wenn es darum geht, die phänomenalen Eigenschaften einer neuen Substanz zu nutzen. Im August 2007 entstand auf seiner Basis der empfindlichste aller möglichen Sensoren. Es ist in der Lage, auf ein Gasmolekül zu reagieren, was dazu beiträgt, das Vorhandensein von Toxinen oder Sprengstoffen rechtzeitig zu erkennen. Außerirdische Moleküle steigen friedlich in das Graphennetzwerk ein und schlagen Elektronen daraus heraus oder fügen sie hinzu. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand der Graphenschicht, der von Wissenschaftlern gemessen wird. Selbst die kleinsten Moleküle werden durch das starke Graphen-Netz eingefangen. Im September 2008 demonstrierten Wissenschaftler der Cornell University in den Vereinigten Staaten, wie sich eine Graphenmembran, wie der dünnste Ballon, aufgrund eines Druckunterschieds von mehreren Atmosphären auf beiden Seiten aufbläst. Diese Eigenschaft von Graphen kann nützlich sein, um den Ablauf verschiedener chemischer Reaktionen zu bestimmen und allgemein das Verhalten von Atomen und Molekülen zu untersuchen.

Es ist immer noch sehr schwierig, große Blätter aus reinem Graphen zu erhalten, aber die Aufgabe kann vereinfacht werden, wenn die Kohlenstoffschicht mit anderen Elementen gemischt wird. An der Northwestern University in den Vereinigten Staaten wurde Graphit oxidiert und in Wasser gelöst. Das Ergebnis war ein papierähnliches Material – Graphenoxidpapier (Abb. 7). Es ist sehr hart und ziemlich einfach zu machen. Graphenoxid eignet sich als langlebige Membran in Batterien und Brennstoffzellen.

Abbildung 7: Graphenoxidpapier

Die Graphenmembran ist ein ideales Substrat für Untersuchungsobjekte unter einem Elektronenmikroskop. Makellose Zellen verschmelzen in Bildern zu einem einheitlichen grauen Hintergrund, vor dem sich andere Atome deutlich abheben. Bisher war es fast unmöglich, die leichtesten Atome im Elektronenmikroskop zu unterscheiden, aber mit Graphen als Substrat können sogar kleine Wasserstoffatome gesehen werden.

Die Einsatzmöglichkeiten von Graphen sind endlos. Kürzlich fanden Physiker der Northwestern University in den USA heraus, dass Graphen mit Kunststoff vermischt werden kann. Das Ergebnis ist ein dünnes, superstarkes Material, das hohen Temperaturen standhält und gegenüber Gasen und Flüssigkeiten undurchlässig ist.

Der Anwendungsbereich ist die Herstellung von leichten Tankstellen, Ersatzteilen für Autos und Flugzeuge sowie langlebigen Rotorblättern für Windkraftanlagen. Mit Kunststoff lassen sich Lebensmittel verpacken und so lange frisch halten.

Graphen ist nicht nur das dünnste, sondern auch das haltbarste Material der Welt. Wissenschaftler der Columbia University in New York haben dies verifiziert, indem sie Graphen über winzige Löcher in einem Siliziumkristall platziert haben. Anschließend versuchten sie durch Drücken der dünnsten Diamantnadel die Graphenschicht zu zerstören und maßen die Druckkraft (Abb. 8). Es stellte sich heraus, dass Graphen 200-mal stärker ist als Stahl. Stellt man sich eine Graphenschicht so dick wie Frischhaltefolie vor, würde sie dem Druck einer Bleistiftspitze standhalten, auf deren gegenüberliegendem Ende ein Elefant oder ein Auto balancieren würde.

Abbildung 8: Druck auf die Graphen-Diamantnadel

Graphen gehört zu einer Klasse einzigartiger Kohlenstoffverbindungen, die bemerkenswerte chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen, wie z. B. eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, kombiniert mit erstaunlicher Leichtigkeit und Festigkeit.

Es wird davon ausgegangen, dass es im Laufe der Zeit Silizium ersetzen kann, das die Grundlage der modernen Halbleiterproduktion darstellt. Derzeit ist der Status des „Materials der Zukunft“ in dieser Verbindung sicher verankert.

Materialeigenschaften

Graphen, am häufigsten unter der Bezeichnung „G“ zu finden, ist eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff, die eine ungewöhnliche Struktur in Form von Atomen aufweist, die in einem hexagonalen Gitter verbunden sind. Gleichzeitig überschreitet seine Gesamtdicke nicht die Größe von jedem von ihnen.

Für ein klareres Verständnis dessen, was Graphen ist, ist es ratsam, sich mit folgenden einzigartigen Eigenschaften vertraut zu machen:

• Hohe Wärmeleitfähigkeit aufzeichnen;
• Hohe mechanische Festigkeit und Flexibilität des Materials, hundertmal höher als der gleiche Indikator für Stahlprodukte;
• Unvergleichliche elektrische Leitfähigkeit;
• Hoher Schmelzpunkt (mehr als 3 Tausend Grad);
• Undurchlässigkeit und Transparenz.

Die ungewöhnliche Struktur von Graphen wird durch eine so einfache Tatsache belegt: Wenn 3 Millionen Graphen-Rohlinge kombiniert werden, beträgt die Gesamtdicke des Endprodukts nicht mehr als 1 mm.

Um die einzigartigen Eigenschaften dieses ungewöhnlichen Materials zu verstehen, genügt es festzustellen, dass es in seinem Ursprung dem üblichen Schichtgraphit ähnelt, der in Bleistiftminen verwendet wird. Aufgrund der speziellen Anordnung der Atome im hexagonalen Gitter erhält seine Struktur jedoch die Eigenschaften, die einem so harten Material wie Diamant innewohnen.

Wenn Graphen aus Graphit isoliert wird, werden in dem dabei gebildeten atomdicken Film seine „wunderbarsten“ Eigenschaften beobachtet, die für moderne 2D-Materialien charakteristisch sind. Heute ist es schwierig, einen solchen Bereich der Volkswirtschaft zu finden, wo immer diese einzigartige Verbindung verwendet wird und wo sie nicht als vielversprechend gilt. Besonders deutlich wird dies im Bereich der wissenschaftlichen Entwicklungen, die auf die Beherrschung neuer Technologien abzielen.

Wie kommt man

Die Entdeckung dieses Materials kann bis ins Jahr 2004 zurückdatiert werden, danach beherrschten Wissenschaftler verschiedene Methoden, um es zu gewinnen, die im Folgenden vorgestellt werden:

• Chemische Kühlung, implementiert durch die Methode der Phasenumwandlung (es wird als CVD-Prozess bezeichnet);
• Das sogenannte "Epitaxialwachstum", das im Vakuum durchgeführt wird;
• Methode des "mechanischen Peelings".

Betrachten wir jeden von ihnen genauer.

Mechanisch

Beginnen wir mit der letzten dieser Methoden, die als die zugänglichste für die unabhängige Ausführung gilt. Um Graphen zu Hause zu erhalten, müssen die folgenden Operationen nacheinander durchgeführt werden:

• Zuerst müssen Sie eine dünne Graphitplatte vorbereiten, die dann an der Klebeseite eines Spezialbandes befestigt wird;
• Danach faltet es sich in zwei Hälften und kehrt dann wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück (seine Enden sind geschieden);
• Als Ergebnis solcher Manipulationen ist es möglich, eine doppelte Graphitschicht auf der Klebeseite des Bandes zu erhalten;
• Wenn Sie diesen Vorgang mehrmals durchführen, ist es einfach, eine geringe Dicke der aufgetragenen Materialschicht zu erreichen;
• Danach wird Klebeband mit gespaltenen und sehr dünnen Filmen auf ein Siliziumoxid-Substrat aufgebracht;
• Dadurch verbleibt der Film teilweise auf dem Substrat und bildet eine Graphenschicht.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist die Schwierigkeit, einen ausreichend dünnen Film einer bestimmten Größe und Form zu erhalten, der sicher auf den für diesen Zweck vorgesehenen Teilen des Substrats befestigt wäre.

Derzeit wird der größte Teil des in der täglichen Praxis verwendeten Graphens auf diese Weise hergestellt. Aufgrund der mechanischen Exfoliation ist es möglich, eine Verbindung von ziemlich hoher Qualität zu erhalten, aber dieses Verfahren ist für Massenproduktionsbedingungen völlig ungeeignet.

Industrielle Methoden

Eine der industriellen Möglichkeiten, Graphen zu erhalten, besteht darin, es im Vakuum zu züchten, dessen Merkmale wie folgt dargestellt werden können:

• Für seine Herstellung wird eine Oberflächenschicht aus Siliziumkarbid genommen, die immer auf den Oberflächen dieses Materials vorhanden ist;
• Dann wird der vorbereitete Siliziumwafer auf eine relativ hohe Temperatur (in der Größenordnung von 1000 K) erhitzt;
• Aufgrund der dabei ablaufenden chemischen Reaktionen wird die Trennung von Silizium- und Kohlenstoffatomen beobachtet, bei der die ersten sofort verdampfen;
• Als Ergebnis dieser Reaktion verbleibt reines Graphen (G) auf der Platte.

Zu den Nachteilen dieses Verfahrens gehört die Notwendigkeit einer Hochtemperaturerhitzung, die häufig technische Schwierigkeiten verursacht.

Das zuverlässigste industrielle Verfahren zur Vermeidung der oben beschriebenen Schwierigkeiten ist das sogenannte "CVD-Verfahren". Wenn es implementiert wird, findet eine chemische Reaktion statt, die auf der Oberfläche des Metallkatalysators auftritt, wenn es mit Kohlenwasserstoffgasen kombiniert wird.

Als Ergebnis aller oben diskutierten Ansätze ist es möglich, reine allotrope Verbindungen von zweidimensionalem Kohlenstoff in Form einer nur ein Atom dicken Schicht zu erhalten. Ein Merkmal dieser Bildung ist die Verbindung dieser Atome zu einem hexagonalen Gitter aufgrund der Bildung der sogenannten "σ"- und "π"-Bindungen.

Elektrische Ladungsträger im Graphengitter zeichnen sich durch eine hohe Beweglichkeit aus, die weitaus höher ist als bei anderen bekannten Halbleitermaterialien. Aus diesem Grund ist es in der Lage, das klassische Silizium zu ersetzen, das traditionell in der Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet wird.

Die Möglichkeiten der praktischen Anwendung von Materialien auf Basis von Graphen stehen in direktem Zusammenhang mit den Merkmalen seiner Herstellung. Derzeit gibt es viele Methoden, um seine einzelnen Fragmente zu erhalten, die sich in Form, Qualität und Größe unterscheiden.

Unter allen bekannten Methoden stechen folgende Ansätze hervor:

1. Herstellung einer Vielzahl von Graphenoxiden in Form von Flocken, die bei der Herstellung von elektrisch leitfähigen Farben verwendet werden, sowie verschiedener Qualitäten von Verbundmaterialien;
2. Erhalten von flachem Graphen G, aus dem Komponenten elektronischer Geräte hergestellt werden;
3. Wuchsmaterial der gleichen Art, die als inaktive Komponenten verwendet werden.

Die Haupteigenschaften dieser Verbindung und ihre Funktionalität werden durch die Qualität des Substrats sowie die Eigenschaften des Materials bestimmt, mit dem sie gezüchtet werden. All dies hängt letztendlich von der verwendeten Produktionsmethode ab.

Abhängig von der Methode zur Gewinnung dieses einzigartigen Materials kann es für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, nämlich:

1. Durch mechanisches Peeling gewonnenes Graphen ist hauptsächlich für die Forschung bestimmt, was sich durch die geringe Mobilität freier Ladungsträger erklärt;
2. Wenn Graphen durch eine chemische (thermische) Reaktion gewonnen wird, wird es am häufigsten zur Herstellung von Verbundmaterialien sowie von Schutzbeschichtungen, Tinten und Farbstoffen verwendet. Die Mobilität freier Ladungsträger ist etwas höher, was die Verwendung zur Herstellung von Kondensatoren und Filmisolatoren ermöglicht;
3. Wird diese Verbindung im CVD-Verfahren gewonnen, kann sie in der Nanoelektronik sowie zur Herstellung von Sensoren und transparenten flexiblen Folien eingesetzt werden;
4. Durch das "Siliziumwafer"-Verfahren gewonnenes Graphen wird zur Herstellung solcher Elemente elektronischer Geräte wie Hochfrequenztransistoren und ähnlicher Komponenten verwendet. Die Beweglichkeit freier Ladungsträger in solchen Verbindungen ist maximal.

Die aufgeführten Eigenschaften von Graphen eröffnen den Herstellern einen weiten Horizont und ermöglichen es ihnen, ihre Bemühungen auf die Umsetzung in den folgenden vielversprechenden Bereichen zu konzentrieren:

• In alternativen Bereichen der modernen Elektronik, verbunden mit dem Ersatz von Siliziumkomponenten;
• In den führenden chemischen Industrien der Produktion;
• Beim Entwerfen einzigartiger Produkte (wie zum Beispiel Verbundmaterialien und Graphenmembranen);
• In der Elektrotechnik und Elektronik (als "idealer" Leiter).

Darüber hinaus können auf Basis dieser Verbindung Kaltkathoden, Akkumulatoren sowie spezielle Leitelektroden und transparente Folienbeschichtungen hergestellt werden. Die einzigartigen Eigenschaften dieses Nanomaterials eröffnen ihm vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz in fortschrittlichen Entwicklungen.

Vorteile und Nachteile

Vorteile von Produkten auf Basis von Graphen:

• Hohe elektrische Leitfähigkeit, vergleichbar mit dem gleichen Indikator für gewöhnliches Kupfer;
• Nahezu perfekte optische Reinheit, wodurch es nicht mehr als zwei Prozent des sichtbaren Lichtbereichs absorbiert. Daher erscheint es dem Betrachter von außen fast farblos und unsichtbar;
• Mechanische Festigkeit, die Diamant überlegen ist;
• Flexibilität, bei der einschichtiges Graphen elastischem Gummi überlegen ist. Diese Qualität macht es einfach, die Form der Folien zu ändern und sie bei Bedarf zu dehnen;
• Beständigkeit gegen äußere mechanische Einflüsse;
• Unvergleichliche Wärmeleitfähigkeit, in der es dem gleichen Kupfer zehnmal überlegen ist.

Zu den Nachteilen dieser einzigartigen Kohlenstoffverbindung gehören:

1. Die Unmöglichkeit, ausreichende Mengen für die industrielle Produktion zu erhalten und die physikalisch-chemischen Eigenschaften zu erreichen, die zur Gewährleistung einer hohen Qualität erforderlich sind. In der Praxis ist es möglich, nur kleine Blattfragmente von Graphen zu erhalten;
2. Industrieprodukte sind in ihren Eigenschaften den in Forschungslabors gewonnenen Proben meist unterlegen. Es ist nicht möglich, sie mit Hilfe gewöhnlicher industrieller Technologien zu erreichen;
3. Hohe Lohnnebenkosten, die die Möglichkeiten seiner Herstellung und praktischen Anwendung erheblich einschränken.

Trotz all dieser Schwierigkeiten geben Forscher ihre Versuche nicht auf, neue Technologien zur Herstellung von Graphen zu entwickeln.

Abschließend sei gesagt, dass die Aussichten für dieses Material einfach fantastisch sind, da es auch für die Herstellung moderner ultradünner und flexibler Gadgets verwendet werden kann. Darüber hinaus ist es auf seiner Grundlage möglich, moderne medizinische Geräte und Medikamente herzustellen, die Krebs und andere häufige Tumorerkrankungen bekämpfen können.

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Graphen ist ein revolutionäres Material des 21. Jahrhunderts. Es ist die stärkste, leichteste und elektrisch leitfähigste Version der Kohlenstoffbindung.

Graphen wurde von Konstantin Novoselov und Andrey Geim gefunden, die an der Universität Manchester arbeiteten, wofür russische Wissenschaftler mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Bis heute wurden etwa zehn Milliarden Dollar für die Erforschung der Eigenschaften von Graphen für zehn Jahre bereitgestellt, und es gibt Gerüchte, dass es ein hervorragender Ersatz für Silizium sein kann, insbesondere in der Halbleiterindustrie.

Eine zweidimensionale Struktur wie dieses kohlenstoffhaltige Material wurde jedoch auch für andere Elemente des Periodensystems der chemischen Elemente vorhergesagt, und die sehr ungewöhnlichen Eigenschaften einer dieser Substanzen wurden kürzlich untersucht. Und diese Substanz heißt "blauer Phosphor".

Die in Großbritannien arbeitenden russischen Ureinwohner Konstantin Novoselov und Andrey Geim schufen 2004 Graphen – eine durchscheinende Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von einem Atom. Von diesem Moment an begannen wir fast sofort und überall lobende Oden über eine Vielzahl erstaunlicher Eigenschaften eines Materials zu hören, das das Potenzial hat, unsere Welt zu verändern und seine Anwendung in verschiedenen Bereichen zu finden, von der Herstellung von Quantencomputern bis hin zur Herstellung von Filter zur Gewinnung von sauberem Trinkwasser. 15 Jahre sind vergangen, aber die Welt unter dem Einfluss von Graphen hat sich nicht verändert. Wieso den?

Alle modernen elektronischen Geräte verwenden Elektronen, um Informationen zu übertragen. Jetzt ist die Entwicklung von Quantencomputern in vollem Gange, die viele als zukünftigen Ersatz für traditionelle Geräte betrachten. Es gibt jedoch einen anderen, nicht weniger interessanten Weg der Entwicklung. Schaffung sogenannter photonischer Computer. Und kürzlich entdeckte eine Gruppe von Forschern der University of Exeter () eine Teilcheneigenschaft, die beim Entwurf neuer Computerschaltkreise helfen könnte.

Graphenfasern unter einem Rasterelektronenmikroskop. Reines Graphen wird in einem Mikrowellenofen aus Graphenoxid (GO) gewonnen. Maßstab 40 µm (links) und 10 µm (rechts). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

Graphen ist eine 2D-Modifikation von Kohlenstoff, die aus einer ein Kohlenstoffatom dicken Schicht besteht. Das Material hat eine hohe Festigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften. Es weist die höchste Elektronenmobilität aller bekannten Materialien auf der Erde auf. Dies macht Graphen zu einem nahezu idealen Material für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Elektronik, Katalysatoren, Batterien, Verbundmaterialien usw. Der Punkt ist klein – zu lernen, wie man hochwertige Graphenschichten im industriellen Maßstab erhält.

Chemiker der Rutgers University (USA) haben eine einfache und schnelle Methode zur Herstellung von hochwertigem Graphen gefunden, indem sie Graphenoxid in einem herkömmlichen Mikrowellenofen verarbeitet haben. Die Methode ist überraschend primitiv und effektiv.

Graphitoxid ist eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in verschiedenen Anteilen, die entsteht, wenn Graphit mit starken Oxidationsmitteln behandelt wird. Um den restlichen Sauerstoff im Graphitoxid loszuwerden und dann reines Graphen in zweidimensionalen Schichten zu erhalten, ist ein erheblicher Aufwand erforderlich.

Graphitoxid wird mit starken Alkalien vermischt und das Material weiter reduziert. Als Ergebnis werden monomolekulare Schichten mit Sauerstoffresten erhalten. Diese Schichten werden allgemein als Graphenoxid (GO) bezeichnet. Chemiker haben verschiedene Wege ausprobiert, um überschüssigen Sauerstoff aus GO ( , , , ) zu entfernen, aber durch solche Methoden reduziertes GO (rGO) bleibt ein hochgradig ungeordnetes Material, das weit entfernt von echtem reinem Graphen ist, das durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erhalten wird.

Selbst in seiner ungeordneten Form hat rGO das Potenzial, für Energieträger ( , , , , ) und Katalysatoren ( , , , ) nützlich zu sein, aber um die einzigartigen Eigenschaften von Graphen in der Elektronik voll auszuschöpfen, muss man lernen, wie um reines hochwertiges Graphen von GO zu erhalten.

Chemiker der Rutgers University bieten eine einfache und schnelle Möglichkeit, GO mit 1-2 Sekunden dauernden Mikrowellenimpulsen zu reinem Graphen zu reduzieren. Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, ist Graphen, das durch „Mikrowellenreduktion“ (MW-rGO) erhalten wird, in seinen Eigenschaften viel näher an dem reinsten Graphen, das durch CVD erhalten wird.

Physikalische Eigenschaften von MW-rGO im Vergleich zu reinem Graphenoxid GO, reduziertem Graphenoxid rGO und Graphen aus der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Gezeigt sind typische GO-Flocken, die auf einem Siliziumsubstrat (A) abgeschieden sind; Rön(B); Raman-Spektroskopie und das Verhältnis von Kristallgröße (L a) zum Peak-Verhältnis l 2D /l G im Raman-Spektrum für MW-rGO, GO und CVD.

Elektronische und elektrokatalytische Eigenschaften von MW-rGO im Vergleich zu rGO. Illustrationen: Rutgers University

Der technische Prozess zur Gewinnung von MW-rGO besteht aus mehreren Stufen.

1. Oxidation von Graphit nach der modifizierten Hummers-Methode und Auflösung zu einschichtigen Graphenoxidflocken in Wasser.
2. GO-Tempern, um das Material anfälliger für Mikrowellenbestrahlung zu machen.
3. Bestrahlung von GO-Flakes in einem herkömmlichen 1000-W-Mikrowellenofen für 1-2 Sekunden. Während dieses Vorgangs wird GO schnell auf eine hohe Temperatur erhitzt, es kommt zur Desorption von Sauerstoffgruppen und zu einer hervorragenden Strukturierung des Kohlenstoffgitters.

Aufnahmen mit einem Transmissionselektronenmikroskop zeigen, dass nach Behandlung mit einem Mikrowellenstrahler eine hochgeordnete Struktur entsteht, in der sauerstofffunktionelle Gruppen fast vollständig zerstört sind.

TransAufnahmen zeigen die Struktur von Graphenschichten mit einer Skala von 1 nm. Auf der linken Seite ist ein einschichtiges rGO mit vielen Defekten, einschließlich funktioneller Sauerstoffgruppen (blauer Pfeil) und Löchern in der Kohlenstoffschicht (roter Pfeil). In der Mitte und rechts ist ein perfekt strukturiertes zweischichtiges und dreischichtiges MW-rGO. Foto: Rutgers University

Die hervorragenden strukturellen Eigenschaften von MW-rGO bei Verwendung in Feldeffekttransistoren ermöglichen eine Erhöhung der maximalen Elektronenmobilität auf etwa 1500 cm 2 /V·s, was vergleichbar ist mit der herausragenden Leistung moderner Transistoren mit hoher Elektronenmobilität.

Neben der Elektronik ist MW-rGO bei der Herstellung von Katalysatoren nützlich: Es zeigte einen außergewöhnlich niedrigen Wert des Tafel-Koeffizienten, wenn es als Katalysator in der Sauerstoffentwicklungsreaktion verwendet wurde: etwa 38 mV pro Dekade. Der MW-rGO-Katalysator blieb auch in der Wasserstoffentwicklungsreaktion stabil, die über 100 Stunden dauerte.

All dies deutet auf ein hervorragendes Potenzial für den Einsatz von mikrowellenreduziertem Graphen in der Industrie hin.

Forschungsartikel "Hochwertiges Graphen durch Mikrowellenreduktion von lösungs-exfoliertem Graphenoxid" erschienen am 1. September 2016 im Magazin Wissenschaft(doi: 10.1126/science.aah3398).