Grafena semakin menarik bagi para peneliti. Jika pada tahun 2007 ada 797 artikel yang dikhususkan untuk graphene, maka dalam 8 bulan pertama tahun 2008 sudah ada 801 publikasi. Apa studi dan penemuan terbaru yang paling signifikan di bidang struktur dan teknologi graphene?

Sampai saat ini, graphene (Gbr. 1) adalah bahan tertipis yang diketahui umat manusia, hanya setebal satu atom karbon. Itu memasuki buku teks fisika dan realitas kita pada tahun 2004, ketika para peneliti dari Universitas Manchester, Andre Game dan Konstantin Novoselov, berhasil mendapatkannya menggunakan pita perekat biasa untuk memisahkan lapisan secara berurutan dari grafit kristal biasa, yang kita kenal dalam bentuk pensil batang (lihat . Lampiran). Hebatnya, lembaran graphene ditempatkan pada substrat silikon teroksidasi dapat dilihat dengan mikroskop optik yang baik. Dan ini meskipun ketebalannya hanya beberapa angstrom (1Å = 10 -10 m)!

Popularitas graphene di kalangan peneliti dan insinyur tumbuh dari hari ke hari karena memiliki sifat optik, listrik, mekanik dan termal yang tidak biasa. Banyak ahli memperkirakan dalam waktu dekat kemungkinan penggantian transistor silikon dengan yang lebih ekonomis dan graphene berkecepatan tinggi (Gbr. 2).

Terlepas dari kenyataan bahwa pengelupasan mekanis dengan pita perekat memungkinkan untuk mendapatkan lapisan graphene berkualitas tinggi untuk penelitian dasar, dan metode epitaxial menumbuhkan graphene dapat memberikan jalur terpendek ke sirkuit mikro elektronik, ahli kimia mencoba untuk mendapatkan graphene dari larutan. Selain biaya rendah dan produktivitas tinggi, metode ini membuka pintu bagi banyak teknik kimia yang digunakan secara luas yang memungkinkan lapisan graphene tertanam di berbagai struktur nano atau diintegrasikan dengan berbagai bahan untuk membuat nanokomposit. Namun, ketika memperoleh graphene dengan metode kimia, ada beberapa kesulitan yang harus diatasi: pertama, perlu untuk mencapai pemisahan lengkap dari grafit ditempatkan dalam larutan; kedua, untuk memastikan bahwa graphene yang terkelupas dalam larutan mempertahankan bentuk lembaran, dan tidak menggulung dan saling menempel.

Suatu hari di majalah bergengsi Alam dua makalah oleh kelompok ilmiah yang bekerja secara independen diterbitkan, di mana penulis berhasil mengatasi kesulitan di atas dan mendapatkan lembaran graphene berkualitas baik yang tersuspensi dalam larutan.

Kelompok ilmuwan pertama - dari Universitas Stanford (California, AS) dan (Cina) - memperkenalkan asam sulfat dan nitrat di antara lapisan grafit (proses interkalasi; lihat Senyawa interkalasi grafit), dan kemudian dengan cepat memanaskan sampel hingga 1000 °C ( Gambar 3a). Penguapan eksplosif molekul interkalan menghasilkan "serpihan" grafit tipis (tebal beberapa nanometer) yang mengandung banyak lapisan graphene. Setelah itu, dua zat, oleum dan tetrabutylammonium hydroxide (HTBA), secara kimiawi dimasukkan ke dalam ruang antara lapisan graphene (Gbr. 3b). Solusi sonicated berisi baik grafit dan lembaran graphene (Gbr. 3c). Setelah itu, graphene dipisahkan dengan sentrifugasi (Gbr. 3d).

Pada saat yang sama, kelompok ilmuwan kedua - dari Dublin, Oxford dan Cambridge - mengusulkan metode berbeda untuk memperoleh graphene dari grafit multilayer - tanpa menggunakan interkalan. Hal utama, menurut penulis artikel, adalah menggunakan pelarut organik yang "benar", seperti N-metil-pirolidon. Untuk mendapatkan graphene berkualitas tinggi, penting untuk memilih pelarut tersebut sehingga energi interaksi permukaan antara pelarut dan graphene sama dengan sistem graphene-graphene. pada gambar. 4 menunjukkan hasil produksi graphene bertahap.

Keberhasilan kedua eksperimen didasarkan pada penemuan interkalan dan/atau pelarut yang tepat. Tentu saja, ada teknik lain untuk mendapatkan graphene, seperti mengubah grafit menjadi grafit oksida. Mereka menggunakan pendekatan yang disebut "oksidasi-delaminasi-reduksi" di mana bidang dasar grafit dilapisi dengan gugus fungsi oksigen yang terikat secara kovalen. Grafit teroksidasi ini menjadi hidrofilik (atau hanya menyukai kelembaban) dan dapat dengan mudah terdelaminasi menjadi lembaran graphene individu di bawah aksi ultrasound saat berada dalam larutan berair. Grafena yang diperoleh memiliki karakteristik mekanik dan optik yang sangat baik, tetapi konduktivitas listriknya beberapa kali lipat lebih rendah daripada konduktivitas grafena yang diperoleh dengan menggunakan "metode pita perekat" (lihat Lampiran). Oleh karena itu, graphene semacam itu tidak mungkin ditemukan dalam aplikasi elektronik.

Ternyata, graphene, yang diperoleh sebagai hasil dari dua metode di atas, memiliki kualitas yang lebih tinggi (mengandung lebih sedikit cacat pada kisi) dan, sebagai hasilnya, memiliki konduktivitas yang lebih tinggi.

Pencapaian lain dari peneliti dari California sangat berguna, yang baru-baru ini melaporkan resolusi tinggi (resolusi hingga 1Å) mikroskop elektron energi rendah (80 kV) untuk pengamatan langsung atom individu dan cacat pada kisi kristal graphene. Untuk pertama kalinya di dunia, para ilmuwan berhasil memperoleh gambar definisi tinggi dari struktur atom graphene (Gbr. 5), di mana Anda dapat melihat dengan mata kepala sendiri struktur grid graphene.

Para peneliti di Cornell University telah melangkah lebih jauh. Dari selembar graphene, mereka berhasil membuat membran setebal satu atom karbon, dan mengembang seperti balon. Membran seperti itu ternyata cukup kuat untuk menahan tekanan gas beberapa atmosfer. Eksperimennya adalah sebagai berikut. Lembaran graphene ditempatkan pada substrat silikon teroksidasi dengan sel tergores sebelumnya, yang melekat erat pada permukaan silikon karena gaya van der Waals (Gbr. 6a). Dengan cara ini, ruang mikro terbentuk di mana gas dapat ditahan. Setelah itu, para ilmuwan menciptakan perbedaan tekanan di dalam dan di luar ruangan (Gbr. 6b). Menggunakan mikroskop gaya atom, yang mengukur jumlah gaya defleksi yang dirasakan oleh kantilever dengan jarum saat memindai membran pada ketinggian hanya beberapa nanometer dari permukaannya, para peneliti dapat mengamati tingkat kecekungan-kecekungan dari permukaannya. membran (Gbr. 6c-e) saat mengubah tekanan hingga beberapa atmosfer.

Setelah itu, membran digunakan sebagai drum mini untuk mengukur frekuensi getarannya dengan perubahan tekanan. Ditemukan bahwa helium tetap berada di ruang mikro bahkan pada tekanan tinggi. Namun, karena graphene yang digunakan dalam percobaan tidak ideal (memiliki cacat pada struktur kristal), gas secara bertahap merembes melalui membran. Sepanjang percobaan, yang berlangsung lebih dari 70 jam, penurunan tegangan membran yang stabil diamati (Gbr. 6e).

Penulis penelitian menunjukkan bahwa membran tersebut dapat memiliki berbagai aplikasi - misalnya, mereka dapat digunakan untuk mempelajari bahan biologis yang ditempatkan dalam larutan. Untuk melakukan ini, cukup menutupi bahan seperti itu dengan graphene dan mempelajarinya melalui membran transparan dengan mikroskop, tanpa takut akan kebocoran atau penguapan larutan yang mendukung aktivitas vital organisme. Dimungkinkan juga untuk membuat lubang seukuran atom di membran dan kemudian mengamati, dengan mempelajari proses difusi, bagaimana atom atau ion individu melewati lubang. Tetapi yang paling penting, studi oleh para ilmuwan dari Cornell University telah membawa sains selangkah lebih dekat ke penciptaan sensor atom tunggal.

Pertumbuhan pesat dalam jumlah studi tentang graphene menunjukkan bahwa ini memang bahan yang sangat menjanjikan untuk berbagai aplikasi, tetapi banyak teori dan lusinan eksperimen masih perlu dibangun sebelum dipraktikkan.

Membran Atom Impermeable dari Graphene Sheets (teks lengkap tersedia) // NanoLetter. V.8. Tidak. 8. Hal. 2458–2462 (2008).

Alexander Samardak

Sampai tahun lalu, satu-satunya cara yang diketahui sains untuk menghasilkan graphene adalah dengan menerapkan lapisan grafit tertipis pada pita perekat dan kemudian menghapus dasarnya. Teknik ini disebut "teknik scotch tape". Namun, baru-baru ini, para ilmuwan telah menemukan bahwa ada cara yang lebih efisien untuk mendapatkan bahan baru: sebagai dasar, mereka mulai menggunakan lapisan tembaga, nikel atau silikon, yang kemudian dihilangkan dengan etsa (Gbr. 2). Dengan cara ini, lembaran graphene persegi panjang selebar 76 sentimeter dibuat oleh tim ilmuwan dari Korea, Jepang, dan Singapura. Para peneliti tidak hanya membuat semacam rekor untuk ukuran sepotong struktur lapisan tunggal atom karbon, mereka juga membuat layar sensitif berdasarkan lembaran fleksibel.

Gambar 2: Mendapatkan graphene dengan etsa

Untuk pertama kalinya, "serpihan" graphene diperoleh oleh fisikawan hanya pada tahun 2004, ketika ukurannya hanya 10 mikrometer. Setahun yang lalu, tim Rodney Ruoff di University of Texas di Austin mengumumkan bahwa mereka telah berhasil membuat "potongan" graphene berukuran sentimeter.

Ruoff dan rekannya menyimpan atom karbon pada foil tembaga menggunakan deposisi uap kimia (CVD). Para peneliti di laboratorium Profesor Byun Hee Hong dari Universitas Sunkhyunkhwan melangkah lebih jauh dan memperbesar lembaran hingga seukuran layar penuh. Teknologi "roll" baru (pemrosesan roll-to-roll) memungkinkan untuk mendapatkan pita panjang dari graphene (Gbr. 3).

Gambar 3: Gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi dari lapisan graphene bertumpuk.

Lapisan polimer perekat ditempatkan di atas lembaran graphene fisika, substrat tembaga dilarutkan, kemudian film polimer dipisahkan - satu lapisan graphene diperoleh. Untuk memberi lembaran kekuatan yang lebih besar, para ilmuwan dengan cara yang sama "menumbuhkan" tiga lapisan graphene lagi. Pada akhirnya, "sandwich" yang dihasilkan diolah dengan asam nitrat untuk meningkatkan konduktivitas. Lembar graphene baru ditempatkan pada substrat poliester dan dilewatkan di antara roller yang dipanaskan (Gbr. 4).

Gambar 4: Teknologi roll untuk mendapatkan graphene

Struktur yang dihasilkan mentransmisikan 90% cahaya dan memiliki hambatan listrik lebih rendah dari standar, tetapi masih sangat mahal, konduktor transparan, indium timah oksida (ITO). Omong-omong, menggunakan lembaran graphene sebagai dasar layar sentuh, para peneliti menemukan bahwa strukturnya juga kurang rapuh.

Benar, terlepas dari semua pencapaian, komersialisasi teknologi masih sangat jauh. Film karbon nanotube transparan telah mencoba untuk menggantikan ITO selama beberapa waktu, tetapi produsen tampaknya tidak dapat mengatasi masalah "piksel mati" yang muncul pada cacat film.

Penggunaan graphenes dalam teknik listrik dan elektronik

Kecerahan piksel di layar panel datar ditentukan oleh tegangan antara dua elektroda, salah satunya menghadap pemirsa (Gbr. 5). Elektroda ini harus transparan. Saat ini, indium oksida (ITO) yang didoping timah digunakan untuk menghasilkan elektroda transparan, tetapi ITO mahal dan bukan bahan yang paling stabil. Selain itu, dunia akan segera kehabisan cadangan indiumnya. Graphene lebih transparan dan lebih stabil daripada ITO, dan LCD elektroda graphene telah didemonstrasikan.

Gambar 5: Kecerahan layar graphene sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan

Materi ini juga memiliki potensi besar di bidang elektronik lainnya. Pada April 2008, para ilmuwan dari Manchester mendemonstrasikan transistor graphene terkecil di dunia. Lapisan graphene yang benar-benar tepat mengontrol ketahanan material, mengubahnya menjadi dielektrik. Menjadi mungkin untuk membuat saklar daya mikroskopis untuk transistor nano berkecepatan tinggi untuk mengontrol pergerakan elektron individu. Semakin kecil transistor dalam mikroprosesor, semakin cepat, dan para ilmuwan berharap transistor graphene di komputer masa depan akan seukuran molekul, mengingat teknologi mikrotransistor silikon modern hampir mencapai batasnya.

Grafena bukan hanya konduktor listrik yang sangat baik. Ini memiliki konduktivitas termal tertinggi: getaran atom dengan mudah menyebar melalui jaring karbon dari struktur seluler. Disipasi panas dalam elektronik adalah masalah serius karena ada batasan suhu tinggi yang dapat ditahan oleh elektronik. Namun, para ilmuwan di University of Illinois telah menemukan bahwa transistor berbasis graphene memiliki sifat yang menarik. Mereka memanifestasikan efek termoelektrik, yang menyebabkan penurunan suhu perangkat. Ini bisa berarti bahwa elektronik berbasis graphene akan membuat heatsink dan kipas menjadi sesuatu dari masa lalu. Dengan demikian, daya tarik graphene sebagai bahan yang menjanjikan untuk sirkuit mikro di masa depan semakin meningkat (Gbr. 6).

Gambar 6: Sebuah probe mikroskop kekuatan atom memindai permukaan kontak graphene-logam untuk mengukur suhu.

Tidak mudah bagi para ilmuwan untuk mengukur konduktivitas termal graphene. Mereka menemukan cara yang sama sekali baru untuk mengukur suhunya dengan menempatkan film graphene sepanjang 3 mikron di atas lubang kecil yang persis sama dalam kristal silikon dioksida. Film kemudian dipanaskan dengan sinar laser, menyebabkannya bergetar. Getaran ini membantu menghitung suhu dan konduktivitas termal.

Kecerdasan para ilmuwan tidak mengenal batas ketika menggunakan sifat-sifat fenomenal dari suatu zat baru. Pada bulan Agustus 2007, yang paling sensitif dari semua sensor yang mungkin berdasarkan itu dibuat. Ia mampu merespons satu molekul gas, yang akan membantu mendeteksi keberadaan racun atau bahan peledak secara tepat waktu. Molekul asing dengan damai turun ke jaringan graphene, menjatuhkan elektron darinya atau menambahkannya. Akibatnya, hambatan listrik dari lapisan graphene berubah, yang diukur oleh para ilmuwan. Bahkan molekul terkecil pun terperangkap oleh jaring graphene yang kuat. Pada bulan September 2008, para ilmuwan dari Cornell University di Amerika Serikat mendemonstrasikan bagaimana membran graphene, seperti balon tertipis, mengembang karena perbedaan tekanan beberapa atmosfer di kedua sisinya. Fitur graphene ini dapat berguna dalam menentukan jalannya berbagai reaksi kimia dan secara umum dalam mempelajari perilaku atom dan molekul.

Mendapatkan lembaran besar graphene murni masih sangat sulit, tetapi tugasnya dapat disederhanakan jika lapisan karbon dicampur dengan elemen lain. Di Universitas Northwestern di Amerika Serikat, grafit dioksidasi dan dilarutkan dalam air. Hasilnya adalah bahan seperti kertas - kertas oksida graphene (Gbr. 7). Ini sangat sulit dan cukup mudah untuk dibuat. Grafena oksida cocok sebagai membran tahan lama dalam baterai dan sel bahan bakar.

Gambar 7: Kertas oksida graphene

Membran graphene adalah substrat yang ideal untuk objek studi di bawah mikroskop elektron. Sel-sel sempurna bergabung dalam gambar menjadi latar belakang abu-abu yang seragam, di mana atom-atom lain menonjol dengan jelas. Sampai sekarang, hampir tidak mungkin untuk membedakan atom paling ringan dalam mikroskop elektron, tetapi dengan graphene sebagai substrat, bahkan atom hidrogen kecil pun dapat terlihat.

Kemungkinan menggunakan graphene tidak terbatas. Baru-baru ini, fisikawan di Universitas Northwestern di AS menemukan bahwa graphene dapat dicampur dengan plastik. Hasilnya adalah bahan tipis, super kuat yang dapat menahan suhu tinggi dan tahan terhadap gas dan cairan.

Ruang lingkup aplikasinya adalah produksi pompa bensin ringan, suku cadang untuk mobil dan pesawat terbang, bilah turbin angin yang tahan lama. Plastik dapat digunakan untuk mengemas produk makanan, menjaganya tetap segar untuk waktu yang lama.

Graphene tidak hanya yang paling tipis, tetapi juga bahan yang paling tahan lama di dunia. Para ilmuwan di Universitas Columbia di New York telah memverifikasi ini dengan menempatkan graphene di atas lubang kecil dalam kristal silikon. Kemudian, dengan menekan jarum intan tertipis, mereka mencoba menghancurkan lapisan graphene dan mengukur gaya tekanan (Gbr. 8). Ternyata graphene 200 kali lebih kuat dari baja. Jika Anda membayangkan lapisan graphene setebal cling film, lapisan itu akan menahan tekanan titik pensil, di ujung yang berlawanan yang akan diseimbangkan oleh gajah atau mobil.

Gambar 8: Tekanan pada jarum berlian graphene

Graphene termasuk dalam kelas senyawa karbon unik yang memiliki sifat kimia dan fisik yang luar biasa, seperti konduktivitas listrik yang sangat baik, dikombinasikan dengan ringan dan kekuatan yang luar biasa.

Diasumsikan bahwa seiring waktu ia akan dapat menggantikan silikon, yang merupakan dasar dari produksi semikonduktor modern. Saat ini, status "materi masa depan" telah ditetapkan dengan aman ke kompleks ini.

Fitur Bahan

Grafena, paling sering ditemukan dengan sebutan "G", adalah bentuk karbon dua dimensi yang memiliki struktur tidak biasa dalam bentuk atom yang terhubung dalam kisi heksagonal. Pada saat yang sama, ketebalan totalnya tidak melebihi ukuran masing-masing.

Untuk pemahaman yang lebih jelas tentang apa itu graphene, disarankan untuk membiasakan diri dengan karakteristik unik seperti:

• Rekam konduktivitas termal yang tinggi;
• Kekuatan mekanik dan fleksibilitas material yang tinggi, ratusan kali lebih tinggi dari indikator yang sama untuk produk baja;
• Konduktivitas listrik yang tak tertandingi;
• Titik leleh tinggi (lebih dari 3 ribu derajat);
• Impermeabilitas dan transparansi.

Struktur graphene yang tidak biasa dibuktikan oleh fakta sederhana: ketika 3 juta lembar graphene digabungkan, ketebalan total produk jadi tidak akan lebih dari 1 mm.

Untuk memahami sifat-sifat unik dari bahan yang tidak biasa ini, cukup untuk dicatat bahwa pada asalnya bahan ini mirip dengan grafit berlapis yang biasa digunakan dalam pensil. Namun, karena susunan khusus atom dalam kisi heksagonal, strukturnya memperoleh karakteristik yang melekat pada bahan keras seperti berlian.

Ketika graphene diisolasi dari grafit, dalam film setebal atom yang terbentuk dalam proses ini, sifat-sifatnya yang paling "luar biasa" diamati, yang merupakan karakteristik bahan 2D modern. Saat ini sulit untuk menemukan area ekonomi nasional seperti itu, di mana pun senyawa unik ini digunakan, dan di mana itu tidak dianggap menjanjikan. Hal ini terutama terlihat dalam bidang perkembangan ilmu pengetahuan, yang bertujuan untuk menguasai teknologi baru.

Bagaimana untuk mendapatkan

Penemuan bahan ini dapat ditelusuri kembali ke tahun 2004, setelah itu para ilmuwan telah menguasai berbagai metode untuk mendapatkannya, yang disajikan di bawah ini:

• Pendinginan kimiawi, diimplementasikan dengan metode transformasi fasa (disebut proses CVD);
• Yang disebut "pertumbuhan epitaksial", dilakukan dalam ruang hampa;
• Metode "pengelupasan mekanis".

Mari kita pertimbangkan masing-masing secara lebih rinci.

Mekanis

Mari kita mulai dengan yang terakhir dari metode ini, yang dianggap paling mudah diakses untuk eksekusi independen. Untuk mendapatkan graphene di rumah, perlu melakukan serangkaian operasi berikut secara berurutan:

• Pertama, Anda perlu menyiapkan pelat grafit tipis, yang kemudian dilekatkan pada sisi perekat pita khusus;
• Setelah itu, dilipat menjadi dua, dan kemudian kembali ke keadaan semula lagi (ujungnya bercerai);
• Sebagai hasil dari manipulasi semacam itu, dimungkinkan untuk mendapatkan lapisan ganda grafit pada sisi perekat pita;
• Jika Anda melakukan operasi ini beberapa kali, akan mudah untuk mencapai ketebalan kecil dari lapisan material yang diterapkan;
• Setelah itu, pita perekat dengan film terbelah dan sangat tipis diaplikasikan pada substrat silikon oksida;
• Akibatnya, sebagian film tetap berada di substrat, membentuk lapisan graphene.

Kerugian dari metode ini adalah kesulitan dalam mendapatkan film tipis yang cukup dengan ukuran dan bentuk tertentu, yang akan dipasang dengan aman pada bagian substrat yang disediakan untuk tujuan ini.

Saat ini, sebagian besar graphene yang digunakan dalam praktik sehari-hari diproduksi dengan cara ini. Karena pengelupasan mekanis, dimungkinkan untuk mendapatkan senyawa dengan kualitas yang cukup tinggi, tetapi metode ini sama sekali tidak cocok untuk kondisi produksi massal.

Metode Industri

Salah satu cara industri untuk mendapatkan graphene adalah dengan menumbuhkannya dalam ruang hampa, yang ciri-cirinya dapat direpresentasikan sebagai berikut:

• Untuk pembuatannya, lapisan permukaan silikon karbida diambil, yang selalu ada di permukaan bahan ini;
• Kemudian wafer silikon yang telah disiapkan sebelumnya dipanaskan hingga suhu yang relatif tinggi (berurutan 1000 K);
• Karena reaksi kimia yang terjadi dalam kasus ini, pemisahan atom silikon dan karbon diamati, di mana yang pertama segera menguap;
• Sebagai hasil dari reaksi ini, graphene (G) murni tetap berada di piring.

Kerugian dari metode ini termasuk kebutuhan untuk pemanasan suhu tinggi, yang sering menyebabkan kesulitan teknis.

Metode industri yang paling dapat diandalkan untuk menghindari kesulitan yang dijelaskan di atas adalah apa yang disebut "proses CVD". Ketika diterapkan, terjadi reaksi kimia yang terjadi pada permukaan katalis logam ketika digabungkan dengan gas hidrokarbon.

Sebagai hasil dari semua pendekatan yang dibahas di atas, dimungkinkan untuk memperoleh senyawa alotropik murni dari karbon dua dimensi dalam bentuk lapisan yang hanya setebal satu atom. Fitur dari formasi ini adalah koneksi atom-atom ini ke dalam kisi heksagonal karena pembentukan apa yang disebut ikatan "σ" dan "π".

Pembawa muatan listrik dalam kisi graphene dicirikan oleh tingkat mobilitas yang tinggi, yang jauh lebih tinggi daripada bahan semikonduktor lain yang diketahui. Karena alasan inilah ia mampu menggantikan silikon klasik yang secara tradisional digunakan dalam produksi sirkuit terpadu.

Kemungkinan aplikasi praktis bahan berdasarkan graphene berhubungan langsung dengan fitur produksinya. Saat ini, ada banyak metode untuk mendapatkan fragmen individualnya, yang berbeda dalam bentuk, kualitas, dan ukuran.

Di antara semua metode yang dikenal, pendekatan berikut menonjol:

1. Produksi berbagai grafena oksida dalam bentuk serpihan yang digunakan dalam produksi cat konduktif listrik, serta berbagai tingkat bahan komposit;
2. Mendapatkan graphene G datar, dari mana komponen perangkat elektronik dibuat;
3. Bahan tumbuh dari jenis yang sama digunakan sebagai komponen tidak aktif.

Sifat utama senyawa ini dan fungsinya ditentukan oleh kualitas substrat, serta karakteristik bahan yang digunakan untuk menumbuhkannya. Semua ini pada akhirnya tergantung pada metode produksi yang digunakan.

Tergantung pada metode mendapatkan bahan unik ini, bahan ini dapat digunakan untuk berbagai tujuan, yaitu:

1. Grafena yang diperoleh dengan pengelupasan mekanis terutama ditujukan untuk penelitian, yang dijelaskan oleh mobilitas pembawa muatan gratis yang rendah;
2. Ketika graphene diperoleh dengan reaksi kimia (termal), itu paling sering digunakan untuk membuat bahan komposit, serta lapisan pelindung, tinta, dan pewarna. Mobilitas pembawa bebas agak lebih tinggi, yang memungkinkannya digunakan untuk pembuatan kapasitor dan isolator film;
3. Jika metode CVD digunakan untuk mendapatkan senyawa ini, dapat digunakan dalam nanoelektronika, serta untuk pembuatan sensor dan film fleksibel transparan;
4. Grafena yang diperoleh dengan metode "silikon wafer" digunakan untuk membuat elemen perangkat elektronik seperti transistor frekuensi tinggi dan komponen serupa. Mobilitas pembawa muatan gratis dalam senyawa tersebut maksimum.

Fitur graphene yang terdaftar membuka cakrawala luas bagi produsen dan memungkinkan mereka untuk memusatkan upaya mereka pada penerapannya di bidang yang menjanjikan berikut:

• Di bidang alternatif elektronik modern, terkait dengan penggantian komponen silikon;
• Dalam industri kimia produksi terkemuka;
• Saat merancang produk unik (seperti, misalnya, material komposit dan membran graphene);
• Dalam teknik listrik dan elektronik (sebagai konduktor "ideal").

Selain itu, katoda dingin, baterai penyimpanan, serta elektroda konduktif khusus dan lapisan film transparan dapat diproduksi berdasarkan senyawa ini. Sifat unik dari nanomaterial ini memberikannya berbagai kemungkinan untuk digunakan dalam perkembangan lanjutan.

Keuntungan dan kerugian

Keuntungan produk berdasarkan graphene:

• Tingkat konduktivitas listrik yang tinggi, sebanding dengan indikator yang sama untuk tembaga biasa;
• Kemurnian optik yang hampir sempurna, karena menyerap tidak lebih dari dua persen rentang cahaya tampak. Oleh karena itu, dari luar, tampaknya hampir tidak berwarna dan tidak terlihat oleh pengamat;
• Kekuatan mekanik lebih unggul dari berlian;
• Fleksibilitas, di mana graphene satu lapis lebih unggul dari karet elastis. Kualitas ini memudahkan untuk mengubah bentuk film dan meregangkannya jika perlu;
• Ketahanan terhadap pengaruh mekanis eksternal;
• Konduktivitas termal yang tak tertandingi, dalam hal ini sepuluh kali lebih unggul dari tembaga yang sama.

Kerugian dari senyawa karbon unik ini meliputi:

1. Ketidakmungkinan memperoleh volume yang cukup untuk produksi industri, serta mencapai sifat fisikokimia yang diperlukan untuk memastikan kualitas tinggi. Dalam prakteknya, adalah mungkin untuk mendapatkan hanya potongan-potongan kecil dari graphene;
2. Produk industri paling sering memiliki karakteristik yang lebih rendah daripada sampel yang diperoleh di laboratorium penelitian. Tidak mungkin untuk mencapainya dengan bantuan teknologi industri biasa;
3. Biaya non-tenaga kerja yang tinggi, secara signifikan membatasi kemungkinan produksi dan aplikasi praktisnya.

Terlepas dari semua kesulitan ini, para peneliti tidak mengabaikan upaya untuk mengembangkan teknologi baru untuk produksi graphene.

Sebagai kesimpulan, harus dinyatakan bahwa prospek bahan ini cukup fantastis, karena juga dapat digunakan dalam produksi gadget modern ultra-tipis dan fleksibel. Selain itu, atas dasar itu dimungkinkan untuk membuat peralatan medis modern dan obat-obatan yang dapat melawan kanker dan penyakit tumor umum lainnya.

Video

Grafena adalah bahan revolusioner abad ke-21. Ini adalah versi ikatan karbon yang paling kuat, paling ringan dan paling konduktif secara elektrik.

Graphene ditemukan oleh Konstantin Novoselov dan Andrey Geim, bekerja di Universitas Manchester, di mana ilmuwan Rusia dianugerahi Hadiah Nobel. Sampai saat ini, sekitar sepuluh miliar dolar telah dialokasikan untuk meneliti sifat-sifat graphene selama sepuluh tahun, dan ada desas-desus bahwa itu dapat menjadi pengganti silikon yang sangat baik, terutama di industri semikonduktor.

Namun, struktur dua dimensi seperti bahan berkarbon ini juga telah diprediksi untuk unsur-unsur lain dari Tabel Periodik Unsur Kimia, dan sifat yang sangat tidak biasa dari salah satu zat ini baru-baru ini dipelajari. Dan zat ini disebut "fosfor biru".

Penduduk asli Rusia yang bekerja di Inggris, Konstantin Novoselov dan Andrey Geim, menciptakan graphene - lapisan karbon tembus pandang setebal satu atom - pada tahun 2004. Sejak saat itu, hampir seketika dan di mana-mana, kami mulai mendengar pujian tentang berbagai sifat luar biasa dari suatu bahan yang berpotensi mengubah dunia kita dan menemukan penerapannya di berbagai bidang, mulai dari produksi komputer kuantum hingga produksi filter untuk mendapatkan air minum yang bersih. 15 tahun telah berlalu, tetapi dunia di bawah pengaruh graphene tidak berubah. Mengapa?

Semua perangkat elektronik modern menggunakan elektron untuk mengirimkan informasi. Sekarang perkembangan komputer kuantum sedang berjalan lancar, yang oleh banyak orang dianggap sebagai pengganti perangkat tradisional di masa depan. Namun, ada cara pengembangan lain yang tidak kalah menarik. Penciptaan apa yang disebut komputer fotonik. Dan baru-baru ini, sekelompok peneliti dari University of Exeter () menemukan properti partikel yang dapat membantu merancang sirkuit komputer baru.

Serat graphene di bawah mikroskop elektron pemindaian. Grafena murni diperoleh kembali dari oksida graphene (GO) dalam oven microwave. Skala 40 m (kiri) dan 10 m (kanan). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Universitas Rutgers

Grafena adalah modifikasi 2D dari karbon yang dibentuk oleh lapisan satu atom karbon setebal. Bahan ini memiliki kekuatan tinggi, konduktivitas termal yang tinggi dan sifat fisik dan kimia yang unik. Ini menunjukkan mobilitas elektron tertinggi dari materi yang diketahui di Bumi. Hal ini membuat graphene menjadi bahan yang hampir ideal untuk berbagai aplikasi, termasuk elektronik, katalis, baterai, bahan komposit, dll. Intinya kecil - untuk mempelajari cara mendapatkan lapisan graphene berkualitas tinggi pada skala industri.

Ahli kimia dari Rutgers University (AS) telah menemukan metode sederhana dan cepat untuk memproduksi graphene berkualitas tinggi dengan memproses graphene oxide dalam oven microwave konvensional. Metode ini sangat primitif dan efektif.

Grafit oksida adalah senyawa karbon, hidrogen dan oksigen dalam berbagai proporsi, yang terbentuk ketika grafit diperlakukan dengan zat pengoksidasi kuat. Untuk menghilangkan oksigen yang tersisa dalam oksida grafit, dan kemudian mendapatkan grafena murni dalam lembaran dua dimensi, membutuhkan usaha yang cukup besar.

Grafit oksida dicampur dengan alkali kuat dan material selanjutnya direduksi. Akibatnya, lembaran monomolekul dengan residu oksigen diperoleh. Lembaran ini biasanya disebut sebagai graphene oxide (GO). Ahli kimia telah mencoba berbagai cara untuk menghilangkan kelebihan oksigen dari GO ( , , , ), tetapi GO (rGO) yang direduksi dengan metode tersebut tetap merupakan bahan yang sangat tidak teratur, yang jauh dari graphene murni nyata yang diperoleh dengan deposisi uap kimia (CVD) .

Bahkan dalam bentuknya yang tidak teratur, rGO memiliki potensi untuk berguna sebagai pembawa energi ( , , , , ) dan katalis ( , , , ), tetapi untuk mendapatkan hasil maksimal dari sifat unik graphene dalam elektronik, Anda perlu mempelajari caranya untuk mendapatkan graphene murni berkualitas tinggi dari GO.

Ahli kimia di Rutgers University menawarkan cara sederhana dan cepat untuk mereduksi GO menjadi graphene murni menggunakan pulsa gelombang mikro 1-2 detik. Seperti dapat dilihat dari grafik, graphene yang diperoleh dengan “microwave reduction” (MW-rGO) memiliki sifat yang lebih dekat dengan graphene paling murni yang diperoleh dengan menggunakan CVD.

Karakteristik fisik MW-rGO dibandingkan dengan graphene oxide GO murni, graphene oxide rGO tereduksi, dan graphene deposisi uap kimia (CVD). Ditampilkan adalah serpih GO khas yang diendapkan pada substrat silikon (A); Spektroskopi fotoelektron sinar-X (B); Spektroskopi Raman dan rasio ukuran kristal (L a) terhadap rasio puncak l 2D /l G dalam spektrum Raman untuk MW-rGO, GO dan CVD.

Sifat elektronik dan elektrokatalitik MW-rGO dibandingkan dengan rGO. Ilustrasi: Universitas Rutgers

Proses teknis untuk mendapatkan MW-rGO terdiri dari beberapa tahap.

1. Oksidasi grafit dengan metode Hummers yang dimodifikasi dan pelarutannya menjadi serpihan oksida graphene dalam air.
2. GO anil untuk membuat bahan lebih rentan terhadap iradiasi gelombang mikro.
3. Penyinaran serpihan GO dalam oven microwave 1000W konvensional selama 1-2 detik. Selama prosedur ini, GO dipanaskan dengan cepat ke suhu tinggi, desorpsi gugus oksigen dan struktur kisi karbon yang sangat baik terjadi.

Pemotretan dengan mikroskop elektron transmisi menunjukkan bahwa setelah perawatan dengan pemancar gelombang mikro, struktur yang sangat teratur terbentuk di mana gugus fungsi oksigen hampir sepenuhnya hancur.

Gambar mikroskop elektron transmisi menunjukkan struktur lembaran graphene dengan skala 1 nm. Di sebelah kiri adalah rGO lapisan tunggal dengan banyak cacat, termasuk gugus fungsi oksigen (panah biru) dan lubang di lapisan karbon (panah merah). Di tengah dan di sebelah kanan adalah MW-rGO dua lapis dan tiga lapis yang terstruktur sempurna. Foto: Universitas Rutgers

Sifat struktural yang sangat baik dari MW-rGO ketika digunakan dalam transistor efek medan memungkinkan mobilitas elektron maksimum ditingkatkan menjadi sekitar 1500 cm 2 /V·s, yang sebanding dengan kinerja luar biasa dari transistor mobilitas elektron tinggi modern.

Selain elektronik, MW-rGO berguna dalam produksi katalis: ini menunjukkan nilai koefisien Tafel yang sangat rendah ketika digunakan sebagai katalis dalam reaksi evolusi oksigen: sekitar 38 mV per dekade. Katalis MW-rGO juga tetap stabil dalam reaksi evolusi hidrogen, yang berlangsung lebih dari 100 jam.

Semua ini menunjukkan potensi yang sangat baik untuk penggunaan graphene yang direduksi gelombang mikro dalam industri.

Artikel Penelitian "Grafena berkualitas tinggi melalui reduksi gelombang mikro dari oksida graphene terkelupas" diterbitkan 1 September 2016 di majalah Sains(doi: 10.1126/science.aah3398).