Grafén je pre výskumníkov čoraz atraktívnejší. Ak v roku 2007 bolo 797 článkov venovaných grafénu, tak za prvých 8 mesiacov roku 2008 to bolo už 801 publikácií. Aké sú najvýznamnejšie nedávne štúdie a objavy v oblasti grafénových štruktúr a technológií?

K dnešnému dňu je grafén (obr. 1) najtenší materiál, aký ľudstvo pozná, s hrúbkou len jedného atómu uhlíka. Do učebníc fyziky a našej reality sa dostal v roku 2004, keď sa ho výskumníkom z Manchesterskej univerzity Andremu Gameovi a Konstantinovi Novoselovovi podarilo získať pomocou obyčajnej lepiacej pásky na sekvenčné oddelenie vrstiev od obyčajného kryštalického grafitu, nám známeho vo forme ceruzky. tyč (pozri . Príloha). Je pozoruhodné, že grafénový list umiestnený na oxidovanom kremíkovom substráte je možné pozorovať pomocou dobrého optického mikroskopu. A to aj napriek jej hrúbke len niekoľko angstromov (1Å = 10 -10 m)!

Popularita grafénu medzi výskumníkmi a inžiniermi každým dňom rastie, pretože má nezvyčajné optické, elektrické, mechanické a tepelné vlastnosti. Mnohí odborníci predpovedajú v blízkej budúcnosti možnú výmenu kremíkových tranzistorov za ekonomickejšie a vysokorýchlostné grafénové (obr. 2).

Napriek tomu, že mechanický peeling pomocou lepiacej pásky umožňuje získať kvalitné grafénové vrstvy pre základný výskum a epitaxná metóda pestovania grafénu môže poskytnúť najkratšiu cestu k elektronickým mikroobvodom, chemici sa snažia získať grafén z roztoku. Okrem nízkych nákladov a vysokej produktivity otvára táto metóda dvere mnohým široko používaným chemickým technikám, ktoré by umožnili vložiť vrstvy grafénu do rôznych nanoštruktúr alebo integrovať s rôznymi materiálmi na vytvorenie nanokompozitov. Pri získavaní grafénu chemickými metódami však existujú určité ťažkosti, ktoré je potrebné prekonať: po prvé je potrebné dosiahnuť úplné oddelenie grafitu umiestneného v roztoku; po druhé, aby ste sa uistili, že exfoliovaný grafén v roztoku si zachová tvar listu, nezvlní sa a nezlepí sa.

Na druhý deň v prestížnom časopise Príroda boli publikované dva články nezávisle pracujúcich vedeckých skupín, v ktorých sa autorom podarilo prekonať vyššie uvedené ťažkosti a získať kvalitné grafénové listy zavesené v roztoku.

Prvá skupina vedcov – zo Stanfordskej univerzity (Kalifornia, USA) a (Čína) – zaviedla kyselinu sírovú a dusičnú medzi vrstvy grafitu (proces interkalácie; pozri Interkalačná zlúčenina grafitu) a potom vzorku rýchlo zahriala na 1000 °C ( Obr. 3a). Výbušné odparovanie interkalantových molekúl vytvára tenké (hrúbky niekoľkých nanometrov) grafitové „vločky“, ktoré obsahujú veľa grafénových vrstiev. Potom boli do priestoru medzi grafénovými vrstvami chemicky zavedené dve látky, oleum a tetrabutylamóniumhydroxid (HTBA) (obr. 3b). Sonikovaný roztok obsahoval grafitové aj grafénové listy (obr. 3c). Potom sa grafén oddelil centrifugáciou (obr. 3d).

Druhá skupina vedcov – z Dublinu, Oxfordu a Cambridge – zároveň navrhla iný spôsob získavania grafénu z viacvrstvového grafitu – bez použitia interkalantov. Hlavné je podľa autorov článku používať tie „správne“ organické rozpúšťadlá, ako je N-metylpyrolidón. Na získanie vysokokvalitného grafénu je dôležité zvoliť také rozpúšťadlá, aby energia povrchovej interakcie medzi rozpúšťadlom a grafénom bola rovnaká ako v prípade systému grafén-grafén. Na obr. 4 ukazuje výsledky postupnej výroby grafénu.

Úspech oboch experimentov je založený na nájdení správnych interkalantov a/alebo rozpúšťadiel. Samozrejme, existujú aj iné techniky na získanie grafénu, ako napríklad premena grafitu na oxid grafitu. Používajú prístup nazývaný "oxidácia-delaminácia-redukcia", v ktorom sú grafitové bazálne roviny potiahnuté kovalentne viazanými kyslíkovými funkčnými skupinami. Tento oxidovaný grafit sa stáva hydrofilným (alebo jednoducho vlhkomilným) a môže sa pôsobením ultrazvuku vo vodnom roztoku ľahko delaminovať na jednotlivé grafénové listy. Výsledný grafén má vynikajúce mechanické a optické vlastnosti, ale jeho elektrická vodivosť je o niekoľko rádov nižšia ako v prípade grafénu získaného pomocou „metódy lepiacej pásky“ (pozri prílohu). Preto je nepravdepodobné, že by takýto grafén našiel uplatnenie v elektronike.

Ako sa ukázalo, grafén, ktorý bol získaný ako výsledok vyššie uvedených dvoch metód, je kvalitnejší (obsahuje menej defektov v mriežke) a v dôsledku toho má vyššiu vodivosť.

Vhod prišiel ďalší úspech výskumníkov z Kalifornie, ktorí nedávno ohlásili nízkoenergetickú elektrónovú mikroskopiu (80 kV) s vysokým rozlíšením (rozlíšenie až 1Å) na priame pozorovanie jednotlivých atómov a defektov v kryštálovej mriežke grafénu. Prvýkrát na svete sa vedcom podarilo získať obrázky atómovej štruktúry grafénu vo vysokom rozlíšení (obr. 5), kde môžete na vlastné oči vidieť mriežkovú štruktúru grafénu.

Vedci z Cornell University zašli ešte ďalej. Z vrstvy grafénu sa im podarilo vytvoriť membránu hrubú len jeden atóm uhlíka a nafúknuť ju ako balón. Takáto membrána sa ukázala byť dostatočne pevná, aby odolala tlaku plynu niekoľkých atmosfér. Experiment prebiehal nasledovne. Grafénové listy boli umiestnené na oxidovaný kremíkový substrát s predbežne vyleptanými bunkami, ktoré boli tesne pripojené k povrchu kremíka v dôsledku van der Waalsových síl (obr. 6a). Takto vznikli mikrokomôrky, v ktorých sa mohol zadržiavať plyn. Potom vedci vytvorili tlakový rozdiel vo vnútri a mimo komory (obr. 6b). Pomocou mikroskopu atómovej sily, ktorý meria veľkosť vychyľovacej sily, ktorú cíti konzola s ihlou pri skenovaní membrány vo výške len niekoľko nanometrov od jej povrchu, vedci dokázali pozorovať stupeň konkávnosti-konkávnosti membrána (obr. 6c–e) pri zmene tlaku až do niekoľkých atmosfér.

Potom bola membrána použitá ako miniatúrny bubon na meranie frekvencie jej vibrácií so zmenou tlaku. Zistilo sa, že hélium zostáva v mikrokomôrke aj pri vysokom tlaku. Keďže však grafén použitý v experimente nebol ideálny (mal defekty v kryštálovej štruktúre), plyn postupne presakoval cez membránu. Počas celého experimentu, ktorý trval viac ako 70 hodín, bol pozorovaný stály pokles membránového napätia (obr. 6e).

Autori štúdie upozorňujú, že takéto membrány môžu mať široké uplatnenie – dajú sa napríklad použiť na štúdium biologických materiálov umiestnených v roztoku. Na to bude stačiť pokryť takýto materiál grafénom a študovať ho cez priehľadnú membránu mikroskopom, bez obáv z úniku alebo vyparovania roztoku, ktorý podporuje životnú aktivitu organizmu. V membráne je tiež možné vytvoriť otvory s veľkosťou atómov a potom sledovať difúznymi procesmi, ako jednotlivé atómy alebo ióny prechádzajú cez otvor. Čo je však najdôležitejšie, štúdia vedcov z Cornell University posunula vedu o krok bližšie k vytvoreniu jednoatómových senzorov.

Rýchly rast počtu štúdií o graféne ukazuje, že ide skutočne o veľmi sľubný materiál pre široké spektrum aplikácií, no pred uvedením do praxe je ešte potrebné vybudovať veľa teórií a desiatky experimentov.

Nepriepustné atómové membrány z grafénových listov (k dispozícii celý text) // NanoLetters. V. 8. Č. 8. S. 2458–2462 (2008).

Alexander Samardák

Až do minulého roka bol jediný spôsob, ktorý veda vedela vyrábať grafén, naniesť najtenšiu vrstvu grafitu na lepiacu pásku a potom odstrániť základňu. Táto technika sa nazýva „technika lepiacej pásky“. Nedávno však vedci zistili, že existuje efektívnejší spôsob získania nového materiálu: ako základ začali používať vrstvu medi, niklu či kremíka, ktoré sa následne odstránia leptaním (obr. 2). Takýmto spôsobom vytvoril tím vedcov z Kórey, Japonska a Singapuru obdĺžnikové pláty grafénu široké 76 centimetrov. Vedci nielenže vytvorili akýsi rekord vo veľkosti kúska jednovrstvovej štruktúry uhlíkových atómov, ale vytvorili aj citlivé obrazovky založené na pružných plátoch.

Obrázok 2: Získanie grafénu leptaním

Grafénové „vločky“ fyzici prvýkrát získali až v roku 2004, kedy bola ich veľkosť iba 10 mikrometrov. Pred rokom tím Rodneyho Ruoffa z Texaskej univerzity v Austine oznámil, že sa im podarilo vytvoriť centimetrové „odrezky“ grafénu.

Ruoff a kolegovia uložili atómy uhlíka na medenú fóliu pomocou chemického nanášania pár (CVD). Výskumníci v laboratóriu profesora Byun Hee Hong z univerzity Sunkhyunkhwan zašli ďalej a zväčšili listy na veľkosť plnohodnotnej obrazovky. Nová technológia „roll“ (spracovanie roll-to-roll) umožňuje získať dlhú stuhu z grafénu (obr. 3).

Obrázok 3: Obraz vrstvených grafénových vrstiev s vysokým rozlíšením z transmisnej elektrónovej mikroskopie.

Vrstva adhezívneho polyméru sa umiestnila na vrchnú vrstvu grafénových vrstiev fyziky, medené substráty sa rozpustili, potom sa polymérny film oddelil - získala sa jedna vrstva grafénu. Aby mali dosky väčšiu pevnosť, vedci rovnakým spôsobom „vyrástli“ ďalšie tri vrstvy grafénu. Na konci bol výsledný „sendvič“ ošetrený kyselinou dusičnou, aby sa zlepšila vodivosť. Úplne nový grafénový list sa položí na polyesterový substrát a vedie medzi vyhrievanými valcami (obr. 4).

Obrázok 4: Technológia rolovania na získanie grafénu

Výsledná štruktúra prepúšťala 90 % svetla a mala nižší elektrický odpor ako štandardný, ale stále veľmi drahý, priehľadný vodič, oxid india a cínu (ITO). Mimochodom, pomocou listov grafénu ako základu dotykových displejov vedci zistili, že ich štruktúra je tiež menej krehká.

Je pravda, že napriek všetkým úspechom je komercializácia technológie stále veľmi vzdialená. Transparentné uhlíkové nanorúrkové fólie sa snažia nahradiť ITO už nejaký čas, no zdá sa, že výrobcovia nevedia obísť problém „mŕtvych pixelov“, ktoré sa objavujú na defektoch filmu.

Využitie grafénov v elektrotechnike a elektronike

Jas pixelov na plochých obrazovkách je určený napätím medzi dvoma elektródami, z ktorých jedna smeruje k divákovi (obr. 5). Tieto elektródy musia byť priehľadné. V súčasnosti sa na výrobu priehľadných elektród používa oxid india dopovaný cínom (ITO), ale ITO je drahý a nie najstabilnejší materiál. Okrem toho svet čoskoro vyčerpá svoje zásoby india. Grafén je transparentnejší a stabilnejší ako ITO a grafénová elektróda LCD už bola demonštrovaná.

Obrázok 5: Jas grafénových obrazoviek ako funkcia aplikovaného napätia

Materiál má veľký potenciál aj v iných oblastiach elektroniky. V apríli 2008 vedci z Manchestru demonštrovali najmenší grafénový tranzistor na svete. Dokonale správna vrstva grafénu kontroluje odpor materiálu a mení ho na dielektrikum. Je možné vytvoriť mikroskopický výkonový spínač pre vysokorýchlostný nano-tranzistor na riadenie pohybu jednotlivých elektrónov. Čím menšie sú tranzistory v mikroprocesoroch, tým sú rýchlejšie a vedci dúfajú, že grafénové tranzistory v počítačoch budúcnosti budú mať veľkosť molekuly, keďže moderná technológia kremíkových mikrotranzistorov už takmer dosiahla svoj limit.

Grafén nie je len výborným vodičom elektriny. Má najvyššiu tepelnú vodivosť: atómové vibrácie sa ľahko šíria cez uhlíkovú sieť bunkovej štruktúry. Rozptyl tepla v elektronike je vážny problém, pretože existujú limity pre vysoké teploty, ktorým elektronika vydrží. Vedci z University of Illinois však zistili, že tranzistory na báze grafénu majú zaujímavú vlastnosť. Prejavujú termoelektrický efekt, čo vedie k zníženiu teploty zariadenia. To by mohlo znamenať, že elektronika na báze grafénu urobí z chladičov a ventilátorov minulosť. Atraktivita grafénu ako perspektívneho materiálu pre mikroobvody budúcnosti tak ďalej stúpa (obr. 6).

Obrázok 6: Sonda mikroskopu atómovej sily snímajúca povrch kontaktu grafén-kov na meranie teploty.

Pre vedcov nebolo ľahké zmerať tepelnú vodivosť grafénu. Vynašli úplne nový spôsob merania teploty umiestnením 3-mikrónového grafénového filmu na presne ten istý malý otvor v kryštáli oxidu kremičitého. Film sa potom zahrieval laserovým lúčom, čo spôsobilo jeho vibrácie. Tieto vibrácie pomohli vypočítať teplotu a tepelnú vodivosť.

Vynaliezavosť vedcov nepozná hraníc, pokiaľ ide o využitie fenomenálnych vlastností novej látky. V auguste 2007 vznikol najcitlivejší zo všetkých možných senzorov, ktoré sú na ňom založené. Je schopný reagovať na jednu molekulu plynu, čo pomôže včas odhaliť prítomnosť toxínov alebo výbušnín. Mimozemské molekuly pokojne zostupujú do grafénovej siete, vyraďujú z nej elektróny alebo ich pridávajú. V dôsledku toho sa mení elektrický odpor grafénovej vrstvy, ktorý vedci merajú. Aj tie najmenšie molekuly sú zachytené silnou grafénovou sieťkou. V septembri 2008 vedci z Cornell University v Spojených štátoch ukázali, ako sa grafénová membrána, podobne ako najtenší balón, nafúkne v dôsledku tlakového rozdielu niekoľkých atmosfér na oboch stranách. Táto vlastnosť grafénu môže byť užitočná pri určovaní priebehu rôznych chemických reakcií a vo všeobecnosti pri štúdiu správania atómov a molekúl.

Získanie veľkých plátov čistého grafénu je stále veľmi ťažké, ale úloha sa môže zjednodušiť, ak sa uhlíková vrstva zmieša s inými prvkami. Na Northwestern University v USA bol grafit oxidovaný a rozpustený vo vode. Výsledkom bol materiál podobný papieru – papier z oxidu grafénu (obr. 7). Je to veľmi ťažké a celkom jednoduché na výrobu. Oxid grafénu je vhodný ako odolná membrána v batériách a palivových článkoch.

Obrázok 7: Papier z oxidu grafénu

Grafénová membrána je ideálnym substrátom pre predmety štúdia pod elektrónovým mikroskopom. Bezchybné bunky sa v obrazoch spájajú do jednotného šedého pozadia, na ktorom zreteľne vystupujú ostatné atómy. Doteraz bolo takmer nemožné rozlíšiť najľahšie atómy v elektrónovom mikroskope, no s grafénom ako substrátom je možné vidieť aj malé atómy vodíka.

Možnosti využitia grafénu sú nekonečné. Nedávno fyzici z Northwestern University v USA prišli na to, že grafén sa dá zmiešať s plastom. Výsledkom je tenký, super pevný materiál, ktorý odolá vysokým teplotám a je nepriepustný pre plyny a kvapaliny.

Rozsahom jeho použitia je výroba ľahkých čerpacích staníc, náhradných dielov pre automobily a lietadlá, odolných lopatiek veterných turbín. Plast sa môže použiť na balenie potravinárskych výrobkov, ktoré ich udržia čerstvé po dlhú dobu.

Grafén je nielen najtenší, ale aj najodolnejší materiál na svete. Vedci z Kolumbijskej univerzity v New Yorku to overili umiestnením grafénu na drobné dierky v kremíkovom kryštáli. Potom sa stlačením najtenšej diamantovej ihly pokúsili zničiť vrstvu grafénu a zmerali tlakovú silu (obr. 8). Ukázalo sa, že grafén je 200-krát pevnejší ako oceľ. Ak si predstavíte vrstvu grafénu hrubú ako potravinová fólia, odolala by tlaku hrotu ceruzky, na opačnom konci by balansoval slon alebo auto.

Obrázok 8: Tlak na ihlu grafénového diamantu

Grafén patrí do triedy jedinečných uhlíkových zlúčenín, ktoré majú pozoruhodné chemické a fyzikálne vlastnosti, ako je vynikajúca elektrická vodivosť v kombinácii s úžasnou ľahkosťou a pevnosťou.

Predpokladá sa, že časom dokáže nahradiť kremík, ktorý je základom modernej výroby polovodičov. V súčasnosti je tejto zlúčenine bezpečne priradený status „materiálu budúcnosti“.

Vlastnosti materiálu

Grafén, najčastejšie sa vyskytujúci pod označením „G“, je dvojrozmerná forma uhlíka, ktorá má nezvyčajnú štruktúru v podobe atómov spojených do šesťuholníkovej mriežky. Jeho celková hrúbka zároveň nepresahuje veľkosť každého z nich.

Pre jasnejšie pochopenie toho, čo je grafén, je vhodné zoznámiť sa s takými jedinečnými vlastnosťami, ako sú:

• Zaznamenajte vysokú tepelnú vodivosť;
• Vysoká mechanická pevnosť a pružnosť materiálu, stokrát vyššia ako rovnaký ukazovateľ pre výrobky z ocele;
• Neporovnateľná elektrická vodivosť;
• Vysoká teplota topenia (viac ako 3 000 stupňov);
• Nepriepustnosť a transparentnosť.

Neobvyklú štruktúru grafénu dokazuje taký jednoduchý fakt: keď sa spoja 3 milióny tabuľových polotovarov grafénu, celková hrúbka hotového výrobku nebude väčšia ako 1 mm.

Aby sme pochopili jedinečné vlastnosti tohto neobvyklého materiálu, stačí poznamenať, že svojím pôvodom je podobný bežnému vrstvenému grafitu používanému v tužke. Vďaka špeciálnemu usporiadaniu atómov v šesťuholníkovej mriežke však jej štruktúra nadobúda vlastnosti vlastné takému tvrdému materiálu, akým je diamant.

Keď sa grafén izoluje z grafitu, vo filme s hrúbkou atómov vytvorenom týmto procesom sa pozorujú jeho „najúžasnejšie“ vlastnosti, ktoré sú charakteristické pre moderné 2D materiály. Dnes je ťažké nájsť takúto oblasť národného hospodárstva, kdekoľvek sa táto jedinečná zlúčenina používa a kde sa nepovažuje za perspektívnu. Je to zrejmé najmä v oblasti vedeckého vývoja, ktorého cieľom je zvládnuť nové technológie.

Ako získať

Objav tohto materiálu možno datovať do roku 2004, po ktorom vedci zvládli rôzne metódy na jeho získanie, ktoré sú uvedené nižšie:

• Chemické chladenie, realizované metódou fázových premien (nazýva sa to proces CVD);
• Takzvaný "epitaxiálny rast", uskutočňovaný vo vákuu;
• Metóda "mechanickej exfoliácie".

Uvažujme o každom z nich podrobnejšie.

Mechanický

Začnime poslednou z týchto metód, ktorá sa považuje za najdostupnejšiu pre nezávislé vykonanie. Na získanie grafénu doma je potrebné postupne vykonať nasledujúce série operácií:

• Najprv musíte pripraviť tenkú grafitovú dosku, ktorá sa potom pripevní na lepiacu stranu špeciálnej pásky;
• Potom sa zloží na polovicu a potom sa opäť vráti do pôvodného stavu (jeho konce sú rozvedené);
• V dôsledku takýchto manipulácií je možné získať dvojitú vrstvu grafitu na lepiacej strane pásky;
• Ak túto operáciu vykonáte niekoľkokrát, bude ľahké dosiahnuť malú hrúbku nanesenej vrstvy materiálu;
• Potom sa na substrát z oxidu kremičitého nanesie lepiaca páska s rozštiepenými a veľmi tenkými filmami;
• Výsledkom je, že film čiastočne zostáva na substráte a vytvára grafénovú vrstvu.

Nevýhodou tohto spôsobu je obtiažnosť získania dostatočne tenkého filmu danej veľkosti a tvaru, ktorý by bol bezpečne pripevnený na častiach substrátu vyhradených na tento účel.

V súčasnosti sa týmto spôsobom vyrába väčšina grafénu používaného v každodennej praxi. Vďaka mechanickej exfoliácii je možné získať zlúčeninu pomerne vysokej kvality, ale táto metóda je úplne nevhodná pre podmienky hromadnej výroby.

Priemyselné metódy

Jedným z priemyselných spôsobov, ako získať grafén, je pestovať ho vo vákuu, ktorého vlastnosti možno znázorniť takto:

• Na jeho výrobu sa odoberá povrchová vrstva karbidu kremíka, ktorý je vždy prítomný na povrchoch tohto materiálu;
• Potom sa vopred pripravený kremíkový plátok zahreje na relatívne vysokú teplotu (rádovo 1000 K);
• V dôsledku chemických reakcií, ktoré sa v tomto prípade vyskytujú, sa pozoruje oddelenie atómov kremíka a uhlíka, pri ktorých sa prvý z nich okamžite odparí;
• V dôsledku tejto reakcie zostane na platni čistý grafén (G).

Nevýhody tejto metódy zahŕňajú potrebu vysokoteplotného ohrevu, čo často spôsobuje technické ťažkosti.

Najspoľahlivejšou priemyselnou metódou na predchádzanie vyššie opísaným ťažkostiam je takzvaný "CVD proces". Keď je implementovaný, dochádza k chemickej reakcii, ktorá nastáva na povrchu kovového katalyzátora, keď je kombinovaný s uhľovodíkovými plynmi.

V dôsledku všetkých vyššie uvedených prístupov je možné získať čisté alotropné zlúčeniny dvojrozmerného uhlíka vo forme vrstvy s hrúbkou iba jedného atómu. Znakom tejto formácie je spojenie týchto atómov do šesťuholníkovej mriežky v dôsledku tvorby takzvaných väzieb „σ“ a „π“.

Nosiče elektrického náboja v grafénovej mriežke sa vyznačujú vysokým stupňom mobility, ktorý je oveľa vyšší ako u iných známych polovodičových materiálov. Práve z tohto dôvodu je schopný nahradiť klasický kremík tradične používaný pri výrobe integrovaných obvodov.

Možnosti praktickej aplikácie materiálov na báze grafénu priamo súvisia s vlastnosťami jeho výroby. V súčasnosti existuje veľa metód na získanie jeho jednotlivých fragmentov, ktoré sa líšia tvarom, kvalitou a veľkosťou.

Medzi všetkými známymi metódami vynikajú tieto prístupy:

1. Výroba rôznych oxidov grafénu vo forme vločiek používaných pri výrobe elektricky vodivých farieb, ako aj rôznych druhov kompozitných materiálov;
2. Získanie plochého grafénu G, z ktorého sa vyrábajú komponenty elektronických zariadení;
3. Pestovateľský materiál rovnakého typu používaný ako neaktívne zložky.

Hlavné vlastnosti tejto zlúčeniny a jej funkčnosť sú určené kvalitou substrátu, ako aj vlastnosťami materiálu, s ktorým je pestovaná. To všetko v konečnom dôsledku závisí od použitého spôsobu výroby.

V závislosti od spôsobu získania tohto jedinečného materiálu môže byť použitý na rôzne účely, a to:

1. Grafén získaný mechanickou exfoliáciou je určený najmä na výskum, čo sa vysvetľuje nízkou mobilitou voľných nosičov náboja;
2. Keď sa grafén získava chemickou (tepelnou) reakciou, najčastejšie sa používa na vytváranie kompozitných materiálov, ako aj ochranných náterov, atramentov a farbív. Mobilita voľných nosičov je o niečo vyššia, čo umožňuje ich použitie na výrobu kondenzátorov a filmových izolátorov;
3. Ak sa na získanie tejto zlúčeniny použije metóda CVD, môže sa použiť v nanoelektronike, ako aj na výrobu senzorov a transparentných flexibilných fólií;
4. Grafén získaný metódou „kremíkového plátku“ sa používa na výrobu takých prvkov elektronických zariadení, ako sú vysokofrekvenčné tranzistory a podobné súčiastky. Mobilita voľných nosičov náboja v takýchto zlúčeninách je maximálna.

Uvedené vlastnosti grafénu otvárajú široké obzory pre výrobcov a umožňujú im sústrediť svoje úsilie na jeho implementáciu v nasledujúcich sľubných oblastiach:

• V alternatívnych oblastiach modernej elektroniky, spojených s výmenou kremíkových komponentov;
• V poprednom chemickom priemysle výroby;
• Pri navrhovaní jedinečných produktov (ako sú napríklad kompozitné materiály a grafénové membrány);
• V elektrotechnike a elektronike (ako „ideálny“ vodič).

Okrem toho môžu byť na základe tejto zlúčeniny vyrobené studené katódy, akumulátory, ako aj špeciálne vodivé elektródy a priehľadné filmové povlaky. Jedinečné vlastnosti tohto nanomateriálu mu poskytujú široké možnosti jeho využitia v pokročilom vývoji.

Výhody a nevýhody

Výhody produktov na báze grafénu:

• Vysoký stupeň elektrickej vodivosti, porovnateľný s rovnakým indikátorom pre bežnú meď;
• Takmer dokonalá optická čistota, vďaka ktorej pohltí najviac dve percentá rozsahu viditeľného svetla. Preto sa zvonku zdá takmer bezfarebný a pre pozorovateľa neviditeľný;
• Mechanická pevnosť lepšia ako diamant;
• Flexibilita, v ktorej je jednovrstvový grafén lepší ako elastická guma. Táto kvalita uľahčuje zmenu tvaru fólií av prípade potreby ich natiahnutie;
• Odolnosť voči vonkajším mechanickým vplyvom;
• Neporovnateľná tepelná vodivosť, z hľadiska ktorej je desaťkrát lepšia ako rovnaká meď.

Nevýhody tejto jedinečnej uhlíkovej zlúčeniny zahŕňajú:

1. Nemožnosť získavania v objemoch dostatočných pre priemyselnú výrobu, ako aj dosiahnutie fyzikálno-chemických vlastností potrebných na zabezpečenie vysokej kvality. V praxi je možné získať len malé fragmenty grafénu;
2. Priemyselné výrobky sú vo svojich charakteristikách najčastejšie horšie ako vzorky získané vo výskumných laboratóriách. Nie je možné ich dosiahnuť pomocou bežných priemyselných technológií;
3. Vysoké mimopracovné náklady, ktoré výrazne obmedzujú možnosti jeho výroby a praktického uplatnenia.

Napriek všetkým týmto ťažkostiam výskumníci neopúšťajú pokusy o vývoj nových technológií na výrobu grafénu.

Na záver treba konštatovať, že vyhliadky tohto materiálu sú jednoducho fantastické, keďže sa dá využiť aj pri výrobe moderných ultratenkých a flexibilných gadgetov. Navyše na jeho základe je možné vytvárať moderné medicínske vybavenie a lieky, ktoré dokážu bojovať proti rakovine a iným bežným nádorovým ochoreniam.

Video

Grafén je revolučný materiál 21. storočia. Je to najsilnejšia, najľahšia a najviac elektricky vodivá verzia uhlíkovej väzby.

Grafén našli Konstantin Novoselov a Andrey Geim pôsobiaci na univerzite v Manchestri, za čo ruským vedcom udelili Nobelovu cenu. K dnešnému dňu bolo na výskum vlastností grafénu na desať rokov vyčlenených asi desať miliárd dolárov a šepká sa, že môže byť vynikajúcou náhradou kremíka, najmä v polovodičovom priemysle.

Dvojrozmerná štruktúra, ako je tento uhlíkatý materiál, však bola predpovedaná aj pre iné prvky periodickej tabuľky chemických prvkov a nedávno boli študované veľmi neobvyklé vlastnosti jednej z týchto látok. A táto látka sa nazýva "modrý fosfor".

Ruskí domorodci pracujúci v Británii, Konstantin Novoselov a Andrey Geim, vytvorili grafén - priesvitnú vrstvu uhlíka s hrúbkou jedného atómu - v roku 2004. Od tej chvíle sme takmer okamžite a všade začali počuť pochvalné ódy o najrôznejších úžasných vlastnostiach materiálu, ktorý má potenciál zmeniť náš svet a nájsť svoje uplatnenie v rôznych oblastiach, od výroby kvantových počítačov až po výrobu filtre na získanie čistej pitnej vody. Prešlo 15 rokov, no svet pod vplyvom grafénu sa nezmenil. prečo?

Všetky moderné elektronické zariadenia využívajú na prenos informácií elektróny. Teraz je vývoj kvantových počítačov v plnom prúde, čo mnohí považujú za budúcu náhradu tradičných zariadení. Existuje však aj iný, nemenej zaujímavý spôsob vývoja. Vytváranie takzvaných fotonických počítačov. A nedávno skupina výskumníkov z University of Exeter () objavila vlastnosť častíc, ktorá by mohla pomôcť navrhnúť nové počítačové obvody.

Grafénové vlákna pod skenovacím elektrónovým mikroskopom. Čistý grafén sa získava z oxidu grafénu (GO) v mikrovlnnej rúre. Mierka 40 µm (vľavo) a 10 µm (vpravo). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

Grafén je 2D modifikácia uhlíka tvorená vrstvou s hrúbkou jedného uhlíkového atómu. Materiál má vysokú pevnosť, vysokú tepelnú vodivosť a jedinečné fyzikálne a chemické vlastnosti. Vykazuje najvyššiu mobilitu elektrónov zo všetkých známych materiálov na Zemi. Vďaka tomu je grafén takmer ideálnym materiálom pre širokú škálu aplikácií vrátane elektroniky, katalyzátorov, batérií, kompozitných materiálov atď. Pointa je malá – naučiť sa získavať vysokokvalitné grafénové vrstvy v priemyselnom meradle.

Chemici z Rutgers University (USA) našli jednoduchý a rýchly spôsob výroby vysokokvalitného grafénu spracovaním oxidu grafénu v bežnej mikrovlnnej rúre. Metóda je prekvapivo primitívna a účinná.

Oxid grafitu je zlúčenina uhlíka, vodíka a kyslíka v rôznych pomeroch, ktorá vzniká pri úprave grafitu silnými oxidačnými činidlami. Zbaviť sa zvyšného kyslíka v oxide grafitu a potom získať čistý grafén v dvojrozmerných listoch si vyžaduje značné úsilie.

Oxid grafitu sa zmieša so silnými zásadami a materiál sa ďalej redukuje. V dôsledku toho sa získajú monomolekulové listy so zvyškami kyslíka. Tieto listy sa bežne označujú ako oxid grafénu (GO). Chemici skúšali rôzne spôsoby, ako odstrániť prebytočný kyslík z GO ( , , , ), ale GO (rGO) redukovaný takýmito metódami zostáva vysoko neusporiadaným materiálom, ktorý má ďaleko od skutočného čistého grafénu získaného chemickým naparovaním (CVD) .

Aj vo svojej neusporiadanej forme má rGO potenciál byť užitočný pre nosiče energie ( , , , , ) a katalyzátory ( , , , ), ale aby ste čo najlepšie využili jedinečné vlastnosti grafénu v elektronike, musíte sa naučiť, ako získať čistý vysokokvalitný grafén od GO.

Chemici z Rutgers University ponúkajú jednoduchý a rýchly spôsob redukcie GO na čistý grafén pomocou 1-2 sekundových mikrovlnných impulzov. Ako vidno z grafov, grafén získaný „mikrovlnnou redukciou“ (MW-rGO) je svojimi vlastnosťami oveľa bližšie k najčistejšiemu grafénu získanému pomocou CVD.

Fyzikálne charakteristiky MW-rGO v porovnaní s nedotknutým oxidom grafénu GO, redukovaným oxidom grafénu rGO a grafénom s chemickým nanášaním pár (CVD). Zobrazené sú typické GO vločky nanesené na kremíkový substrát (A); rôntgenová fotoelektrónová spektroskopia (B); Ramanova spektroskopia a pomer veľkosti kryštálov (L a) k pomeru píku l 2D / l G v Ramanovom spektre pre MW-rGO, GO a CVD.

Elektronické a elektrokatalytické vlastnosti MW-rGO v porovnaní s rGO. Ilustrácie: Rutgers University

Technický proces získania MW-rGO pozostáva z niekoľkých etáp.

1. Oxidácia grafitu modifikovanou Hummersovou metódou a jeho rozpustenie na jednovrstvové vločky oxidu grafénu vo vode.
2. GO žíhanie, aby bol materiál náchylnejší na mikrovlnné žiarenie.
3. Ožarovanie GO vločiek v klasickej 1000W mikrovlnnej rúre po dobu 1-2 sekúnd. Počas tohto postupu sa GO rýchlo zahrieva na vysokú teplotu, dochádza k desorpcii kyslíkových skupín a vynikajúcej štruktúre uhlíkovej mriežky.

Snímanie transmisným elektrónovým mikroskopom ukazuje, že po ošetrení mikrovlnným žiaričom sa vytvorí vysoko usporiadaná štruktúra, v ktorej sú funkčné skupiny kyslíka takmer úplne zničené.

Snímky z transmisného elektrónového mikroskopu ukazujú štruktúru grafénových plátov s mierkou 1 nm. Vľavo je jednovrstvový rGO s mnohými defektmi, vrátane kyslíkových funkčných skupín (modrá šípka) a otvorov v uhlíkovej vrstve (červená šípka). V strede a napravo je dokonale štruktúrovaný dvojvrstvový a trojvrstvový MW-rGO. Foto: Rutgers University

Vynikajúce štrukturálne vlastnosti MW-rGO pri použití v tranzistoroch s efektom poľa umožňujú zvýšiť maximálnu mobilitu elektrónov na približne 1500 cm 2 /V·s, čo je porovnateľné s vynikajúcim výkonom moderných tranzistorov s vysokou pohyblivosťou elektrónov.

Okrem elektroniky je MW-rGO užitočný pri výrobe katalyzátorov: vykazoval výnimočne nízku hodnotu Tafelovho koeficientu, keď sa použil ako katalyzátor v reakcii na vývoj kyslíka: asi 38 mV za desaťročie. Katalyzátor MW-rGO zostal stabilný aj pri reakcii vývoja vodíka, ktorá trvala viac ako 100 hodín.

To všetko naznačuje vynikajúci potenciál využitia grafénu redukovaného mikrovlnami v priemysle.

Výskumný článok „Vysoko kvalitný grafén prostredníctvom mikrovlnnej redukcie roztoku exfoliovaného oxidu grafénu“ uverejnené 1. septembra 2016 v časopise Veda(doi: 10.1126/science.aah3398).