Grafēns — 2D oglekļa materiāls: īpašības un pielietojumi

Uzzini grafēna 2D oglekļa īpašības, revolūcijas tehnoloģijās izmantojumus — no superkondensatoriem līdz nanotehnoloģijām un elektronikai.

Grafēns ir viena no oglekļa formām. Līdzīgi kā dimantiem un grafītam, oglekļa formām (jeb "alotropiem") ir atšķirīga kristāliskā struktūra, un tas piešķir tām atšķirīgas īpašības. Grafēns ir 2D (divdimensiju) pamatforma vairākiem 3D alotropiem, piemēram, grafītam, oglei, fullerēnam un oglekļa nanocaurulītēm.

Terminu "grafēns" kā grafīta un piedēkļa "-ēns" kombināciju radīja Hanns Pēters Bēms (Hanns-Peter Boehm), kurš 1962. gadā aprakstīja vienslāņu oglekļa folijas. Grafēns ir līdzīgs šūnu vai "vistas stieples" struktūrai, ko veido oglekļa atomi un to saites. Grafīts ir daudzas grafēna loksnes, kas saklātas kopā.

Trīs miljoni grafēna loksnīšu, kas saliktas grafīta formā, būtu tikai vienu milimetru biezas.

2010. gada Nobela prēmiju fizikā saņēma sers Andrē Geims un sers Konstantīns Novoselovs "par revolucionāriem eksperimentiem ar divdimensiju materiālu grafēnu".

Viens no iespējamiem lietojumiem ir grafēna superkondensatori.

Kas ir grafēns un tā struktūra

Grafēns ir viensānu oglekļa atoms bieza kristāla loksne, kurā oglekļa atomi izvietoti sešstūra (heksagonālā) režģī. Viena grafēna loksne ir aptuveni 0,34 nm bieza (atbilstoši attālumam starp slāņiem grafītā). Šī vienatomu biezuma struktūra rada unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības, tai skaitā ļoti lielu virsmas laukumu un īpašu elektronisko struktūru (piem., Diraka konusi, kas noved pie tā, ka lādiņu nesēji grafēnā uzvedas līdzīgi masu bezmasas Diraka fermioniem).

Galvenās īpašības

• Mehāniskās īpašības: Grafēns ir ārkārtīgi stiprs — teorētiskie un eksperimentālie dati rāda ļoti augstu Younga moduli (~1 TPa) un lielu stiepes izturību (līdz desmitiem vai simtiem GPa atkarībā no provēšanas apstākļiem).
• Elektriskā vadītspēja: Grafēns labi vada elektrību; lādiņu nesējiem ir ļoti augsta mobilitāte (ideālos vai suspendētos paraugos var sasniegt ļoti augstu mobilitāti, praktiskos materiālos — mazāk). Vienlaikus tam ir bezšķērsgriezuma (zero bandgap) elektroniskā struktūra, kas nozīmē, ka tam nav tradicionālas ķīlnes joslas, kas sarežģī tā izmantošanu tipiskos tranzistoros bez turpmākas modifikācijas.
• Termiskā vadītspēja: Grafēnam ir ļoti laba siltumvadītspēja (rāda daudzu simtu līdz vairāku tūkstošu W/mK diapazonā atkarībā no parauga kvalitātes), kas padara to noderīgu termiskai vadībai un dzesēšanai mikroierīcēs.
• Optiskās īpašības: Viena grafēna loksne absorbē aptuveni 2,3% redzamās gaismas — šī maza, bet mērāma absorbcija ir noderīga optoelektronikas un caurspīdīgu vadītāju pielietojumos.
• Ķīmiskā viegli modificējamība: Caur funkcionalizāciju (piem., grafēna oksīda ķīmiskā reducēšana vai organiskā piesaistīšana) grafēna virsmai var piešķirt papildu īpašības — dispersiju šķīdumos, hidrofilitāti vai specifisku jutību sensoros.

Ražošanas metodes

Ir vairākas grafēna iegūšanas metodes ar atšķirīgām priekšrocībām un trūkumiem:

• Mehāniskā eksfoliācija (slavenā "scotch tape" metode) — dod augstas kvalitātes vienslāņu grafēnu, bet ir neatbilstoša masu ražošanai.
• CVD (ķīmiskā tvaika nogulsnēšana) uz metāla katalizatoriem (piem., vara) — plaši izmantota komerciālai ražošanai plēvju veidā; ļauj izgatavot lielas virsmas, bet kvalitāte atkarīga no procesa parametrēm un nepieciešama pārnesšana uz gala substrātu.
• Epitaksija uz SiC — termiska oglekļa sublimācija no SiC virsmas, veidojot grafēna slāņus; izmanto augstas kvalitātes elektroniskām ierīcēm, taču dārgāka.
• Šķidruma fāzes eksfoliācija — grafīta mehāniska vai ķīmiska apstrāde šķīdinātājos, kas dod nanoslaidi vai daļiņas, piemēroti kompozītiem un tintēm.
• Grafēna oksīds un tā redukcija — ļauj iegūt lielākas masas grafēna tipa materiālu ar skābekļa funkcijām; vieglāk apstrādājams šķīdumos, bet ar zemāku elektrisko veiktspēju nekā perfekts CVD grafēns.

Pielietojumi

Grafēna īpašības padara to par perspektīvu materiālu daudzās jomās:

• Elektronika un fotonika: ātras tranzistora ierīces, radiofrekvenču komponentes, caurspīdīgi vadītāji displejos un saules baterijās, fotodetektori.
• Enerģētika: superkondensatori ar augstu jaudas blīvumu, bateriju elektrodu prasmes palielināšana, palielināta elektrokatalītiskā aktivitāte degvielas elementu elektrodēs.
• Kompozītmateriāli: pastiprinājumi polimēros, keramikā vai metālos, lai uzlabotu izturību, elektrisko/termisko vadītspēju, izturību pret plaisām, vienlaikus saglabājot zemu svaru.
• Sensori: gāzu, ķīmiskie un biosensori ar augstu jutību un ātru atbildes laiku, pateicoties lielajam virsmas laukam un elektriskajai jutībai.
• Membrānas un filtrācija: ūdens atdalīšana, gāzu separācija un speciālas membrānas, kas pamatotas uz grafēna vai grafēna oksīda strukturālām īpašībām.
• Biomedicīna: transporta sistēmas zālēm, bioattēlveidošana, audu inženierija — joma attīstās, taču nepieciešami rūpīgi toksicitātes pētījumi.
• Termiskā vadība: dzesēšanas risinājumi elektronikai un apkopes sistēmām, kur nepieciešama efektīva siltuma novadīšana.
• Van der Waals heterostruktūras: grafēna kombinēšana ar citiem 2D materiāliem (piem., hBN, TMDC) ļauj radīt jaunas elektroniskās un optiskās ierīces ar specifiskām īpašībām.

Izaicinājumi un drošība

Lai arī grafēnam ir daudz potenciālu pielietojumu, pastāv arī izaicinājumi:

• Masveida ražošanas kvalitāte un konsekvence — saglabāt augstu kvalitāti un vienlaidus īpašības lielos ražošanas apjomos ir tehnoloģisks izaicinājums.
• Integrācija ar esošajām industrijām un procesiem — nepieciešami procesi, kas atbilst mikroelektronikas, automobiļu vai farmācijas standartiem.
• Elektroniskā joma — bezšķēršļu raksturs (zero bandgap) padara pilnīgu digitālo loģiku tikai no grafēna sarežģītu; nepieciešama joslas atvēršana vai hibrīdi risinājumi.
• Toksicitāte un vides ietekme — grafēna, grafēna oksīda un nanodaļiņu bioloģiskā iedarbība ir atkarīga no izmēra, virsmas ķīmijas un koncentrācijas; nepieciešami rūpīgi drošības pētījumi un regulējumi.
• Ekonomika — dažas ražošanas metodes ir joprojām dārgas vai tehniski sarežģītas, ierobežojot ātru komercializāciju plašos tirgos.

Noslēgums

Grafēns ir ārkārtīgi daudzsološs materiāls ar unikālām fizikālām, ķīmiskām un mehāniskām īpašībām. Tā 2D raksturs atver jaunas iespējas materiālu zinātnē, elektronikas un enerģētikas jomā. Tomēr praktiskai un plašai izmantošanai nepieciešams risināt ražošanas, integrācijas un drošības jautājumus. Pētniecība un rūpnieciskā attīstība turpinās, un nākamajos gados iespējamas gan jaunas ierīces, gan materiālu konstrukcijas, kas izmantos grafēna potenciālu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir grafēns?

Q: Kā grafēns ir saistīts ar grafītu?

J: Kas radīja terminu "grafēns"?

J: Par ko sers Andrē Geims un sers Konstantīns Novoselovs 2010. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā?

J: Kādi ir daži iespējamie grafēna lietojumi?

J: Kādas vēl ir oglekļa formas vai alotropi bez grafēna?

Meklēt pēc burta