Графен: открытие и свойства материала¶

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, в которой атомы организованы в гексагональную кристаллическую решётку толщиной в один атом. Он является базовым элементом для графита, углеродных нанотрубок и фуллеренов.

¶История открытия

Вопрос о существовании двумерных кристаллов долгое время оставался дискуссионным. Согласно теореме Мермина — Вагнера, идеальные двумерные кристаллы не могут существовать при конечной температуре из-за тепловых флуктуаций, что приводило к выводу об их термодинамической нестабильности.

В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новосёлов, работавшие в Манчестерском университете, впервые получили графен методом механического отслаивания (скотч-методом) из высокоориентированного пиролитического графита. Учёным удалось выделить стабильный монослой углерода, что опровергло существовавшие теоретические представления. За это открытие в 2010 году Гейму и Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике.

¶Строение и свойства

¶Кристаллическая структура

Атомы углерода в графене образуют sp²-гибридизацию и формируют сотовую решётку с расстоянием между соседними атомами около 0,142 нм. Каждый атом связан с тремя соседними, а четвёртый электрон образует делокализованную π-систему, обеспечивающую уникальные электронные свойства.

¶Физические свойства

• Электропроводность: графен обладает рекордной подвижностью носителей заряда (до 200 000 см²/(В·с)), что значительно превосходит показатели кремния.
• Прочность: предел прочности графена составляет около 130 ГПа, что делает его самым прочным из известных материалов (примерно в 200 раз прочнее стали).
• Теплопроводность: теплопроводность графена достигает 5000 Вт/(м·К), что выше, чем у алмаза.
• Оптические свойства: монослой графена поглощает лишь 2,3 % падающего света в видимом диапазоне.
• Гибкость: графен остаётся механически стабильным при значительных деформациях.

¶Электронные особенности

Электроны в графене ведут себя как безмассовые дираковские фермионы, что приводит к аномальному квантовому эффекту Холла, наблюдаемому даже при комнатной температуре. Материал проявляет баллистическую проводимость — электроны могут проходить через образец без рассеяния.

¶Методы получения

• Механическое отслаивание (скотч-метод) — позволяет получать образцы высочайшего качества для лабораторных исследований.
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — выращивание графена на медных или никелевых подложках; основной метод для промышленного производства.
• Эпитаксиальный рост — термическое разложение карбида кремния на поверхности SiC.
• Химическое восстановление оксида графена — относительно дешёвый метод, позволяющий получать графен в больших объёмах, но с дефектами структуры.

¶Применение

¶Электроника

Графен рассматривается как перспективная замена кремния в полевых транзисторах. Высокая подвижность носителей заряда позволяет создавать транзисторы с рабочими частотами в терагерцовом диапазоне. Также разрабатываются гибкие дисплеи и сенсорные экраны на основе графена.

¶Энергетика

В литий-ионных аккумуляторах графен используется как анодный материал, увеличивающий ёмкость и скорость зарядки. В суперконденсаторах графеновые электроды обеспечивают высокую удельную мощность.

¶Композитные материалы

Добавление графена в полимеры и керамику значительно улучшает их механические и электрические свойства. Такие композиты применяются в авиастроении, автомобилестроении и производстве спортивного инвентаря.

¶Биомедицина

Графен исследуется как основа для биосенсоров, систем доставки лекарств и материалов для тканевой инженерии.

¶Промышленное производство

Крупнотоннажное производство графена развивается с 2010-х годов. Ведущими производителями являются компании из Китая, США, Южной Кореи и стран Европы. Основной продукцией являются графеновые порошки, суспензии и плёнки. Тем не менее, себестоимость высококачественного графена остаётся высокой, что ограничивает его широкое коммерческое применение.

¶Перспективы и ограничения

Основным препятствием для внедрения графена в электронику является отсутствие запрещённой зоны в его электронном спектре, что затрудняет создание логических устройств с низким энергопотреблением. Ведутся исследования по модификации структуры графена (например, создание графеновых нанолент) для решения этой проблемы.

¶Источники

• Новосёлов К. С. и др. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films» // Science, 2004.
• Гейм А. К. «Graphene: Status and Prospects» // Science, 2009.
• Кастро Нето А. Х. и др. «The Electronic Properties of Graphene» // Reviews of Modern Physics, 2009.
• Нобелевская лекция А. Гейма и К. Новосёлова, 2010.