Графен

Графен относится к классу уникальных углеродистых соединений, обладающих замечательными химическими и физическими свойствами, такими как прекрасная электропроводность, которая сочетается с удивительной лёгкостью и прочностью.

Особенности кристаллической решётки

Предполагается, что со временем он сможет заменить кремний, который является основой современного полупроводникового производства. В настоящее время за этим соединением надёжно закрепился статус «материала будущего».

Особенности материала

Графен, чаще всего встречающийся под обозначением «G», – это двумерная разновидность углерода, имеющая необычную структуру в виде соединённых в гексагональную решетку атомов. При этом общая её толщина не превышает размеров каждого из них.

Для более чёткого понимания, что такое графен, желательно ознакомиться с такими его уникальными характеристиками, как:

• Рекордно высокий показатель теплопроводности;
• Высокие механическая прочность и гибкость материала, в сотни раз превосходящие тот же показатель для стальных изделий;
• Ни с чем несравнимая электропроводимость;
• Высокая температура плавления (более 3 тысяч градусов);
• Непроницаемость и прозрачность.

О необычности структуры графена свидетельствует такой простой факт: при объединении 3-х миллионов листовых заготовок графена суммарная толщина готового изделия будет не более 1 мм.

Физическая структура

Для понимания уникальных свойств этого необычного материала достаточно отметить, что по своему происхождению он схож с обычным слоистым графитом, применяемым в грифеле карандаша. Однако, благодаря особому расположению атомов в гексагональной решётке, его структура приобретает характеристики, присущие такому твёрдому материалу, как алмаз.

При выделении графена из графита в образующейся при этом плёнке толщиной в атом наблюдаются его наиболее «чудесные» свойства, характерные для современных 2D-материалов. Сегодня трудно отыскать такую область народного хозяйства, где бы ни применялось это уникальное соединение, и где оно ни рассматривалось бы в качестве перспективного. Особо это проявляется в области научных разработок, ставящих своей целью освоение новых технологий.

Способы получения

Открытие этого материала может быть датировано 2004 годом, после чего учёными были освоены различные методы его получения, которые представлены ниже:

• Химическое охлаждение, реализуемое методом фазовых преобразований (его называют CVD-процессом);
• Так называемое «эпитаксиальное выращивание», осуществляемое в условиях вакуума;
• Метод «механической эксфолиации».

Механический метод

Рассмотрим каждый из них более подробно.

Механический

Начнём с последнего из этих способов, считающегося наиболее доступным для самостоятельного исполнения. Для того чтобы получить графен в домашних условиях, необходимо последовательно произвести следующий ряд операций:

• Сначала нужно подготовить тонкую графитовую пластину, которая затем крепится на клеящейся стороне специальной ленты;
• После этого она складывается вдвое, а затем снова возвращается в исходное состояние (её концы разводятся);
• В результате таких манипуляций на клеящей стороне ленты удаётся получить двойной слой графита;
• Если проделать эту операцию несколько раз, несложно будет добиться малой толщины нанесённого слоя материала;
• После этого скотч с расщеплёнными и очень тонкими плёнками прикладывается к подложке из окисла кремния;
• Вследствие этого плёнка частично остаётся на подложке, образуя графеновую прослойку.

Недостатком этого метода является сложность получения достаточно тонкой плёнки заданного размера и формы, которая бы надёжно фиксировались на отведённых для этого частях подложки.

В настоящее время большая часть используемого в повседневной практике графена производится именно таким образом. За счёт механической эксфолиации удаётся получить соединение довольно высокого качества, но для условий массового производства данный метод совершенно не годится.

Промышленные методы

Одним из промышленных способов получения графена является выращивание его в вакууме, особенности которого можно представить следующим образом:

• Для его изготовления берётся поверхностный слой карбида кремния, всегда имеющийся на поверхностях этого материала;
• Затем заранее подготовленная кремниевая пластина нагревается до сравнительно высокой температуры (порядка 1000 К);
• За счёт происходящих при этом химических реакций наблюдается разделение атомов кремния и углерода, при котором первые из них тут же испаряются;
• В результате такой реакции на пластинке остается чистый графен (G).

К недостаткам этого метода можно отнести необходимость высокотемпературного нагрева, с обеспечением которого нередко возникают трудности технического характера.

Наиболее надежным промышленным способом, позволяющим избежать описанных выше сложностей, является так называемый «CVD-процесс». При его реализации происходит химическая реакция, протекающая на поверхности металлического катализатора при его соединении с газами углеводорода.

В результате всех рассмотренных выше подходов удаётся получать чистые аллотропные соединения двумерного углерода в виде слоя толщиной всего лишь в один атом. Особенностью такого образования является соединение этих атомов в гексагональную решетку за счёт образования так называемых «σ» и «π»-связей.

Носители электрического заряда в решётке графена отличаются высокой степенью подвижности, значительно превышающей этот показатель для других известных полупроводниковых материалов. Именно по этой причине он способен прийти на смену классическому кремнию, традиционно используемому при производстве интегральных микросхем.

Кремниевые подложки

Области применения

Возможности практического применения материалов на основе графена напрямую связаны с особенностями его производства. В настоящее время практикуется множество методов получения отдельных его фрагментов, различающихся по форме, качеству и размерам.

Среди всех известных способов особенно выделяются следующие подходы:

1. Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
2. Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
3. Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.

Основные свойства этого соединения и его функциональность определяются качеством подложки, а также особенностями того материала, с помощью которого он выращивается. Всё это, в конечном счёте, зависит от используемого метода его производства.

В зависимости от способа получения этого уникального материала, он может применяться для самых различных целей, а именно:

1. Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;
2. При получении графена методом химической (термической) реакции он чаще всего используется для создания композитных материалов, а также защитных покрытий, чернил, красителей. Подвижность свободных носителей у него несколько больше, что позволяет применять его для изготовления конденсаторов и плёночных изоляторов;
3. В случае использования для получения этого соединения метода CVD он может применяться в нано электронике, а также для изготовления сенсоров и прозрачных гибких плёнок;
4. Графен, полученный методом «кремниевых пластинок», идёт на изготовление таких элементов электронных устройств, как ВЧ-транзисторы и подобные им комплектующие. Подвижность свободных носителей заряда в таких соединениях максимальна.

Гибкие плёнки

Перечисленные особенности графена открывают для производителей широкие горизонты и позволяют сконцентрировать усилия по его внедрению в следующие перспективные области:

• В альтернативные направления современной электроники, связанные с заменой кремниевых составляющих;
• В ведущие химические отрасли производства;
• При конструировании уникальных изделий (таких, например, как композитные материалы и графеновые мембраны);
• В электротехнике и электронике (в качестве «идеального» проводника).

Помимо этого, на основе этого соединения могут изготавливаться холодные катоды, аккумуляторные батареи, а также специальные проводящие электроды и прозрачные плёночные покрытия. Уникальные свойства этого наноматериала обеспечивают ему большой запас возможностей для его использования в перспективных разработках.

Достоинства и недостатки

Достоинства изделий на основе графена:

• Высокая степень электропроводности, сравнимая с тем же показателем для обычной меди;
• Почти идеальная оптическая чистота, благодаря которой он поглощает не более двух процентов видимого светового диапазона. Поэтому со стороны он кажется практически бесцветным и невидимым для наблюдателя;
• Механическая прочность, превосходящая алмаз;
• Гибкость, по показателю которой однослойный графен превосходит эластичную резину. Это его качество позволяет легко изменять форму плёнок и растягивать их при необходимости;
• Стойкость к внешним механическим воздействиям;
• Ни с чем несравнимая теплопроводность, по показателю которой он в десятки раз превосходит ту же медь.

Области применения

К недостаткам этого уникального углеродистого соединения относят:

1. Невозможность получения в достаточных для промышленного производства объёмах, а также достижения требуемых для обеспечения высокого качества физико-химических свойств. На практике удаётся получать лишь незначительные по габаритам листовые фрагменты графена;
2. Изделия промышленного изготовления чаще всего уступают по своим характеристикам образцам, полученным в исследовательских лабораториях. Достичь их с помощью рядовых промышленных технологий не удается;
3. Высокие нетрудовые затраты, существенно ограничивающие возможности его производства и практического применения.

Несмотря на все перечисленные сложности, исследователи не оставляют попыток освоения новых технологий производства графена.

В заключение следует констатировать, что перспективы у этого материала просто фантастические, поскольку он также может применяться при производстве современных ультратонких и гибких гаджетов. Кроме того, на его основе возможно создание современного медицинского оборудования и препаратов, позволяющих бороться с раком и другими распространёнными опухолевыми заболеваниями.

Видео