Transcript Γραφένιο

Σεμινάριο
Φυσικής 2011:
Γραφένιο
Ονοματεπώνυμο: Μαδέσης Ιωάννης
Υπ.Καθηγητής:
κ.Π.Πίσσης
Άξονες Παρουσίασης
• Εισαγωγικά στοιχεία Γραφένιου
• Βασικές του ιδιότητες
• Μέθοδοι Παρασκευής
• Εφαρμογές
Βασικά Ιστορικά Στοιχεία
• Η πρώτη επίσημη παρατήρησή του συνάδει με την
κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ
• Μέχρι το 1990, είχαν καταφέρει να δημιουργήσουν
διαφανή δείγματα, μέσω τριβής του γραφίτη.
• Η πρώτη επιτυχημένη απομόνωση έγινε με τη
χρήση κολλητικής ταινίας το 2004 από τους Geim
και Novoselov.
Άνθρακας
• Έχει ατομικό αριθμό 6
• Είναι 4-σθενές άτομο
• Συναντάται σε διάφορες μορφές, με
ποικίλα χαρακτηριστικά.
Διαμάντι:
• Σκληρό
• Μονωτής
• Διαφανές
• Καλός αγωγός
θερμότητας
Γραφίτης
• Μαλακός
• Αγωγός
• Αδιαφανές
• Θερμομονωτικό υλικο.
sp2
Υβριδικό Τροχιακό
Γραφένιο
• Αποτελεί μια μορφή διασύνδεσης ατόμων άνθρακα.
• Τα άτομα, με τη χρήση δεσμών sp2 σχηματίζουν ένα
επίπεδο εξαγωνικό πλέγμα (HoneyComb)
Ενδιαφέρον χαρακτηριστικό του γραφενίου
είναι το πώς μπορεί να θεωρηθεί δομικό
υλικό για πολύπλοκες μορφές άνθρακα
όπως Φουλερένια, Νανοσωλήνες ή και το
Γραφίτη.
Βασικές Ιδιότητες του Γραφενίου
• Μηχανικές
• Θερμικές
• Ηλεκτρονικές
– Δομή
– Κινητικότητα
– Σπιν
Μηχανικές ιδιότητες
• Σαν υλικό η πυκνότητά του
ξεπερνάει το 1g/cm3.
• Μετρήσεις με AFM έδωσαν
σταθερα ελατηρίου στο πεδίο
1-5 Ν/m.
• Το Μέτρο Ελαστικότητας του
Young υπολογίζεται στο
0,5TPa.
• Σημείο θραύσης στα 130GPa,
με το διαμάντι να βρίσκεται
στα 2,8GPa, και τα CNT, στα
11-63GPa.
Θερμικές Ιδιότητες
• Η θερμική του αγωγιμότητα κυμαίνεται μεταξύ των (4,84±0,44) ×103
μέχρι (5,30±0,48) ×103 Wm−1K−1, η οποία είναι διπλάσια από του
διαμαντιού, και μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από το χαλκό.
• Είναι μεγαλύτερη από όλα τις δομές άνθρακα
• Βασίζεται ως επί το πλείστον στη φωνονική διέγερση
Ηλεκτρονικές Ιδιότητες
•
Για τη καλύτερη κατανόηση των
ηλεκτρονικών ιδιοτήτων, αρκεί
να ρίξουμε μια ματιά στη δομή
των ζωνών του Γραφένιου.
•
Το σημαντικό σκέλος είναι
τα σημεία Κ, Κ’.
• Η παραπάνω μορφή των ενεργειακών ζωνών μας
οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το γραφένιο είναι
ημιαγωγός μηδενικού χάσματος.
• Αναλόγως τη μορφή που
στην οποία το μελετάμε,
εμφανίζει είτε μεταλλικές
ιδιότητες….
…ή μπορεί να «κυμαίνεται»
μεταξύ μεταλλικής και
ημιαγώγιμης συμπεριφοράς.
Πρόσφατα πειράματα έδειξαν ότι με εφαρμογή
μαγνητικού πεδίου σε «διπλό» γραφένιο μπορούν να
οδηγήσουν σε ρυθμιζόμενο ενεργειακό χάσμα ζωνών.
Έτσι, είναι δυνατή η κατασκευή διόδου, με
θερμοκρασία λειτουργίας, τη θερμοκρασία δωματίου
Spin
• Η βασική ιδιότητα που
εμφανίζει το γραφένιο είναι η
μικρή αλληλεπίδραση του
spin με τη τροχιακή
στροφορμή.
• Επίσης ο άνθρακας έχει
χαμηλή μαγνητική ροπή.
• Όλα τα παραπάνω
συντελούνε σε συνεκτικό
spin με μεγάλο μήκος
κύματος.
Τρόποι Παρασκευής Γραφένιου
Οι κυριότεροι μέθοδοι παραγωγής γραφενίου
συνοψίζονται στους:
1. Χημική αναγωγή του οξειδίου του γραφίτη
2. Μηχανική αποφλοίωση
3. Κρυσταλλική ανάπτυξη σε Καρβίδιο του Πυριτίου
4. Κρυσταλλική ανάπτυξη σε μεταλλικό υπόστρωμα
5. Τομή νανοσωλήνων
Χημική αναγωγη του οξειδίου του γραφίτη.
1.
2.
3.
4.
5.
Αποτελεί την παλαιότερη μέθοδο
παραγωγής γραφένιου
Αρχικά προκαλούμε οξείδωση σε
γραφίτη με τη χρήση θειικού οξέος, ή
διάλυμα οξέος καλίου.
Τα επίπεδα γραφένιου που
απαρτίζουν το γραφίτη αυξάνουν τις
μεταξύ τους αποστάσεις κατά ένα
παράγοντα 2 με 3.
Πλέον είναι δυνατή η εισαγωγή
πολικών υγρών τα οποία αυξάνουν τις
αποστάσεις των επιπέδων σε βαθμό
διάλυσης.
Τελικό στάδιο είναι η χρήση
«Ενυδατωμένης Υδραζίνης»
(H2NNH2.H2O, Hydrazine hydrate), η
οποία οδηγεί στις «νιφάδες»
γραφένιου.
Στάδιο
διαδικασίας
Αποστάσεις
επιπέδων (Å)
Άνυδρο Οξείδιο
του Γραφίτη
6,35
Ο.Γ. σε αέρα με
50% σχετική
υγρασία
7,7
Ο.Γ. σε αέρα με
100% σχετική
υγρασία
11,6
Ο.Γ. σε νερό
11,6
Ο.Γ. σε 2 Μ
NaOH
11,2
Ο.Γ. σε 0.05 Μ
NaOH
12,4
Ο.Γ. σε 0.01 Μ
NaOH
∞
Γραφίτης
3,354
Μηχανική Αποφλοίωση
• Είναι γνωστή και ως «Scotch Tape Exfoliation»
• Πρωτοεφαρμόστηκε το 2004
• Βασίζεται στη σταδιακή διχοτόμηση δείγματος HOPG
(Highly Oriented Pyrolytic Graphite).
• Στη συνέχεια βυθίζεται η ταινία σε ακετόνη, με σκοπό να
διαλυθεί η ταινία.
• Στο τέλος εναποθέτουμε τα κομμάτια του γραφένιου
πάνω σε πυρίτιο.
• Πλέον χρησιμοποιείται η «Στεγνή Εναπόθεση» (Dry
Deposition), έτσι ώστε να προσπερνάται το στάδιο
βύθισης του υλικού σε διάλυμα.
Κρυσταλλική ανάπτυξη σε Καρβίδιο του
Πυριτίου
• Σε αυτή τη μέθοδο, χρειαζόμαστε ένα
υπόστρωμα από Καρβίδιο του Πυριτίου
(SiC).
• Θέτoντάς το σε θερμοκρασία μεγαλύτερη
των 1000οC το υλικό μέσω της διαδικασίας
γνωστή ως «γραφίτοποίηση» (graphitization,
ανάγεται σε γραφένιο.
• Αποτελεί ιδιαίτερα προσφιλή διαδικασία,
καθώς αφενός το πολυεπίπεδο γραφένιο
που σχηματίζεται έχει ιδιότητες του
μονοεπίπεδου. Αφετέρου, είναι μια
διαδικασία η οποία επιτυγχάνεται με
συνήθεις μεθόδους μικροηλεκτρονικής.
• Το 2008 επιτεύχθηκε η κατασκευή chip με
μερικές 100δες transistor
Κρυσταλλική ανάπτυξη σε μεταλλικό
υπόστρωμα
• Σε αυτή τη μέθοδο εκμεταλλευόμαστε τη κρυσταλλική δομή
μετάλλων όπως Ρουθίνιο, Ιρίδιο και Λευκόχρυσος.
• Το εκάστοτε υπόστρωμα υπόκειται σε λείανση της τάξης των nm.
• Καθαρίζεται με χρήση υπέρηχων
• Στη συνέχεια τοποθετείται σε θάλαμο υψηλού κενού, στον οποίο θα
ακτινοβοληθεί με Αργό.
• Η διαδικασία ολοκληρώνεται με τη θερμική αποσύνθεση αιθυλένιου.
• Βασικά μειονεκτήματα είναι η εξάρτηση από το υπόστρωμα καθώς
και η ανάγκη για μεταφορά του γραφένιου καθαυτού.
Τομή Νανοσωλήνων
• Επιτυγχάνεται είτε με τη χρήση θειικού οξέος(Η2SO4 ) είτε με τη
χρήση του Υπερμαγγανικού Καλίουα(KMnO4)
• Εναλλακτικά είναι δυνατό μέσω εγχάραξης πλάσματος σε
Νανοσωλήνες άνθρακα που είναι ενσωματωμένοι σε πολυμερές.
Εφαρμογές Γραφενίου
1. Ενίσχυση Πολυμερών.
2. Αισθητήρες.
3. Μικροτσίπ:
• Transistor.
• Spintronics.
4. Οθόνες Αφής.
5. Heatpipes
6. Hydrogen Storage.
7. Solar Panels.
8. P-doped Graphane – SuperConductor.
Ενίσχυση Πολυμερών
• Κατά την έγχυση γραφένιου
σε πολυμερή έχουμε τα ίδια
πλεονεκτήματα με τους
νανοσωλήνες άνθρακα.
• Αυξάνεται η αντοχή του
υλικού, η αγωγιμότητα και η
αντοχή σε υψηλές
θερμοκρασίες.
• Δεν υπάρχουν τα
μειονεκτήματα των
νανοσωλήνων.
Αισθητήρες
• Υψηλή ευαισθησία η οποία βασίζεται στη φύση του
Γραφένιου.
• Έχει επιτευχθεί η απόλυτη ευαισθησία, με τον
εντοπισμό ενός μόνο ατόμου.
• Υπάρχει έρευνα που συνδυάζει DNA με γραφένιο.
Transistors
• Λόγο του μηδενικού
ενεργειακού χάσματος, οι
πρώτες εφαρμογές αφορούν
αναλογική ενίσχυση.
• Συγκριτικά με τα αντίστοιχα
transistor πυριτίου, τα
ισοδύναμα από γραφένιο,
έχουν τετραπλάσια ταχύτητα.
• Σύμφωνα με πρόσφατη
ανακοίνωση (8/4/2011) η ΙΒΜ
κατασκεύασε transistor
γραφενίου με συχνότητα
155Ghz και μέγεθος 40nm, με
το όριο του πυριτίου να είναι
στα 40Ghz και μέγεθος 240nm.
Spintronics
• Αποτελεί νέο κλάδο ηλεκτρονικής, και βασίζεται όχι
στο φορτίο των φορέων, αλλά στη διεύθυνση του spin
τους.
• Οι πρώτες εφαρμογές είναι οι MRAM -
Magnetoresistive Random Access Memory.
• To γραφένιο, δεδομένων των ιδιοτήτων που
προαναφέραμε είναι ένα πολλά υποσχόμενο
υλικό.
Οθόνες Αφής
• Το γραφένιο είναι κατά βάση οπτικά διαπερατό.
• Η αυξημένη μηχανική του αντοχή δίνει το περιθώριο
για τη κατασκευή ευέλικτων οθόνων αφής.
• Η μεγαλύτερη κατασκευή είναι σε οθόνη 63εκ. από τη
Samsung και το πανεπιστήμιο Sungkyunkwan.
• Σε συνδυασμό με την OLED τεχνολογία, μπορούμε να
έχουμε εύκαμπτες οθόνες αφής.
Heatpipes
• Η αυξημένη θερμική απαγωγή του γραφενίου είναι
από τις βασικές του ιδιότητες.
• Με τη χρήση του, επιτυγχάνεται η απαγωγή
θερμότητας από νανοκυκλώματα.
Στηλωμένο Γραφένιο
• Η εφαρμοσμένη τεχνική που περιλαμβάνει άνθρακα είναι οι CNT’s.
• Δεν καλύπτει την ανάγκη όμως για μεταφορά, καθώς δεν μπορούν
να μεταφέρουν επαρκή ποσότητα. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες δεν
μπορούν να θεωρηθούν «φορητές»
• Η αναζήτηση για μεταφορά υδρογόνου, είχε ως αποτέλεσμα τη
μοντελοποίηση του «pillared graphene»
• Σαν ιδέα ξεκίνησε από το Τμήμα Χημείας στο
Πανεπιστήμιο της Κρήτης.
• Είναι μια δομή που ενισχυμένη με λίθιο ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ μπορεί να
μεταφέρει 41gr/l Η2, με τα «διεθνή» στάνταρ να είναι στα 45gr/l.
Solar Panels
• Στο τομέα απόδοσης υστερούνε σε σχέση με τα παραδοσιακά
φωτοβολταϊκά, με τα παραδοσιακά να έχουν 10πλάσια απόδοση.
• Στα βασικά πλεονεκτήματα έχουμε
– Φτηνό υλικό σε σχέση με το ΙΤΟ που χρησιμοποιείται
– Εύκαμπτο και ελαφρύτερο
– Οπτικά διαπερατό.Απορροφα το πα ≈ 2.3% του λευκού φωτός.
P-doped Graphane
• Graphane είναι ουσιαστικά
γραφένιο το οποίο φέρει
άτομα υδρογόνου με
δεσμούς sp3.
• Μελέτη Πρώτων Αρχών,
οδηγεί στο συμπέρασμα
ότι η έγχυση p-φορέων σε
graphane μπορεί να
οδηγήσει σε υπεραγώγιμο
υλικό με θερμοκρασία
λειτουργίας στους 90Κ.
Σας ευχαριστώ!
Βιβλιογραφία
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
David J Appelhans, Lincoln D. Carr and Mark T. Lusk - Embedded ribbons of graphene
allotropes:Αn extended defect perspective.
D. W. Boukhvalov and M I Katsnelson - A new route towards uniformly functionalized
single-layer graphene.
J.-C. Charlier, .. C. Eklund J. Zhu, A. C. Ferrari - Electron and Phonon Properties of
Graphene.Their Relationship with Carbon Nanotubes.
Deepak K. Pandey, Gyan Prakash, and Suprem R. Das - Graphene Based Sensor
Development.
Megumi OHISHI, Masashi SHIRAISHI, Ryo NOUCHI, Takayuki NOZAKI, Teruya SHINJO,
and Yoshishige SUZUKI - Spin Injection into a Graphene Thin Film at Room Temperature.
Y. H. Wu,a T. Yu, and Z. X. Shen - Two-dimensional carbon nanostructures: Fundamental
properties,synthesis, characterization, and potential applications.
R K Goyal1, S D Samant, A K Thakar and A Kadam - Electrical properties of
polymer/expanded graphite nanocomposites with low percolation.
S H M Jafri, K Carva, E Widenkvist, T Blom, B Sanyal, J Fransson,O Eriksson, U
Jansson4, H Grennberg - Conductivity engineering of graphene by defect formation
Pei-Lan Hsu - Choosing a Gate Dielectric for Graphene Based Transistors
Hyunwoo Kim, Ahmed A. Abdala and Christopher W. Macosko - Graphene/Polymer
Nanocomposites
Βιβλιογραφία
•
•
•
•
•
•
Regis Y N Gengler, Konstantinos Spyrou and Petra Rudolf - A roadmap to high quality
chemically prepared graphene.
Min Gao, Yi Pan,1 Chendong Zhang, Hao Hu, Rong Yang, Hongliang Lu,Jinming Cai,
Shixuan Du, Feng Liu and H.-J. Gao - Tunable interfacial properties of epitaxial graphene
on metal substrate.
Meihua Jin, Hae-Kyung Jeong, Tae-Hyung Kim1, Kang Pyo So,
Yan Cui1, Woo Jong Yu, Eun Ju Ra and Young Hee Lee - Synthesis and systematic
characterization of functionalized graphene sheets generated by thermal exfoliation at low
temperature.
www.youtube.com
http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene