Удивительные свойства графена Нобелевская премия по физике 2010 г.

• • • • •

Андрей Гейм ( Andre Geim) (1958, Сочи, МФТИ, ИФТТ,ИПТМ) Константин Новоселов(Konstantin Novoselov) (1974,Нижний Тагил, МФТИ, ИПТМ) University of Manchester «Прорывные» эксперименты в двумерном материале графене "groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene."

Аллотропные модификации

Алмаз, графит, графен, фуллерены, углеродные нанотрубки Карбин С-С-С-С (СССР, 60 гг.) Лонсдейлит (гексагональный алмаз 1967, США)

Кристаллическая структура графена

Решетка типа «пчелиные соты» может рассматриваться как совокупность двух простых треугольных решеток Бравэ, образованных атомами А и В

Получение графена расщеплением

Изображение в оптическом микроскопе Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными».

Кусочки графена получают при механическом воздействии на графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и отщепляют раз за разом создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм).

«Эпитаксиальный» графен

Графеновые слои растут на гексагональных 4H-SiC и 6H-SiC слоях при нагревании до 1300 С в сверхвысоком вакууме

Необычные свойства электронов в кристаллах

1. Импульс электронов в кристалле не сохраняется, но из-за периодичности кристалла сохраняется аналогичная величина, которую называют квазиимпульсом. 2. Зависимость энергии электрона от квазиимпульса называют законом дисперсии.

Эта зависимость у электрона в кристалле иная нежели для свободного электрона поэтому многие ( но не все) свойства электрона в кристалле отличаются от свойств свободного электрона. 3. Энергии электронов в кристалле могут лежать в определенных интервалах, которые называются энергетическими зонами. Они произошли от атомных уровней.

4. Самая верхняя полностью заполненная электронами зона называется валентной зоной.

5. Самая нижняя незаполненная зона называется зоной проводимости.

Зонная структура графена

Зависимость энергии от волнового вектора электрона в графене. Верхняя поверхность – зона проводимости, нижняя – валентная зона Зона Бриллюэна графена P.R.Wallace, 1947, Канада Вблизи K –точки закон дисперсии имеет вид  (p)= ±v 0 p, v 0  10 8 см/с. Для двухслойного графена закон дисперсии  (p)= ±[  1 /2+  (  1 /2) 2 +(v 0 p) 2 ]

Свойства графена

•Ультра тонкий, механически очень прочный, прозрачный, гибкий и электропроводящий материал.

•Плотность– 0.77 мг/м 2 . Гамак из графена площадью 1 м 2 весил бы 77 мг.

• Практически прозрачен и потому не имеет цвета.

• Обладает прочностью на разрыв 42 Н/м, в 100 раз прочнее стали такой же толщины. Упомянутый гамак выдержал бы 4 кг и был бы при этом невидимым. Весил бы гамак как один ус кошки.

• Сопротивление гамака составило бы 31 Ом. Проводимость графена выше проводимости меди!

• Теплопроводность графена в 10 раз выше, чем у меди.

•Доля поглощенного света в широком интервале не зависит от длины волны

Сенсорные экраны, микроэлектроника Композитные материалы Планшетные компьютеры Солнечные элементы

Возможные применения графена

•Транзистор на графене предсказывается значительно более высокочастотным, чем на кремнии. Такие транзисторы востребованы, например. в приемниках и передатчиках для мобильной связи.

• Компьютерные чипы станут более быстрыми, с меньшим потреблением энергии.

•Мониторы для компьютеров могут быть тонкими как бумага и сворачиваться в рулон.

•Графен поглощает только 2% света, и в нем заинтересованы производители дисплеев и солнечных батарей, которым важно получить проводящий слой максимальной прозрачности. •Пластмасса начинает проводить ток, если содержит более 1% графена.

• Уже используется в микробиологии и биохимии как подложка для электронной микроскопии белков, которая обладает сразу несколькими ценными качествами: слабо поглощает электроны, проводит электрический ток и не искажает форму белковой молекулы.

•Токопроводящая краска, «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.

Часы, календари Гибкие световые панели Мобильные телефоны Электронные платежи

Графеновый полевой транзистор ЦЕЛИ:

Графеновый полевой транзистор

, который использует электрическое поле, создаваемое затвором для управления проводимостью канала. Предполагается, что хорошая проводимость графена поможет создать транзисторы с высокой подвижностью носителей и по этому показателю превзойти подвижность в полевых транзисторах на основе кремниевых технологий.

Многослойный графен

Расположение атомов в двухслойном графене Расположение атомов в двух слоях многослойной структуры, выращенной на (000-1)SiC (C грань) Расчет энергии в однослойном (точки), двухслойном (пунктир) и «сложенном» графене (линия) из PRL, 100,125504(2008)

Графеновый лазер

F Схема работы лазера на графене при оптическом возбуждении

«Хоть я и говорю, что графен — самый тонкий материал во вселенной, нет препятствий к тому, чтобы сделать подобные тонкие материалы из других атомов. Их свойства также абсолютно не изучены, можно быть уверенным только в том, что они интересны…» К.Новоселов, лауреат Нобелевской премии

Кремниевый аналог графена силицен

а)

Изображение параллельных силиценовых полосок, выращенных при комнатной температуре на серебряной подложке размером 6,2 × 6,2 нм.

b)

изображение решетки силиценовых полосок с шагом приблизительно 2 нм. Размер изображения 22 × 20 нм. Все картинки получены с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Рис. из статьи A. Kara, C. Léandri, M. E.

Dávila, P. de Padova, B. Ealet, H. Oughaddou, B. Aufray, G. Le Lay (2008)