Transcript Νανοϋλικά που έχουν ως βάση τον άνθρακα: θεωρία και εφαρμογές

«Σεμινάριο Φυσικής»
Μπίκα Αικατερίνη
8.5.2012
ΣΕΜΦΕ-ΕΜΠ
Chemical Vapor Deposition,
Graphene Foam, SEM
1
2
3
Γραφίτης
Τα επίπεδα άνθρακα συγκρατούνται μεταξύ τους με ασθενείς
δυνάμεις Van der Waals
4
•Άτομα άνθρακα:
υβριδισμός
•σ και π δεσμοί
• σ δεσμοί στις 2D
5
6
Chemical vapor deposition (CVD) σε λεπτά φύλλα
μετάλλου
«Επιταξιακή» ανάπτυξη (epitaxial growth) πάνω
σε μονοκρύσταλλους –SiC
Oξείδωση- «απολέπιση» –αναγωγή (Oxidationexfoliation-reduction) σκόνης γραφίτη
«Unzipping» carbon nanotubes (CNTs)
7
Scanning Electron Microscopy
(SEM), επίπεδα γραφενίου
8
• Νεολιθική εποχή ~4000 BC: Στη σημερινή Βουλγαρία
και Ρουμανία χρησιμοποιούσαν γραφίτη για τη
διακόσμηση κεραμικών
• 1565 :ανακάλυψη μεγάλων ποσοτήτων γραφίτη
(Cumbria, England)
• 1946 : πρώτη θεωρητική ανάλυση γραφίτη από τον P.
R. Wallace
• Στρώσεις γραφίτη πάνω σε άλλα υλικά από το 1970
• 2004 : Οι Andre Geim και Κonstantin Novoselov
απομονώνουν στρώματα γραφενίου
2010: Βραβείο Nobel για Geim και Novoselov
CNTs SEM
9
Άρθρα για το Γραφένιο
Άρθρα του Andre Geim
10
Γραμμική σχέση
διασποράς:
«σχετικιστικά»
φαινομένα σε μησχετικιστικές ταχύτητες
Φορείς με μοναδικές
ιδιότητες (κινητικότητα,
ενεργός μάζα,
σκέδαση)
Εξαιρετικός
συνδυασμός μηχανικών
και θερμικών
ιδιοτήτων
Πληθώρα εφαρμογών
Επίπεδα γραφενίου, SEM Cross section highly reduced graphene oxide
Amin Salehi-Khojin et al., Advanced Materials 2011
11
•Φορείς
Σημείο Dirac
συμπεριφέρονται
σαν άμαζα
φερμιόνια Dirac, αλλά
με uf << c :
Ε(K) γραμμική
διασπορά
0
Σχετικιστική ενέργεια
12
ARPES: Angle Resolve Photoemission Spectroscopy
Eli Rotenburg et al., Berkeley Lab
13
1.Integer Quantum Hall Effect: παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου
και σε χαμηλές Τ η αγωγιμότητα Hall :
ν=1,2,3,… κβαντισμένο μέγεθος
2.Κlein Paradox: αν δυναμικό που εφαρμόζεται ~ eV τότε Τ≈1
3.Μέση ελεύθερη διαδρομή (mean free path) μερικά μm
• Βαλλιστική διάδοση φορέων
14
Graphene Nanoribbons (GNRs) με άκρα:
«unzpipping»
CNTs
Στη πραγματικότητα: τα άκρα είναι «μίγμα» armchair & zigzag
•Τραχύτητα/ανομοιομορφία  κρίσιμος παράγοντας
 θέλουμε έλεγχο
15
Ενεργειακό χάσμα (Eg)
νανολωρίδων
μεταβάλλεται σύμφωνα με:
Caterina Soldano et al., Centre d’Elaboration
de Matériaux et d’Etudes Structurales
Scanning Tunneling Microscope (STM) lithography
16
FET (Field- Effect Transistor)
Θέλουμε:
1. γρήγορη ανταπόκριση
2. ξεκάθαρο On/off
3.
μη-μηδενικό
4.Φορείς μεγάλη κινητικότητα, μ
Γιατί το γραφένιο;
1. μ~15000
2. Έυκολα ρυθμιζόμενο μέγεθος
γέφυρας
3. Υψηλή πυκνότητα ρεύματος
4. Μικρότερο
ΜΟSFET
(metal-oxidesemiconductor
FET)
17
Chinese Academy of Sciences, 2010
Frank Schwierz et al,Nature,2010
18
Σιδηρομαγνητισμός κατά
μήκος των άκρων
Όμως στο σύνολο:
Spin
Spin
1. Αντισιδηρομαγνητισμός
2.Μαγνητική ροπή=0
19
Electronics  q
Spintronics  s
•Son et al (2006):
Εξωτερικό
ηλεκτρικό μεδίο 
ημι-μεταλλικότητα
Μεταλλικές
καταστάσεις με S
+μονωτικές
καταστάσεις με S’
 Δυνατή η «χειραγώγιση» spin με ηλεκτρισμό
20
Οξείδιο του γραφενίου
Α. σκληρό, εύπλαστο,
διαφανές και μονωτικό
Β. πορώδες, εύθραυστο,
αδιαφανές, και μεταλλικό
R.Nair et al, Manchester
Εύπλαστο
Ηλεκτρονικές, οπτικές, και φωνονικές ιδιότητες
μπορούν να μεταβληθούν έντονα με παραμορφώσεις
Τάση  μεταβολή ενεργειακών ζωνών
21
Breaking strength ~ 40 N/m  πολύ μεγάλη
μηχανική αντοχή
Θερμική αγωγιμότητα (σε Θερμ.δωμ)
Θερμοκρασία τήξης;
Μετάβαση φάσης;
Εικόνα TEM από επίπεδα
γραφενίου που
διπλώθηκαν το ένα πάνω
στο άλλο ( Michael V. Lee
et al., International Center
for Materials
Nanoarchitectonics)
22
23
GBMs (Graphene Based Materials)
24
25
……!
26
1. O.V.Yazyev, Rep. Prog. Phys. 73 , 056501,(2010)
2. A. K. Geim ,Science 324, 1530 (2009)
3. A. H. Castro Neto et al.,Rev. Mod. Phys., 81,109,(2009)
4. Y.Sun et al., Energy Environ. Sci., 4, 1113 , (2011)
5. L.Tsetseris and T.Pandelides, Appl. Phys. Lett. 99, 143119 (2011)
6.Xiaolin Li et al., Science 319 ,122, (2008)
7. C.Soldano et al., Science Direct, 48, 2127 (2010)
8. Changyao Chen et al., , Columbia University, 10.6, 2009 .
9. Fengnian Xia et al., IBM Thomas J. Watson Research Center
10. Yasushi Iyechika,Sci. & Techn. Tr., 5,76, 2010
11. http://english.cas.cn/ST/BR/br_progress/201010/t20101009_59695.shtml
12. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/li2/
13. http://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/graphene-electronicsunzipped/0
14. http://www.nano.org.uk/news/1581/
27