МИОО МПГУ Учебно-научный центр функциональных и наноматериалов Методика

МИОО МПГУ Учебно-научный центр функциональных и наноматериалов Методика формирования представлений учащихся о нанотехнологиях в общеобразовательной школе

ЛЕКЦИЯ 2 -б ГРАФЕН GRAPHENE

Графен (graphene) представляет собой единичный слой графита, новый материал атомарной толщины. Слева на рисунке – структура графена, справа – фотография его образцов. Изображения с сайтов www. spiegel. de и grendel. ph. man. ac. uk

ГРАФЕН

Графен (АСМ)

Изолированная графеновая пленка Рисунок Янника Майера с сайта physicsworld. com

Было показано, что свободные плёнки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5— 10 нм и высотой 1 нм.

Сложная гексагональная решетка графена Жёлтым цветом выделена элементарная ячейка, красным и зелёным цветами обозначены узлы различных подрешёток кристалла. a 0 = 0, 246 нм

ИСТОРИЯ Теоретически графен исследовали значительно раньше экспериментального получения, так как он был базовой моделью для расчета свойств графита и углеродных нанотрубок.

ИСТОРИЯ Графен получен в 2004 г. , английской группой под руководством Андре Гейма (Andre Geim, университет Манчестера) и исследователями из группы К. Новоcелова (Россия, Черноголовка).

ИСТОРИЯ В 2004 году в журнале Science появилась статья о фиксации графена на подложке окисленного кремния. Стабилизация плёнки графена достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика Si. O 2. Впервые были измерены свойства графеновой пленки - проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла.

Андре Гейм, директор Центра мезоскопической физики при Манчестерском университете

Константин Новоселов

Из интервью К. Новоселова для Forbes Графит — очень слоистый материал, от него легко отщепляются тонкие пластины, но никто почему-то не задумывался, что можно снять ровно один атомный слой. Использовать скотч для разделения слоев материала — тоже не наша идея. Это стандартный способ подготовки гладких образцов графита для сканирующей туннельной микроскопии. Разница в том, что всех интересовал массив графита, у которого после такой операции образовывалась гладкая поверхность, а скотч и все что к нему прилипло, просто выбрасывали. За то что мы его подобрали и исследовали, нас назвали garbage scientists — мусорными учеными.

продолжение Графен — это самая тонкая материя, которую мы когда-либо получали или получим. Бесполезно пытаться строгать и пилить в попытках создать что-то еще тоньше — этот рекорд уже никогда не побить. Наверное, в этом и состоит одно из самых интересных качеств графена, о котором после открытия все как-то очень быстро забыли. Люди бросились изучать электронные и механические свойства графена, но для меня самым удивительным осталось то, что мы обладаем материалом, который не только абсолютно тонок, но и стабилен. Андрей Гейм научил меня часть рабочего времени обязательно уделять так называемым Friday evening experiments — пятничным экспериментам на скорую руку, которые то ли получатся, то ли нет. Сам Гейм, например, лягушку левитировал (за опыты по подвешиванию лягушки в магнитном поле Андрей Гейм получил в 2000 году вместе с сэром Майклом Виктором Берри «Игнобелевскую премию» , присуждаемую за открытия, которые «сначала заставляют смеяться, а потом задуматься» ). Графен тоже начался с такого пятничного эксперимента.

ИСТОРИЯ Метод «механического отшелушивания» является универсальным и позволяет получать другие двумерные кристаллы из слоистых структур типа графита: BN, Mo. S 2, Nb. Se 2, Bi 2 Sr 2 Ca. Cu 2 Ox. Получающиеся образцы моноатомной толщины имеют достаточно совершенную структуру; это ручной, пока не технологичный метод, но именно на таких образцах можно проводить эксперимент. Справа - графен в электронном микроскопе, длина масштабной линейки 2À.

Кусочки тонких слоёв графита, полученные в процессе отшелушивания, на поверхности липкой ленты.

Метод эпитаксиального роста При эпитаксиальном росте графена получается многослойный материал: вначале формируется переходный слой, сильно связанный с подложкой, только второй слой может рассматриваться как графен.

Метод интеркалирования графита

Химический метод получения графена из раствора (a) Схематическое изображение графита, расслаиваемого молекулами серной кислоты, внедренными в межплоскостное пространство. (b) Изображение интеркалированного графита с внедренными молекулами ГТБА (синие сферы). (с) Обработка графита, помещенного в химический раствор, ультразвуком для формирования графеновых листов. В сосуде показан раствор, в котором находятся графеновые листы после центрифугирования. (d) Изображение графеновых «чешуек» размером несколько сотен нанометров, полученное атомно-силовой микроскопией

Химический метод получения графена из раствора без интеркалянтов с применением органических растворителей

РОСТ НА ПОДЛОЖКЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки Si. C (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству)

СВОЙСТВА ГРАФЕНА Графен обладает уникальным сочетанием электрических, оптических, тепловых, механических свойств. Наиболее интересными для сегодняшней практики представляются электрофизические свойства графена, позволяющие рассматривать его как соперник кремния в микро- и наноэлектронике. Теоретические расчеты позволяют ожидать в совершенном графене огромную подвижность носителей. (В подвешенной пленке подвижность до 2× 106 см²·В− 1·c− 1)

Экономически важно, что интегральные схемы на графене можно производить с помощью уже существующего метода нанолитографии. При этом не нужны специальные провода между элементами схемы, что существенно уменьшает тепловые потери и потребление энергии.

Технология Предложен метод печати графеновых электрических схем (ранее этот метод использовался для печати тонкоплёночных транзисторов на основе нанотрубок и для органической электроники. ) с переносом всех элементов на прозрачную подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) предварительно нагретую выше температуры размягчения до 170°C, благодаря чему контакты, вдавливались в ПЭТФ, а графен приобретает хороший контакт с материалом подложки.

Графеновая электроника Особенно продвинулись в создании опытных образцов электроники IBM и HRL (близкие к оборонному заказу исследовательские лаборатории, которыми совместно владеют Boeing и General Motors). В конце 2010 года HRL получили грант на 50 -месячную программу графеновой электроники, которую координирует SPAWAR — инжиниринговый центр Военно-морского флота США.

Увеличение шумов при уменьшении размера прибора ( «правило Худжа» , Hooge's rule) В 2008 г. сотрудники IBM предложили использовать бислой графена для существенного уменьшения шума

Графен – будущее наноэлектроники Полученные Де Хиром конечные структуры имели размер около 10 нм и на них удалось наблюдать эффект квантовой интерференции. Эти работы с графеном активно поддерживает Intel. Фото Gary Meek/Georgia Tech

Одноэлектронный транзистор Новоселова Манчестерская группа физиков под руководством К. Новоселова сумела сделать на основе графена одноэлектронный транзистор. В центре фотографии можно различить "квантовый" островок. //K. Novoselov

Размерный эффект Впервые было показано, что расщепление уровней Ландау (энергетических уровней запертой за счет кулоновской блокады на острове заряженной частицы приложении магнитного поля) при уменьшении размеров квантового острова до 100 нм и ниже позволяет графеновому одноэлектронному транзистору работать уже при комнатной температуре. Этот результат принципиален для развития нанотехнологии графена

Возможности Перспективы применения графена в цифровой электронике специалисты считают пока неясными, т. к. у него небольшое соотношение токов включения-выключения. По мнению Андре Гейма, яснее будущее, связанное с применением графена в аналоговой электронике: в радиочастотных приборах, радарах, средствах телекоммуникации, средствах отображения информации

Гибкие электронные устройства Ученые из Южной Кореи получили на базе графена новый пленочный материал, пригодный для создания гибких электронных устройств наподобие Noka Morph (гибкие мобильники, дисплеи пр. ). Компания Samsung уже заявила о своем желании сотрудничать с командой разработчиков этого материала.

Теплопроводность графена Недавно в специальном эксперименте был измерен коэффициент теплопроводности графена, и он оказался равен 5300 Вт/(м К). Это рекордная большая величина: на 50% выше, чем коэффициент теплопроводности углеродных нанотрубок, и почти в 10 раз выше теплопроводности таких металлов, как алюминий и медь.

Теплопроводность графена В условиях постоянно уменьшающихся размеров электронных устройств огромное значение имеет хороший теплоотвод: перегрев схемы ухудшает ее параметры и может привести к выходу из строя. Графен является уникальным материалом, способным не только формировать электронные компоненты, но и эффективно отводить тепло

Механические свойства Прочность графена соответствует т. н. теоретической прочности бездефектного твердого тела и на настоящий день является рекордной. [Technology Review] Недостаточная термоустойчивость и механическая прочность материалов в настоящее время являются препятствием на пути создания сверхбыстрых микропроцессоров

Схема эксперимента Использовались частицы графена диаметром от 10 до 20 микрометров, помещенные на кристаллическую пластину, с отверстиями диаметром от одного до полутора микрометров. На графен давили алмазной иглой атомносилового микроскопа.

Мембрана из графена

Графеновая бумага Получена «графеновая бумага» , толщиной в 100 мкм, состоящая из нескольких слоев сшитых между собой листов оксида графена. Технология аналогична получению обычной целлюлозной бумаги. Ее электрические свойства можно регулировать. По словам специалистов в авиастроении, новые материалы на основе графена и другие графитосодержащие композиты приближают ученых к давней мечте — созданию самолетов и других механических устройств, которые бы на 100% состояли из углерода. Сейчас доля углеродосодержащих материалов в авиации достигает примерно 50%.

Изолированная графеновая пленка Можно создать свободную от контакта с подложкой плёнку, закреплённую с двух краёв, которая образует наноэлектромеханическую систему: высокочувствительный сенсор, изменение частоты механических колебаний которого предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда.

Нескомпенсированность связей позволяет использовать графен как чувствительный сенсор для обнаружения отдельных молекул (исследовались NH 3, CO, H 2 O, NO 2 на образце графена 1 мкм х 1 мкм). Принцип действия – молекулы выступают как доноры и акцепторы, изменяя сопротивление графена.

ГРАФАН В 2009 г. в журнале Science появилось сообщение, что в Манчестерском университете под руководством А. Гейма получен новый материал, который его создатели назвали графан (рисунок справа, голубым цветом обозначены атомы углерода, красным – водорода)

Свойства графана В отличие от графена (хорошего проводника) графан оказался диэлектриком, что может оказаться очень удобным для новых устройств электроники с сочетанием этих материалов.

«Игры» с графеном Из немагнитного графена «выбили» высокоэнергетичны ми протонами часть атомов углерода и заменили их атомами также немагнитного фтора. Материал приобрел магнитные свойства. Графен заключили между слоями нитрата бора ( «графеновый бигмак» ), что позволило изолировать графен для проведения экспериментов

КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА Топология графена (его двумерность) и нескомпенсированность связей приводит не только к количественной, но и к качественной необычности электрических свойств этого нанообъекта

Первая зона Бриллюэна и изоэнергетические линии в графене Вблизи точек соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости (K и K') закон дисперсии для носителей (электронов) в графене представляется в виде: E = ħ v. F k, где v. F – скорость Ферми. Поэтому электроны и дырки в точках K и K' обратной решетки графена обладают нулевой эффективной массой. Графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики

Статистика носителей Линейный закон дисперсии приводит к линейной зависимости плотности состояний от энергии, в отличие от обычных двумерных систем с параболическим законом дисперсии, где плотность состояний не зависит от энергии. Отсюда при нулевой энергии (при нулевой температуре) плотность состояний равна нулю, то есть носители отсутствуют

Экспериментальная проверка В магнитном поле возникает другая масса, связанная с движением электрона по замкнутым орбитам и называемая циклотронной массой – mc. Если принять во внимание линейный закон дисперсии для носителей в графене, то циклотронная масса должна быть пропорциональна корню квадратному от концентрации носителей. Эксперимент подтвердил такую зависимость, что стало доказательством линейности закона дисперсии в графене.

Измерение постоянной тонкой структуры В изящном и вместе с тем очень простом эксперименте А. Гейму с сотрудниками удалось измерить одну из фундаментальных мировых констант – постоянную тонкой структуры. Мембраны поглощали примерно 2, 3 процента проходящего сквозь них света Это значение, деленное на число π, равняется постоянной тонкой структуры.

Некоторые возможности Сергей Михайлов из University of Augsburg предсказал, что при облучении графена электромагнитными волнами он испускает излучение более высокой частоты и, таким образом, может работать как умножитель частоты. В частности, открывается возможность получения терагерцовых частот. Использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах). Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцовокислотных аккумуляторов.

Некоторые возможности Графен поглощает только 2% света, и в нем заинтересованы производители дисплеев и солнечных батарей, которым важно получить проводящий слой максимальной прозрачности и высокой проводимости. В Монреале на Nano. Tubes-2010 Samsung демонстрировал гибкие дисплеи с диагональю до 70 сантиметров, где один из проводящих электродов сделан из графена. Следует учесть истощение запасов используемого в настоящее время в этих целях индия.

Графен в биологии Графен 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.

Наноленты — узкие полоски графена с шириной порядка 10 -100 нм По своим физическим свойствам наноленты отличаются от более широких образцов, которые имеют линейный закон дисперсии (как в бесконечном графене). Наноленты интересны тем, что обладают нелинейным законом дисперсии и полупроводниковыми свойствами из-за наличия запрещённой зоны, которая зависит от ширины ленты и расположения атомов на границах. Графеновые наноленты благодаря этому рассматриваются как важный шаг в создании транзистора на основе графена, который будет работать при комнатной температуре. Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор

The Nobel Prize in Physics 2010 was awarded jointly to Andre Geim and Konstantin Novoselov "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"

Все это лишь начало… В 2011 году ученые из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно, удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные туманности в Магеллановых облаках)

Даши Намдаков «Стихия»

Полезные ссылки • http: //neotech. 3 dn. ru/publ/4 -1 -0 -4 • http: //nuclphys. sinp. msu. ru/nseminar/17. 05. 11. pdf • http: //www. 3 dnews. ru/offsyanka/Graphene -Myths-and-Reality • http: //science. compulenta. ru/457950/ (левитирующая лягушка)

КОНЕЦ 2 -б ЛЕКЦИИ