Тема доклада ГРАФЕН ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Тема доклада: ГРАФЕН: ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ Докладчик: д. ф. -м. н. , профессор Ы. Ташполотов

ГРАФЕН § Самой престижной в мире научной премии(Нобелевская), размер которой составляет в 2010 году около 1, 5 миллионов долларов удостоены русские учёные Андрей Гейм и Константин Новоселов за открытие графена - представляющего собой углеродную пленку толщиной в один атом.

Андрей Гейм и Константин Новоселов

Создатели графена § Гейм Андрей Константинович родился в 1958 году в СОЧИ в семье инженеров немецкого происхождения. Он в 1975 году оканчил СШ № 3 г. Гальчик. С 1972 по 1982 годы Гейм учился в МФТИ и окончил вуз с отличием. Работал в инститтуте ФТТ в Черноголовке. С 2001 года работает в Манчестерском университете директором нанотехнологического центра. § Константин Новоселов родился в Нижнем Тагиле в 1974 году. В 1992 году поступил в МФТИ. окончил с отличием факультет физической и квантовой электроники МФТИ по специальности «Наноэлектроника в 1997 г. После окончания 2 года работал в Черноголовке. В 1999 году переезжает в Нидерланды в Университет НЕЙМЕГЕНА, где становится аспирантом Андрея Гейм. В 2001 году переезжает в Манчестерский университет. В 2004 году защищает диссертацию на степень доктора философии в Манчестере.

ГРАФЕН § В 2004 г. Андрей Гейм и Константин Новоселеов § § получили двумерную форму углерода – ГРАФЕНА. До 2004 года были известны трехмерные – алмаз, графит , одномерные –нанотрубки и нульмерные – фуллерены, аллотропные формы углерода. В этой последовательности не хватало двумерной формы. Впервые термин «графен» был применен S. Mouras в 1987 году. Термин был введён для описания одиночных слоёв графита. Графеном называются строго одиночные графеновые плоскости. Две и более плоскостей образуют уже не «графен» , а «графит» .

ГРАФЕН § Таким образом, графен – двумерная § § аллотропная модификация углерода, материал толщиной в один атом. Более 70 лет назад Ландау и Пайрлсом было теоретически даказано, что двумерные кристаллы существовать не могут в силу их термодинамической неустойчивости. Однако в 2004 году А. Гейм и К. Новоселов доказали, что двумерный кристалл можно получить.

Углерод, графит, фуллерен, нанотрубки § В 1985 г. группой авторов (Крото, Хит, Керл и Смолли) было сделано открытие в химии углерода. При исследовании спектров паров графита, полученных при лазерном облучении его твердого образца, были обнаружены пики, соответствующие массам 720 и 840 а. е. , которые превалировали в спектрах. § Крото, Хит, Керл и Смолли определили, что пики соответствуют молекулам С 60 и С 70, и что молекула С 60 имеет сфероидальную структуру, напоминающую футбольный мяч. Так были открыты фуллерены. Термин «фуллерен» берет свое начало от имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, который применял такие структуры при конструировании куполов зданий. По этой причине молекулу С 60 часто называют бакминстерфуллереном. § В 1991 году, японский исследователь Иджима, занимаясь изучением осадка графита в электрической дуге, обнаружил полые цилиндрические углеродные образования нанометровых размеров получивших название

Графен, Графит, Нанотрубка, Фуллерен

Методы получения графена § Механические (расщепление) § Химические (графит обрабатывается кислотами, а потом расщепляется ультразвуком, методом взрыва и т. д. ) § Методы роста на различных подложках и методы термического разложения, т. эпитаксия и разложение.

Холодный способ производства графенов В. И. Петрика. § Суть этого способа заключается в том, что в межслоевые пространства слоистых углеродных соединений заселяются высоко реакционные химические соединения способные под внешним воздействием (фотохимическим, механическим, химическим и др. ) к взрывообразному разложению с последующим инициированием автокаталитического процесса распада соединения. § Углеродный материал, полученный способом холодной деструкции слоистых углеродных соединений преимущественно состоящий из графенов и обладающий высокой активностью к прессованию, получил название «Углеродная смесь высокой реакционной способности» , или сокращенно УСВР.

Холодный способ производства графенов В. И. Петрика.

Промышленное производство Графена § Графит, с заселенным в межслоевые пространства химическим соединением Сl 2 О 7, получил название ГСВР (графитовая смесь высокой реакционной способности). Реакция распада ГСВР не требует аппаратного обеспечения и может быть запущена в любых условиях.

ГРАФЕН

ГРАФЕН Графен обладает набором уникальных качеств: - Высокая прочночность(он в 200 раз крепче стали); - Самая высокая среди известных материалов подвижность электронов; - Графен обладает идеальным сочетанием электронных и тепловых характеристик ; - Обладает идеальными оптическими свойствами. § Эти качества делает его наиболее вероятным кандидатом на материал номер один в

Практическое применение графена Сейчас методом осаждения можно вырастить на любой поверхности любого размера графеновую пленку. § НАНОЭЛЕКТРОНИКА: 1. Создание высокоскоростных интегральных схем; 2. При создании прозрачных электродов для гибких жидкокристаллических дисплеев; 3. Для высокоскоростных устройств хранения информации; 4. При создании сверхбыстрых транзисторов для обеспечения связи на частоте радиоволн ; 4. В 2012 году Самсунг планирует выпустить мобильные телефоны с использованием графена. § ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: - В качестве водородозапасоющего вещества. § МАШИНОСТРОЕНИЕ, САМОЛЕТОСТРОЕНИЕ: - Создание композиционных материаловна основе графена для использования их создании спутников, самолетов и автомобилей. - Графен найдёт применение в теплоизоляционных материалах для упаковки микросхем и в прозрачных электродах в фотогальванических солнечных батареях.

Использование графена в качестве транзистора

Схематическое изображение графенового "молекулярного транзистора" (квантовая точка)

Достижения § Таким образом любые электронные компоненты можно получить модифицируя один единственный исходный материал – графен. Только представьте себе производство электроники будущего. Графеновая подложка; межкомпонентные соединения из отлично проводящего графена; всё остальное, включая все компоненты полупроводников – из химических модификаций того же графена. Очень заманчиво?

Достижения § Высокая температура – это глобальная проблема современных кремниевых электронных устройств, т. к. частоты их работы повышаются, а размеры – уменьшаются. § Исследователи из США полагают, что несколько слоев графена могут охлаждать крошечные электронные устройства гораздо лучше, чем используемые на сегодняшний день медные радиаторы (проводники тепла). Это предположение подтверждают более ранние работы, результаты которых показывают, что графен проводит тепло лучше любого из известных материалов (10 раз теплопроводность больше).

Достижения § Исследователи из Японии и Кореи смогли получить пленки графена, длина и ширина которых составляет десятки сантиметров, и внедрили их в прозрачные электроды сенсорных дисплеев. Новый подход позволил исследователям получить прямоугольный лист графена с диагональю 76 сантиметров. § Графен практически не пропускает через себя никакие другие вещества. Даже газообразный гелий не может просочиться сквозь графен, поэтому это вполне надежное покрытие. § Когда цепочка ДНК проходит через нанопору, могут быть идентифицированы составляющие ее нуклеотиды – буквы генетического кода.

Достижения § При облучении графена электромагнитными волнами он испускает излучение более высокой частоты и, таким образом, может работать как умножитель частоты. Такое преобразование частоты можно использовать для получения излучения в диапазоне частот, для которых не существует подходящих источников излучения. Одним из таких диапазонов является терагерцовый диапазон (от 100 ГГц до 1 -10 ТГц). § Флюорографен — это полностью фторированный графен – мономолекулярная пленка, которая по своим качествам (в том числе химической инертности и термической стабильности) во многом превосходит тефлон. Исследователи считают, что флюорографен может быть использован не только в качестве более тонкого и легкого заменителя тефлона, но и в области электроники (например, для создания новых типов светодиодных устройств).

Достижения § Пенографит примененяется для производства уплотнитеьных материалов на основе графитовых фольг. Поскольку углерод - высокотемпературный материал (его температура плавления превышает 3500°С), то пористая структура не релаксирует: при используемых энергетиками температурах и давлении с материалом ничего не происходит. И не только при высоких температурах, но и при низких, гелиевых. Уплотнительные материалы используются в автомобильной, нефтедобывающей и энергетической промышленностях. § Оксидная пленка графена может быть не менее полезна в технике, чем сам графен (одноатомный слой молекул углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку). Во-первых, она оптически прозрачна, т. е. может использоваться в тех местах, где необходимо обеспечить пропускание света, например, при конструировании солнечных батарей. Кроме того, электрические свойства оксидной пленки в зависимости от ее толщины могут быть «настроены» в диапазоне от полупроводящего состояния до полноценного проводника. Это открывает перед конструкторами действительно неисчерпаемые возможности.

Достижения § Ученые-физики из Калифорнийского университета в Риверсайде совершили важный прорыв в разработке так называемого «спинового компьютера» , который объединяет в себе логические элементы и энергонезависимую память. Благодаря новой технологии будущие компьютеры смогут избавиться от обязательной загрузки системы перед началом работы. Если выключить питание в таком «спиновом» компьютере, то он полностью сохранит текущее состояние до следующего включения. При этом «спиновый» компьютер окажется в том же состоянии, в котором вы его оставили на момент отключения питания. § Как надеются авторы изобретения, первые серийные устройства с комбинированной логикой и памятью на основе графена могут появиться уже в ближайшие 5 лет. Мобильные телефоны, компьютеры и другие электронные устройства смогут оставаться включенными постоянно.

Достижения § Добавление молекул кобальта к графеновым кольцам приводит к получению магнитного материала, который может обеспечить плотность записи данных на три порядка большую, чем нынешние технологии, при этом срок хранения данных превышает срок в 10 лет, который декларируется для большинства нынешних систем. В нынешнее время срок хранения данных определяется частотой перемагничивания магнитного материала, чем больше материал подвергался изменению состояния, тем больше вероятность того, что он совершенно спонтанно может изменить свое состояние. § Дополнительным плюсом этой технологии является то, что размеры одного зерна этого материала могут составлять около 0. 5 нм, что позволит существенно повысить значение плотности записи, одновременно гарантируя срок хранения данных, значительно превышающий 10 лет.

Достижения § Плоскость поляризации света может поворачиваться почти на 6 ° при прохождении им через пленку графена в магнитном поле. Это новое свойство графена стало неожиданным, потому что большие повороты плоскости поляризации обычно встречаются в значительно более массивных объектах. Ученые считают, что обнаруженное свойство графена может быть использовано в новых устройствах включения-выключения света с помощью электрических и магнитных полей.

Лауреаты Нобелевской премии по химии § НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ по химии 2010 года также § § присуждена за новый метод создания углеродной связи. Нобелевский комитет присудил премию Ричарду Хеку (Richard F. Heck), Ей-ичи Негиши (Ei-ichi Negishi) и Акира Сузуки (Akira Suzuki) «за применение реакций кросс-сочетания с использованием палладиевых катализаторов в органическом синтезе» . Реакциями кросс-сочетания называют такие органические реакции, в ходе которых химическая связь образуется между двумя атомами углерода, находящимися в составе разных молекул.

Графен Спасибо за внимание!