12.6. Графен.

Графе́н (англ. graphene) —двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомовуглерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Графен можно представить как одну плоскостьграфита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5·10³Вт·м⁻¹·К⁻¹ соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Рис. 12. 14. а. Суспензия производных углерода; б. «скомканная» поверхность графена, метод отшелушивания; фрагменты графеновой плёнки.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) (рис. 12.14.). Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству. Всего известно более 7 способов получения графена.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе^[6] авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS₂, NbSe₂, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x. Структура подобная графену получена для кремния и названа силицен.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.

.

Рис. 12.15. Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку (слева), слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга (справа).

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек (рис.12.15.). Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Возможные области применения графена. Графеновый полевой транзистор, графеновыенаноленты. Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Возможно создание нового класса графеновойнаноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Для разработки стабильно работающих транзисторов необходимо решить проблемы существующего тока утечки и создание запрещённой зоны при рабочей температуре.

Графен может быть использован в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. NO₂. Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NH₃, CO, H₂O, NO₂ к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена.

Графена перспективен для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотныхаккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг).

Создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC). Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

На основе графена создана схема двумерного метаматериала, который может быть востребован в оптике и электронике.

Созданный опытный образец наноустройства из графеновой пленки, в которой искусственно созданы механические напряжения. Устройство действует как двухмерная линза для электронов. Сам по себе графен является превосходным проводником для электронов, которые, практически без сопротивления перемещаются вдоль его поверхности в любом направлении. Но механическое напряжение, вызывающее незначительные искажения кристаллической решетки графена, препятствуют движению электронов и искривляют их траекторию. Именно это свойство графена может использоваться для фокусировки потока электронов в невероятно тонкий пучок, точно так, как оптическая линза преломляет проходящий свет.

Для создания графеновой "электронной" линзы создали так называемый "ковер из деформированного графена". На подложку из карбида кремния содержащую периодические шестиугольные наноотверстия, нанесена обычная графеновая пленка, которая затем деформирована так, что она приняла форму шестиугольных отверстий. Изготовив несколько образцов таких линз, ученые обнаружили, что изменяя геометрию самой линзы, они могут управлять ее фокусным расстоянием.

Данная разработка, вероятно, найдет широкое применение в области быстродействующей электроники, где "напряженный" графен может выступать в качестве среды передачи, обеспечивающей информационный обмен между частями одной интегральной схемы. В отличие от обычных технологий, в которых электроны передвигаются по проводникам, которые не могут пересечься без замыкания, новый способ позволит реализовать теоретически бесконечное количество информационных каналов в одной и той же единице объема, или, правильнее, площади кристалла. Распространение электронов будет подобно распространению лучей света в вакууме сразу от нескольких источников, которые совершенно не мешают друг другу, несмотря на то, что они пересекаются друг с другом.

Рис. 12. 16. Электронная линза из деформированного графена.