Меню

Электропроводность графена по сравнению с медью

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Последние исследования опровергли теорию о том, что электропроводность идеальных графенов превышает электропроводность графенов с реальной структурой.

Электронные свойства графенов являются предметом пристального внимания со стороны исследователей, что связано в первую очередь с потенциальной возможностью использования этих объектов в качестве элемента наноэлектронных устройств и приборов.

До сих пор считалось, что электропроводность графена с идеальной структурой превышает соответствующий показатель для реальных графенов, обладающих структурными дефектами. Однако, это мнение опровергается результатами экспериментальных и теоретических исследований, выполненных большой группой ученых из разных стран (Швеция, Чехия, США), которым удалось обнаружить эффект роста электропроводности графенов в результате введения дефектов. (Работа опубликована в научном журнале Journal of Physics D: Applied Physics; Том 43, номер 4).

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Рис. 1. Поверхность графена с дефектами

Это открытие позволяет рассматривать возможность приготовления графенов с заданной электропроводностью, что может стать толчком к развитию наноэлектроники на их основе. В качестве объекта исследования использовали углеродные нанополоски (УНС), представляющие собой чешуйки графена с поперечным размером около 1 мкм, толщиной основания до 7 монослоев и толщиной свободного конца 2–3 графеновых слоя, возвышающиеся над поверхностью частицы нанографита, которая имела толщину около 20 нм. Подобные полоски удобны как для химической обработки, так и для электрических измерений, поскольку при этом не возникает проблем транспортировки образцов нанометрового размера.

Рис. 2. Зависимости электрического сопротивления от приложенного напряжения образца графена, обработанного кислотой, и контрольного образца.

Для введения дефектов полученные образцы в течение 3 ч обрабатывали в водном растворе HCl (35%) при температуре 90оС, после чего промывали в деионизованной воде в течение 10 ч, затем промывали деионизованной водой при комнатной температуре и просушивали в течение 3 мин при температуре 150оС. Контрольные образцы промывали только водой, без использования кислотного раствора.

Как видно из рисунка, введение дефектов сопровождается снижением электрического сопротивления графена в несколько десятков раз. Для объяснения этого результата авторы воспользовались моделью, согласно которой введение дефектов в графен сопровождается существенным увеличением концентрации носителей заряда, что обусловлено возникновением в электронной структуре графена примесных электронных уровней, связанных с наличием присоединенных групп. При этом рост концентрации носителей с увеличением числа дефектов с избытком компенсирует снижение их подвижности, обусловленное рассеянием электронов на примесных неоднородностях.

Источник

Открыт новый тип электропроводности

Международная группа физиков открыла секрет высокой проводимости графена. Оказалось, что уникальными свойствами материал обязан особому способу движения электронов. При частом столкновении под воздействием определенной температуры электроны объединяются и перемещаются, подобно жидкости. Новое физическое свойство получило название вязкой электропроводности.

Читайте «Хайтек» в

В большинстве металлов электропроводность ограничена из-за дефектов кристаллического строения — при прохождении через материал электроны откатываются в разные стороны, как бильярдные шары.

Благодаря своей двумерной структуре графен обладает большей проводимостью, чем медь. В таких высококачественных материалах, как графен, электроны способны перемещаться на микронные расстояния без рассеивания. Такой баллистический режим потока электронов как раз и обеспечивает высокую проводимость графена.

Группа ученых провела серию экспериментов в Национальном институте графена в Великобритании, чтобы понять, как именно ведут себя электроны. Оказалось, что способ их движения несколько отличается от известного ранее.

Гидропонная ферма выращивает 54 тонны томатов в неделю

Несколько экспериментов показали, что под воздействием определенной температуры электроны сталкиваются друг с другом так часто, что начинают двигаться единым потоком, подобно вязкой жидкости. Причем такое жидкостное коллективное движение как раз и обеспечивают графену высокую проводимость.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, не укладываются в традиционное понимание физики. Как пояснили ученые в пресс-релизе, любые столкновения и хаотичные движения обычно усиливают электрическое сопротивление. Но в случае с графеном столкновение электронов, напротив, заставляет их двигаться иначе, снижая сопротивление. Новое физическое явление ученые назвали вязкой электропроводностью.

Читайте также:  История древние люди медь

«Алгоритмам нельзя внушить представление о справедливости»

В начале года ученые из Кембриджского университета открыли у графена свойства сверхпроводимости. А в ноябре прошлого года ученые Университета Хьюстона придали свойства сверхпроводимости несверхпроводящим материалам.

Источник

Электропроводность графена по сравнению с медью

Общие сведения

Углерод – уникальный элемент периодической таблицы Менделеева. Он является составной частью бесчисленного множества неорганических соединений, а также главным компонентом в органических соединениях. Углерод может сам образовывать различные аллотропные формы: алмаз, графит, фуллерен, нанотрубка и др. (Рис.1.). Его исключительность определяется еще и тем, что все аллотропные формы имеют различные свойства. Самым интересным является графит, а точнее его составляющая – слой графита толщиной в один атом – графен.

Графен объединяет в себе целый ряд свойств. Этим он привлекает тысячи учёных по всему миру для исследований в разных областях (физика, химия, биология). Ни один материал на Земле, кроме графена, не может похвастаться одновременным сочетанием в себе высокой электропроводности, теплопроводности, прочности, гибкости, эластичности, химической устойчивости, высоким коэффициентом оптического поглощения. Однако всегда нужно помнить, что перечисленные свойства присущи именно идеальному однослойному графену. Когда графену приписывают превосходную сравнительную форму, говоря, что он «самый-самый», то имеют в виду, что не существует в мире материала такой же толщины (то есть в один атом или 3,35 Ангстрема) со сравнимыми свойствами. Это касается и других свойств этого материала. При проведении тех или иных экспериментов, подтверждающих особенность свойств, стоит учитывать «уникальность» графена, делая поправку на размер и масштаб.

Рис. 1. Структура углеродных материалов. (a) графен, (b) оксид графена (GO), (c) одностенные и многостенные углеродные нанотрубки, (d) углеродные квантовые точки и графеновые квантовые точки и (e) графитовый нитрид углерода. [1]

Электронные свойства

Активные исследования графена начались в 2004 году благодаря первым экспериментальным подтверждениям его выдающихся электронных свойств. Это стало основной причиной популяризации графена и возникновения повышенного интереса к нему. Графен имеет чрезвычайно высокую плотность электрического тока (в миллион раз больше, чем у меди) и рекордную подвижность носителей зарядов (в 1000 раз больше, чем у кремния).

Уникальность электронных свойств объясняется расположением атомов углерода в графене (Рис. 2.). Оно устроено таким образом, что позволяет его электронам свободно перемещаться с чрезвычайно высокой скоростью без значительной вероятности рассеяния, экономя драгоценную энергию, обычно теряемую в других проводниках. Атомы углерода имеют в общей сложности 6 электронов: 2 во внутренней оболочке и 4 во внешней оболочке. 4 электрона внешней оболочки в отдельном атоме углерода доступны для химической связи. В графене же каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, при этом 1 электрон остается свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости.

Кристаллы графена имеют два хорошо зарекомендовавших себя аллотропа: однослойный графен (SLG), где носители заряда напоминают релятивистские частицы Дирака, [3] и двухслойный графен (BLG), где электроны также обладают некоторыми свойствами, подобными дираковским, но имеют параболическую дисперсию.
Ученые обнаружили, что графен остается способным проводить электричество даже на пределе номинально нулевой концентрации носителей. Это связано с тем, что электроны не замедляются и не локализуются при движении. Они, перемещающиеся вокруг атомов углерода, взаимодействуют с периодическим потенциалом сотовой решетки графена, что приводит к появлению новых квазичастиц, потерявших свою массу или массу покоя (так называемые безмассовые фермионы Дирака ). Совместные исследования за последние 50 лет доказали, что в точке Дирака в графене электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу. Это происходит из-за того, что зависимость энергии и движения (спектр возбуждений) линейна для низких энергий около 6 отдельных углов зоны Бриллюэна.

В результате графен определяют как полупроводник с нулевой запрещенной зоной. Иногда его называют еще полуметаллом.

«Если говорить простым языком, то это означает, что в графене нет свободных носителей зарядов — электронов, как в металлах, поэтому его называют полупроводником, и на первый взгляд может показаться, что графен не проводит электричество, — уточняет руководитель компании Русграфен Максим Рыбин. — Но как только графен включают в электрическую цепь, то инжектируемые электроны в графен начинают двигаться по нему практически без сопротивления (запрещённой зоны, как в полупроводниках, в графене нет). Этот параметр называется подвижность носителей зарядов, и в графене этот параметр просто зашкаливает: он в 1000 раз больше, чем в кремнии, и при определённых условиях может равняться более 1000000 см 2 /В*с. Это означает, что быстродействие электронных устройств, таких как транзистор, можно увеличить в 1000 раз и ускорить обработку данных в современных компьютерах тоже в 1000 раз». За прорывные исследования именно в этой области дали Нобелевскую премию британским ученым.
В настоящий момент в мире нет конкурентов у графена по этим свойствам.

Читайте также:  Получение меди из cucl2

Не стоит путать рекордную подвижность зарядов в графене с электропроводностью в привычном понимании. Удельная проводимость, которая является главной характеристикой электропроводников, в графене невысокая и сопоставима с медью – 500 Ом имеет сопротивление квадрат 10 на 10 мм и толщиной один атом (0,335 нм), если переводить в удельное сопротивление, то это 1,675*10 -7 Ом*м (у меди 16,8*10 -7 Ом*м).

Рис. 2. Электронная структура однослойного графена. (а) Сотовая решетчатая структура графена, состоящая из двух атомов (А и В); (b) Представление зонной структуры графена; (c) Фононные спектры графена. (d) Схематическое представление зонной структуры с низкой энергией, демонстрирующей нулевой энергетический зазор в точке Дирака. «Синий» и «зеленый» уровни Ферми показывают p-и n-легирующие состояния [2].

Механические свойства

Графен выделяют в отдельный вид материала отчасти благодаря его выдающимся механическим свойствам. Они также позволяют ему брать на себя роль усиливающего компонента или агента в композитных материалах.

Разнообразие и высокий уровень механических свойств графена вызваны стабильностью sp²-связей, которые образуют гексагональную решетку и противостоят различным деформациям в плоскости. Благодаря sp²-гибридизации однослойный графен очень прочен, и ему требуется 48 000 кН · м · кг -1 удельной прочности. Именно это делает графен универсальной добавкой к легким полимерам и усилителем их механических свойств.

Когда ученые [4] впервые измерили механические свойства отдельно стоящего монослойного графена с помощью наноиндентирования в АСМ, установили, что графен, по их словам, «самый прочный из когда-либо измеренных материалов». Авторы использовали реакцию на смещение от графеновых мембран, чтобы получить как упругие свойства, так и разрушающее напряжение графена. Кривые силы и перемещения оказались нечувствительными к радиусу наконечника, в то время как сила разрушения в основном зависела от радиуса наконечника и не зависела от размера мембраны. Максимальное напряжение было получено с использованием уравнения: σm2D=FE2D4πR1/2где E 2D — упругая жесткость второго порядка, R — радиус острия, F — приложенная сила. Однако прочность на разрыв 55 Н · м -1 , рассчитанная по этому уравнению, не может считаться точной, поскольку эта модель игнорирует нелинейную упругость. После серии численного моделирования была установлена ​​связь между разрывной силой и упругой постоянной третьего порядка. Разрывная сила, полученная экспериментально и при моделировании, была практически идентична, а экспериментальное значение упругой жесткости второго порядка было равно E 2D = 340 ± 50 Н · м -1. . Это значение соответствует модулю Юнга E = 1,0 ± 0,1 ТПа, предполагая эффективную толщину 0,335 нм.

Еще одно выдающееся свойство графена — это его внутренняя сила. Благодаря плотности углеродных связей длиной 0,142 нм, графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных, с пределом прочности на растяжение 130000000000 паскалей (или 130 гигапаскалей).

Причина прочности графена заключается в особенностях его межатомных связей, поскольку углерод является самым легким из элементов, имеющих четыре валентных электрона. В графене 4-ый свободный электрон позволяет усиливать 3 основные связи в кристаллической решетке, в результате расстояние между соседними атомами становится ничтожно мало. Если сравнивать с алмазом, то в данном случае графен и его превосходит (0,14 нм против 0,15 нм соответственно).

Рис. 3. (a) Характерные кривые напряжения-деформации для нанокомпозитов PU/D-графена и (b) значения модуля Юнга для нанокомпозитов [5].

Читайте также:  Тайметское месторождение самородной меди

Оптические свойства

Способность графена поглощать довольно большое процентное количество падающего белого света также является уникальным и интересным свойством. Это определяется зонной структурой графена и взаимодействием между электромагнитным излучением и фермионами Дирака в листе графена. У графена отсутствует запрещенная зона, а энергия электронов линейно зависит от волнового вектора k, поэтому графен может поглощать свет с любой энергией кванта. Поскольку электроны в графене распространяются с большими скоростями, то их взаимодействие со светом описывается универсальной постоянной тонкой структуры α = е 2 /ћс ≈ 1/137. Коэффициент поглощения одного слоя графена равен πα ≈ 2,3%. Так, несколько лет назад было доказано, что количество поглощенного белого света основано на константе тонкой структуры, а не определяется спецификой материала. Добавление еще одного слоя графена увеличивает количество поглощаемого белого света примерно на значение 2,3%.

Благодаря этим впечатляющим характеристикам было установлено, что как только оптическая интенсивность достигает определенного порога (известного как флюенс насыщения), происходит насыщающееся поглощение (свет очень высокой интенсивности вызывает снижение поглощения).

«С одной стороны, графен практически прозрачен, так как поглощает всего лишь 2,3% падающего света, и его очень сложно увидеть глазом. Но, с другой стороны, этот материал толщиной меньше половины нанометра, а поглощает целых 2,3% падающего излучения – относительно его толщины — это огромная величина, и ни один материал не может похвастаться такими свойствами», — добавляет Максим Рыбин.

Рис. 4. Оптические свойства графена. Максимальное поглащение ультрофиолетовой длины волны [6].

Химические свойства

Графен — это чистый углерод. В нем каждая частица доступна для реакции смешения с разных сторон. Частицы на краях листа графена обладают уникальной химической реакционной способностью. В нем наиболее высокая доля краевых атомов. Примеси внутри листа графена увеличивают реакционную способность. В 2013 году группа физиков из Стэнфордского университета заявила, что графен с сингулярным слоем реагирует примерно в сто раз лучше, чем более толстые листы [6].
Несмотря на то что все атомы графена подвергаются воздействию окружающей среды, он является инертным материалом и не вступает в реакцию с другими атомами. Однако графен может «поглощать» различные атомы и молекулы, что может привести к изменению электронных свойств.

Графен также может быть функционализирован различными химическими группами, что приводит к получению разнообразных материалов, таких как оксид графена (при взаимодействии с кислородом и гелием) (Рис.5.) или фторированный графен (при взаимодействии с фтором получается фторографен), а модифицированние водородом графена называют графАном.

На сегодняшний день графен представляет собой уникальную тему для изучения в различных областях науки. Этим материал удивляет, восхищает своим набором свойств: он самый прочный, жесткий, тонкий, гибкий, а также самый электропроводный и теплопроводный. Он является уникальной непроницаемой мембраной, не пропускающей даже атомы гелия. Это лишь небольшой список характеристик и свойств графена, который вот уже второе десятилетие волнует, являясь одной из популярных тем для исследований в области физики.

Ответы на главные вопросы: «зачем нужен этот материал?» и «где он применяется?» можно будет получить на нашем сайте в разделе «Области применения графена».

[1] Nguyen, ; Nguyen, ; Nguyen, ; Le, ; Vo, ; Ly, ; Kim, ; Le, (2019). Recent Progress in Carbon-Based Buffer Layers for Polymer Solar Cells. Polymers, 11(11), 1858–. doi:10.3390/polym11111858

[2] Avouris P. Graphene: Electronic and photonic properties and devices. Nano Letters, 2010, 10(11): 4285–4294

[3] A. K. Geim, Science, 2009, 324, 1530–1534.

[4] C. Lee, X.D. Wei, J.W. Kysar, J. Hone Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene Science, 321 (5887) (2008), pp. 385-388.

[5] L. Yang, S.L. Phua, C.L. Toh, L. Zhang, H. Ling, M. Chang, D. Zhou, Y. Dong, X. Lu, Polydopamine-coated graphene as multifunctional nanofillers in polyurethane, RSC Adv. 3(18) (2013) 6377-6385.

[6] Naushad, Mu. (2019). A New Generation Material Graphene: Applications in Water Technology || Photocatalytic Degradation of Pharmaceuticals Using Graphene Based Materials. , 10.1007/978-3-319-75484-0(Chapter 7), 187–208. doi:10.1007/978-3-319-75484-0_7

Рис. 5. Идеализированная структура оксида графена.

Источник

Adblock
detector