Графен (G) представляет революционный материал, который открывает широкие перспективы. Это самый электропроводящий, легкий и прочный вариант углеродного соединения. G — был открыт Андреем Геймом и Константином Новоселовым.

Ученые предполагают, что он может стать превосходной заменой кремнию, в особенности в полупроводниковой промышленности. Неслучайно его называют «материалом будущего». Несмотря на «молодость» графена, исследователи находят все новые свойства графена, которые открывают перед человечеством невероятное окно возможностей.

G — представляет двумерную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, а его толщина составляет всего один атом.

При этом материал обладает уникальными свойствами:

Рекордно большая теплопроводность.

Большая механическая жесткость, он прочнее стали в сотни раз.

Высокая гибкость.

Большая электропроводимость.

Его температура плавления находится выше 3000 градусов.

Непроницаемость для большинства газов и жидкостей.

Прозрачность.

Данный материал состоит из мягкого слоистого материала, используемого в грифелях. Однако графен, в отличие от графита, имеет иную структуру. Так же, как графит и алмаз являются формами углерода, они существенно кардинально отличаются по прочности. Так и графен очень твердый в виду того, что его атомы имеют гексагональное расположение.

Способы получения:

Химическое перофазное охлаждение, то есть CVD-процесс.

Эпитаксиальный рост в вакууме.

Механическая эксфолиация.

Рис 1. - Создание графена при помощи механической эксфолиации.

При применении метода эпитаксиального роста:

Используют тонкие кремниевые пластины, у которых поверхностный слой состоит из карбида кремния.

Затем данный материал нагревают при весьма высокой температуре, достигающей 1000 К.

Вследствие химической реакции осуществляется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остается лишь чистый G.

Среди минусов можно отметить необходимость применения высоких температур, при которых обеспечивается сгорание атомов углерода.

Среди методов, которые могут быть использованы, можно выделить три класса, получаемого графена:

Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который применяется для проводящих красок, композитных материалов и так далее.

Плоский G, применяемый для создания высокопроизводительных электронных устройств.

Плоский G, применяемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.

Свойства конкретного класса графена, а значит и функционал приложений, где можно его задействовать, очень сильно зависят от качества подложки, материала, типа дефектов и тому подобное. А это в первую очередь определяется методом производства.

Графен в зависимости от метода производства сегодня применяется в следующих направлениях:

При механическом отслаивании графен применяется для исследований.

При химическом отслаивании G применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев.

При химическом отслаивании через оксид графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев.

При методе CVD G применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев.

При методе SiC G применяется для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и иных устройств.

На текущий момент изучаются и другие сферы применения графена:

В альтернативной электронике:

— наноплазмоника и оптоэлектроника;

— спинтроника;

— баллистическая электроника.

В химическом применении:

— газовые сенсоры;

— хранение водорода.

G — как конструкционный материал:

— композитные материалы;

— графеновые мембраны.

G — как проводник:

— холодные катоды;

— суперконденсаторы и электрические батареи;

— квантовые точки;

— НЭМС (наноэлектромеханические системы);

— прозрачные покрытия и проводящие электроды.

К достоинствам графена можно отнести следующее:

Высокая электропроводность. G — может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.

Отличная оптическая чистота. G — может поглощать только чуть более двух процентов видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.

Высокая механическая прочность. G — по прочности превосходит алмаз.

Гибкость. G — является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.

Способность противостоять внешним воздействиям.

Рекордная теплопроводность. G — по данному показателю превосходит медь в десять раз.

К недостаткам графена можно отнести следующее:

На данный момент трудно получать G большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.

Промышленный G по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удается, несмотря на совершенствование технологий.

Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.

Перспективы:

Графеновые транзисторы могут стать заменой традиционным кремниевым, обеспечив невероятный прорыв в вычислительных мощностях на десятки лет вперед.

G — способен решить проблему фото- и видеооборудования, она заключается в невысоком качестве съемки при недостаточном освещении. Датчики на основе графена способны увеличить чувствительность сенсоров в сотни раз.

Победа над раком. Оксид графена убивает стволовые клетки, которые запрограммированы на преобразование в раковую опухоль. Он уменьшает размер опухоли, предотвращая ее дальнейший рост.

Литература

1)Графен: свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологии и нанокомпозитах [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://cyberleninka.ru/article/n/grafen-svoystva-poluchenie-perspektivy-primeneniya-v-nanotehnologii-i-nanokompozitah – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 30.11.2020);

2) Графен и мировая техническая революция [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://naked-science.ru/article/interview/grafen-i-mirovaya-tehnicheskaya-revolyuciya – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 30.11.2020);

3) Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/grafen/ – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 30.11.2020).

 

Код для цитирования: Скопировать