XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В настоящее время одним из самых популярных в современных научно-технических сообществах является такой материал, как графен. Ему пророчат статусы проводника в будущее и новой технологической революции. Что же такое графен, какие прогнозируются перспективы его применения и почему ему пророчат стать заменителем кремния в электротехнике, где некогда сам кремний вытеснил германий?

Что такое графен? Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в 1 атом [1]. Формально его история началась в XIX веке, когда британский химик Б. Броуди во время экспериментов с графитом получил суспензию кристаллов оксида графена. Однако до появления просвечивающего электронного микроскопа (первый пригодный к использованию образец был представлен в 1938 г.) не было возможности оценить потенциал открытия. В 1948 г. Д. Руесс и Ф. Фогт применили просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) и, после испарения капельки суспензии оксида графена на сетке ПЭМ, они обнаружили чешуйки с множеством складок толщиной в несколько нанометров. Сверхтонкие графитовые плёнки и даже монослои выращивались на непроводящих карбидах и на графите, первые статьи на эту тему восходят к 1970 г., когда Д. Грант сообщил о графитовых плёнках на Ru и Rh, а Блэкли — на Ni. [2]

Транспортные измерения на плёнках с десятками слоёв провёл в 1997—2000 годах Йошико Охаши, он продемонстрировал эффект электрического поля на сопротивление плёнок и измерил осцилляции Шубникова — де Гааза. Впервые транспортные свойства графена с 2004 года изучались в Манчестерском университете под руководством Андрея Гейма. В статье Константина Новосёлова в журнале «Science» от 2004 года были показаны основные электрические транспортные и магнетотранспортные свойства графитовых плёнок толщиной в несколько атомарных слоёв, продемонстрированы эффект поля и полевой транзистор на основе Si/SiO₂, ставший основной структурой для последующих транспортных исследований. Позже в 2005 году та же группа измерила квантовый эффект Холла, доказали линейность энергетического спектра графена и применимость уравнения Дирака к носителям тока в графене. Последнее примечательно тем, что открыло возможность изучать аналогичные эффекты квантовой электродинамики в лаборатории на столе. [3]

Простота получения образцов графена открыла возможность исследовать его свойства множеству лабораторий по всему миру. Но это — хорошее подспорье для научных исследований, откуда же такое пристальное внимание со стороны остального общества, в разной степени далёкого от науки?

Ответ на поверхности: свойства графена. Именно за исследования свойств графена А. Гейм и К. Новосёлов получили в 2011 г. высшую научную награду — Нобелевскую премию. Какими же свойствами обладает графен?

Идеальный графен сочетает в себе:

самый тонкий материал в мире — толщиной в один атом;

самый прочный материал в мире — модуль Юнга более 1 ТПа;

имеет высокую электропроводность — подвижность зарядов более 1 000 000 см2/В∙с;

имеет высокую теплопроводность — до 5000 Вт/м∙К;

оптически прозрачен в широком диапазоне — от UV до far-IR; [4]

Рис 1.- Структура графена. [5]

Теперь обсудим возможные применения этого материала. Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года ученые из технологического института штата Джорджия заявили, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор.

Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным из‑за отсутствия запрещенной зоны в этом материале – поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния, пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким‑нибудь образом запрещенную зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбужденные носители давали малый вклад в проводимость).

Ученые предлагают создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещенной зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность больше, чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то. что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему еще не создан.

Другой способ применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединенных к поверхности пленки. В работе исследовались такие вещества, как NH₃, CO, H₂O, NO₂. Сенсор размером 1 мкм на 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO₂ к графену.

Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что, в свою очередь, ведет к изменению сопротивления графена. В другой работе теоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. Было показано, что молекула NO₂ является хорошим акцептором из-за своих парамагнитных свойств, а диамагнитная молекула N₂O₄ создает уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Еще одна перспективная область применения графена – изготовление электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоемкость 32 Вт-ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов. Недавно был создан и новый тип светодиодов на основе графена. Графен считается самым прочным материалом на Земле, проводит электрический ток и при этом практически прозрачен. Последнее свойство делает графен удачным материалом для создания, например, сенсорных дисплеев. [6]

Литература

1. Графен — Что такое графен? [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://neftegaz.ru/tech-library/ngk/148074-grafen/ – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.12.2020)

2. Гейм А. К. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену. УФН, 2011. — 1293 с.

3. История графена [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BD%D0%B0 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.12.2020)

4. Русграфен — что такое графен и где он применяется [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.rusgraphene.ru/graphene – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.12.2020)

5. Как графен изменит повседневную жизнь и модную индустрию [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.buro247.ru/technology/trends/9-oct-2017-graphene-to-change-fashion-industry-and.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.12.2020)

6. Страсти по графену [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.eprussia.ru/epr/163/12514.htm – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.12.2020)

Код для цитирования: Скопировать