Графе’н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, слой атомов углерода шириной в один атом соединяется средством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Графен обладает большой механической жёсткостью и неплохой теплопроводимостью. Высочайшая подвижность носителей заряда делает его многообещающим материалом для использования в самых разных приложениях, а именно, как будущую базу наноэлектроники и вероятную подмену кремния в интегральных микросхемах.

Главным из имеющихся в текущее время методов получения графена, в критериях научных лабораторий основан на механическом отщеплении либо отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать более высококачественные эталоны с высочайшей подвижностью носителей. Этот способ не подразумевает использования масштабного производства, так как это ручная процедура.

Другой узнаваемый метод — способ теплового разложения подложки карбида кремния еще поближе к промышленному производству. Так как графен в первый раз был получен исключительно в 2004 году, он ещё недостаточно отлично исследован и завлекает к для себя завышенный энтузиазм.

Из-за особенностей энергетического диапазона носителей графен проявляет специальные, в отличие от других двумерных систем, электрофизические характеристики.

История открытия

Первооткрывателям графена, А. К. Гейму и К. С. Новосёлову, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку.

Рис. 8.5 Безупречная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

Теоретические исследования по созданию графена начались за длительное время до получения реальных образцов материала. Из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита, потому графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический диапазон электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такового рода диапазоном владеют безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частички, также нейтрино. Потому молвят, что действенная масса электронов и дырок в графене поблизости точки соприкосновения зон равна нулю. Но тут стоит увидеть, что, невзирая на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по собственной физической природе, а конкретно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В текущее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов посреди узнаваемых простых частиц нет.

Невзирая на такие специальные особенности, экспериментального доказательства эти выводы не получили до 2005 года, так как не удавалось сделать графен. Не считая того, ещё ранее было подтверждено на теоретическом уровне, что свободную безупречную двумерную плёнку получить нереально из-за непостоянности относительно сворачивания либо скручивания. Термические флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при хоть какой конечной температуре.

Энтузиазм к графену появился опять после открытия углеродных нанотрубок, так как вся начальная теория строилась на обычный модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Потому теория для графена в приложении к нанотрубкам отлично проработана.

Пробы получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с тестов, использующих обычный карандаш, и продолжились с внедрением атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигнули фуррора. Внедрение графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное место чужеродными атомами (употребляется для роста расстояния меж примыкающими слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году русскими и английскими учёными была размещена работа в журнальчике Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким макаром, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с узким слоем диэлектрика . В первый раз были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной шириной.

Эффект Шубникова — де Гааза назван в честь русского физика Л. В. Шубникова и нидерландского физика В. де Хааза, открывших его в 1930 году. Наблюдаемый эффект заключался в осцилляциях магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах.

Способ отшелушивания является достаточно обычным и гибким, так как позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, другими словами теми материалами, которые представляются как слабо (по сопоставлению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. Его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: , , и др.

Рис. 8.6 Слои интеркалированного графита можно отделять друг от друга

Куски графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит. Поначалу плоские кусочки графита помещают меж липкими лентами (скотч) и отщепляют раз за разом создавая довольно тонкие слои (посреди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют энтузиазм). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита придавливают к подложке окисленного кремния. При всем этом тяжело получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Отысканные при помощи оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно найти при помощи атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в границах 1 нм для графена). Используя стандартную электрическую литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Куски графена также можно приготовить из графита используя хим способы. Меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита. Выкармливание графена при высочайшем давлении и температуре можно использовать для получения плёнок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить меж электродами, можно достигнуть того, что куски графита с поверхности, посреди которых возможно окажутся плёнки атомарной толщины, под действием электронного поля могут передвигаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (меж электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) меж электродами также помещали узкую пластинку слюды.

Безупречный графен состоит только из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода недостаткам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими недостатками сразу известна под заглавием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Композиция этих изъянов и обычных ячеек может приводить к образованию разных форм поверхности.

Вероятные области внедрения графена

Считается, что на базе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, также квантово-интерференционный прибор. Исследователи считают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базисной шириной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает огромным током утечки, другими словами нельзя поделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать впрямую графен при разработке полевого транзистора без токов утечки не представляется вероятным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, так как нельзя достигнуть значимой разности в сопротивлении при всех приложенных напряжениях к затвору, другими словами не выходит задать два состояния применимых для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Поначалу необходимо сделать каким-либо образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтоб термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из вероятных методов основан на разработке узкой полосы графена с таковой шириной, чтоб благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полосы 20 нм). Благодаря высочайшей подвижности быстродействие такового транзистора будет приметно выше, чем кремниевого.

Другая область внедрения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного детектора для обнаружения отдельных молекул хим веществ, присоединённых к поверхности плёнки. Исследовались такие вещества, как , , , . Детектор размером 1 мкм — 1 мкм употреблялся для детектирования присоединения отдельных молекул к графену. Принцип деяния этого детектора состоит в том, что различные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. На теоретическом уровне изучено воздействие разных примесей на проводимость графена. Молекула является неплохим акцептором из-за собственных парамагнитных параметров, а диамагнитная молекула создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), владеют более сильными легирующими качествами.

Ещё одна многообещающая область внедрения графена — его внедрение для производства электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Бывалые эталоны ионисторов на графене уже имеют удельную энергоёмкость, сравнимую с энергоемкостью свинцово-кислотными аккумуляторамии. Не так давно был сотворен новый тип светодиодов на базе графена (LEC).

Безупречную двумерную плёнку в свободном состоянии нельзя получить из-за её термодинамической непостоянности. Но если в плёнке будут недостатки либо она будет деформирована в пространстве (в 3-ем измерении), то такая «неидеальная» плёнка может существовать без контакта с подложкой. В опыте с внедрением просвечивающего электрического микроскопа было показано, что свободные плёнки графена есть и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5—10 нм и высотой 1 нм. В статье было показано, что можно сделать свободную от контакта с подложкой плёнку, закреплённую с 2-ух краёв, образуя, таким макаром, наноэлектромеханическую систему. В этом случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, другими словами использовать в качестве высокочувствительного детектора.