Графены: Графен – Что такое Графен?

Графен | Атомная энергия 2.0

Графен — плоский слой sp2-гибридных атомов углерода толщиной в один атом, образующих гексагональную решетку; двумерная форма углерода.

Графен можно представить как одну атомарную плоскость графита, отделенную от объемного кристалла — плоскую сетку из шестиугольников, в вершинах которой находятся атомы углерода. Каждый из них имеет три соседа, на образование связей с которыми уходят три из четырех валентных электронов углерода. Четвертый электрон участвует в образовании системы графенового листа, определяющей его электронные свойства.

Ранее считалось, что двумерные структуры не могут существовать в свободном состоянии вследствие высокой поверхностной энергии и должны превращаться в трехмерные, хотя и могут быть стабилизированы в результате нанесения на подложку. До 2004 г. получить их экспериментально не удавалось. Недавние же исследования показали, что существует целый класс двумерных кристаллов различного химического состава.

Сам графен удалось получить из графита именно с помощью стабилизации монослоев подложками. Благодаря слабому связыванию между графитовыми слоями удалось последовательно расщепить графит на все более тонкие слои с помощью липкой ленты, а затем, растворив ее, перенести графеновые фрагменты на кремниевую подложку. За эту работу А. К. Гейму и К. С. Новоселову в 2010 г. была присуждена Нобелевская премия. Среди других способов можно выделить: основанные на эпитаксиальном росте при термическом разложении карбида кремния, на эпитаксиальном росте на металлических поверхностях, а также на химическом раскрытии нанотрубок.

Полный материал…

Интерес к графену основывается на его электронных свойствах. Так, в нем реализуется баллистический (т. е. практически без рассеяния) транспорт электронов, на характеристики которого подложка и окружающая среда влияют весьма слабо. Особенности зонной структуры графена обуславливают существование электронов и дырок с нулевой эффективной массой, которые проявляют квазирелятивистское поведение, описываемое уравнением Дирака.

При этом графен проявляет аномальный квантовый эффект Холла, наблюдаемый даже при комнатной температуре. Исследования показывают, что графен также является перспективным материалом для спинтроники.

Свойства графена могут варьироваться под действием химической модификации. Наиболее реакционноспособными являются края графеновых фрагментов, однако можно добиться и полной или частичной функционализации всего фрагмента. Например, графен может быть гидрирован до графана.

Среди уже реализованных всего за несколько лет прототипов перспективных устройств на основе графена можно упомянуть полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи с графеном в качестве прозрачного проводящего слоя, спиновый транзистор и многие другие.

 

• Все материалы (97)
• Новости (95)
• СМИ (2)

Ученые смоделировали процесс рождения электрон-позитронных пар в графене – 16 марта 2023

Появился новый сверхпроводник на основе графена – 3 февраля 2023

Молодые ученые НИЯУ МИФИ выиграли премию Правительства Москвы 2022 года за работы по созданию учебного токамака и изучению свойств графена – 30 января 2023

Томский политех разработал уникальный катализатор для экологичного метода получения водорода – 24 января 2023

Физики СПбГУ повысили эффективность суперконденсаторов за счет углеродных нанотрубок и оксидов переходных металлов – 24 января 2023

В НИЯУ МИФИ придумали новые материалы на основе графена и борофена – 23 декабря 2022

Запатентован метод изготовления графеновых структур для массового производства гибкой прозрачной электроники – 28 ноября 2022

В США впервые синтезировали кристаллический образец графина – 2 сентября 2022

Специалисты АО «Гиредмет имени академика Н. П. Сажина» разработали новые сорбционные материалы для повышения качества питьевой воды – 19 июля 2022

Найден катализатор, сильно увеличивабющий эффективность водородных аккумуляторов – 12 июля 2022

Ученым удалось синтезировать материал, родственный графену, который существовал до этого только в теории – 30 мая 2022

Китайские ученые выполнили прорывные научные проекты по глубокой подземной разведке и экстракции урана из морской воды – 26 мая 2022

Создан уникальный квантовый датчик, способный одновременно измерять интенсивность, поляризацию и длину волны света – 26 мая 2022

“Каталитический конденсатор” позволяет придать распространенным и дешевым металлам каталитические свойства редких и дорогостоящих – 23 мая 2022

Использование самых быстрых логических элементов может увеличить быстродействие компьютеров в миллион раз – 18 мая 2022

Исследование графена приводит к важным выводам в исследовании свойств Вселенной и элементарных частиц – 17 мая 2022

Химики получили графин с помощью обратимой реакции метатезиса – 16 мая 2022

Российские учёные получили бездефектный кристалл графена из монооксида углерода при атмосферном давлении – 29 марта 2022

В Сколтехе предложили способ улучшения свойств графена с помощью лазерного излучения – 24 марта 2022

Ученые создали транзисторный затвор размером менее одного нанометра – 16 марта 2022

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 5
• →

Графен может решить пять крупнейших проблем мира

Битва за графен: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Графен — двумерный материал, представляющий собой форму углерода, толщиной в один атом. С тех пор как в 2010 году выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову присудили Нобелевскую премию за передовые опыты с этим новым материалом, в мире начался настоящий графеновый бум

Графен — это всего лишь одна из форм углерода, который может существовать во множестве кристаллических модификаций: например, как графит, алмаз, фуллерены или углеродные нанотрубки. Непосредственно графен можно представить в виде одной плоскости объемного кристалла графита — это первый кристалл толщиной всего лишь в один атом, экспериментально полученный в лабораторных условиях.

C одной стороны это очень простой материал, с другой очень сложно совместить двумерный материал толщиной в один атом с трехмерным миром приборов. Внешний мир — электроды, подложки и т.п. — оказывает влияние на графен, его свойства — это все очень трудно исследовать. Впервые это удалось сделать нашим соотечественникам, которые сделали это за рубежом — в Манчестерском университете. С тех пор их пионерские работы были процитированы в ведущих научных журналах более 100 тысяч раз. Интерес к графену по сей день остается беспрецедентным. В мире фактически началась новая гонка — за лидерство на зарождающемся рынке двумерных материалов. Государства в разных частях света тратят миллиарды долларов на графеновые исследования. Чем это вызвано? Как обстоят дела с исследованиями и разработками в этой области на Родине нобелевских лауреатов? О ландшафте графеновых исследований и о том, какое место на нем занимает Россия — в первом материале серии «Битва за графен».

Фото DR

Казалось бы на данный момент графен достаточно хорошо исследован, но тем не менее он еще таит в себе сюрпризы. Например, из графена можно удалять атомы углерода (с какой-то периодичностью или в виде какого-то узора) — получается материал с другими свойствами. Можно в графен добавлять атомы других материалов — это еще один материал с новыми свойствами. Свойства графена во многом определяются подложкой, например, химические свойства графена в зависимости от материала подложки еще не изучены. Очень мало информации и по физическим свойствам в зависимости от материала подложки. Техника постоянно совершенствуется, мы учимся работать со все меньшими и меньшими объектами и получаем все больше интересной информации. Одна из ключевых задач — встроить графен (двумерные материалы) в существующий цикл микроэлектронного производства, пока все такие устройства делаются вручную.

Разнообразие применений графена возможно из-за его уникальных физико-химических свойств, которые моментально сделали этот двумерный материал объектом для фундаментальных исследований. Так, двумерность графена, а также характерное для него особое поведение электронов, открыли возможность для экспериментальной демонстрации различных явлений квантовой физики, среди которых квантовый эффект Холла, парадокс Клейна, сверхпроводимость и многие другие. Графен обладает высокой электропроводностью и рекордной среди всех известных материалов теплопроводностью. Для него характерна высокая прочность (в 200 раз прочнее стали) и гибкость, химическая и термическая стабильность, а также самая большая площадь поверхности на единицу массы.

Фото DR

У рассматриваемого материала интересные оптические свойства:  является перспективным материалом для создания оптических инструментов, работающих одновременно в широком диапазоне частот — от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения. Это лишь небольшая часть из интересных особенностей графена, но главное — его свойства сильно зависят от материала подложки, наличия дефектов и примесей, внешних воздействий и многого другого. Так что поле для научных изысканий здесь очень велико, и вложения в эту сферу только продолжат расти.

• И да и нет: ответ на главный вопрос о квантовом компьютере

Исследовательский бум

Поэтому доля научных публикаций с упоминанием графена год от года непрерывно растет. Если в 2010 году мы имели 0,2% относительно всех научных публикаций, то в 2016 году — это уже 1% с прогнозом на 2017 — около 1,3%, согласно базе данных научных публикаций Web of Science. Для сравнения: в 2016 году доля публикаций с упоминанием слов «полупроводник» — 0,8%, «золото» — 0,9% , «лазер» — 1,7%. Абсолютным лидером в сфере графеновых исследований остается Китай: этой стране принадлежит почти половина всех научных публикаций с упоминанием графена. 12% самых высокоцитируемых работ, написанных китайскими учеными в ушедшем году, — публикации о графене. Уже сейчас с Китаем сложно конкурировать даже США, но говорить о финальной расстановке сил пока рано. Министр финансов Великобритании Джордж Осборн заявил, что Британия, где расположен один из крупнейших графеновых центров в мире, получивший название «Родина графена», стремится удержать мировое лидерство в освоении графеновых технологий в условиях серьезной конкуренции со стороны Китая и Южной Кореи. К гонке за лидерство подключились исследовательские центры Сингапура, Германии, Австралии, Японии, стремительно догоняющей их Индии и… Ирана.

Где мы?

Если в первые годы после открытия графена Россия была весьма заметным игроком в области графеновых исследований, то сейчас мы с каждым годом понемногу отстаем: 5,6% публикаций в середине 2000-х и 2,3 % в 2016 году. По общему числу публикаций с упоминанием графена за 2014-2016 гг. мы находимся на 14 месте, а по числу публикаций с высоким индексом цитирования или среднему цитированию на одну работу мы не входим в список 20 лучших стран. При этом надо отметить, что такое положение нашей страны обеспечиваются главным образом за счет сотрудничества с зарубежными коллегами. Например, доля России в высокоцитируемых работах 2014-2016 гг., где авторы в качестве места работы указали российскую научную организацию, составляет всего 12%. То есть даже имеющиеся скромные показатели — не полностью заслуга нашей страны. Свидетельством тому является отсутствие патентов и приглашенных докладов на профильных международных конференциях. Так, на крупнейшей конференции Graphene за последние три года Россия была представлена только одним устным докладом.

Графен и Россия

В нашей стране исследования с графеном проводятся по инициативе отдельных ученых. Помимо ряда институтов РАН в исследовании графена заметны успехи  МГУ, СПбГУ и МФТИ. Физтех (МФТИ), помимо нобелевских лауреатов, подарил миру графена целый ряд других выдающихся ученых. Это, например, Александр Баландин (исследование теплопроводности графена), Леонид Левитов (теоретические исследования графена), Виктор Рыжий (графеновая оптоэлектроника) и другие. Не так давно на Физтехе был создан Центр фотоники и двумерных материалов, объединяющий несколько лабораторий. Его основная задача — разработка и создание с использованием графена и других двумерных материалов принципиально нового класса оптоэлектронных приборов и компонентов широкого спектра применений (наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, инфракрасные камеры, энергоэффективные световые устройства и многое другое). Нам уже удалось создать высокочувствительные графеновые биосенсоры, которые могут помочь в создании новых лекарств и вакцин от опасных заболеваний, в том числе от ВИЧ и рака. А сейчас совместно с датскими коллегами мы работаем над технологиями низкотемпературного синтеза графена, чтобы выращивать его непосредственно на элементах приборов электроники. Это бы позволило создать, например, сверхширокодиапазонные камеры, способные обеспечить видимость в темноте сквозь дым и туман. Однако пока это совершенно не тот масштаб, который бы позволил говорить о претензиях на лидерство.

Кто виноват?

У стран, которые обгоняют нас в графеновой гонке, есть кое-что общее: исследования в области двумерных материалов в них последовательно поддерживаются на государственном уровне. Например, в одном лишь городе-государстве Сингапуре вложения в эту область превышают $300 млн. А Европейская комиссия, запустила программу Graphene Flagship и выделила более €1 млрд на десятилетние исследования и разработки, которые проводят ведущие исследовательские институты и корпорации в 23 европейских странах. При этом только Великобритания дополнительно выделила более £235 млн на эти же цели. И это не считая финансирования, которое выделяется национальными научными фондами на конкурсной основе. В России же отсутствуют какие-либо целевые программы по исследованиям в области графена даже в рамках научных фондов, а ведущие российские университеты, несмотря на отчаянную гонку в мировых рейтингах, не выделяют эту тематику в качестве своих приоритетов.

Что делать?

В странах, которые сделали ставку на графен, ученым дают большой простор для научных исследований: обеспечивают необходимыми финансами и оборудованием, и предоставляют свободу в выборе тем исследований. При этом новые научные результаты — не главное в истории с графеном. Выявляемые и исследуемые уникальные свойства графена позволяют создать на его основе целый класс устройств нового типа, а потому исследовательская гонка сейчас — это гонка за захват рынка графеновых технологий. Причем речь далеко не всегда идет о принципиально новых рынках. Графен  рассматривается в качестве материала, который изменит авиастроение, технологии освоения космоса, вооружение и военную технику, а также энергетическую отрасль. Все это — лишь вопрос времени. Не уделяя должного внимания материалам из двумерного мира, можно потерять позиции в том числе и в этих отраслях. Необходимо осознать важную вещь: в мире произошла графеновая революция, как когда-то с изобретением транзистора состоялась революция в электронике. Каких технологий нам стоит ожидать и когда они выйдут к массовому потребителю — в следующем материале серии.

Что такое графен? | Graphene-Info

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в гексагональной решетке. Это строительный блок графита (который используется, среди прочего, в кончиках карандашей), но графен сам по себе является замечательным веществом — с множеством удивительных свойств, которые неоднократно приносили ему титул «чудо-материал». .

Свойства графена

Графен — самый тонкий из известных человеку материалов толщиной в один атом, а также невероятно прочный — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями к поглощению света. Это действительно материал, который может изменить мир, с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.

Для получения дополнительной информации о свойствах графена нажмите здесь

Потенциальные области применения

Графен — чрезвычайно разнообразный материал, который можно комбинировать с другими элементами (включая газы и металлы) для получения различных материалов с превосходными свойствами. Исследователи во всем мире продолжают постоянно исследовать и патентовать графен, чтобы изучить его различные свойства и возможные применения, в том числе:

• батареи
• транзисторы
• Компьютерные чипы
• Выработка энергии
• SuperCapacitors
• Секвенирование ДНК
• Water Filters
• ANDENNAS
• Сенсорные экраны (для LCD OR OLED-дисплеев)
• Solar Solar Slar Claftren
....... Spineren. захватывающий материал, привлекающий большое внимание, особенно после того, как Нобелевская премия по физике 2010 г. была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову, которые впервые выделили графен в 2004 г.

Производство графена

Графен действительно очень интересен, но производство высококачественных материалов по-прежнему остается сложной задачей. Десятки компаний по всему миру производят различные типы и сорта графеновых материалов — от высококачественного однослойного графена, синтезированного с помощью процесса на основе CVD, до графеновых чешуек, производимых из графита в больших объемах.

Высококачественные графеновые листы в основном используются в исследованиях и разработках или в экстремальных приложениях, таких как датчики, но графеновые чешуйки, производимые в больших объемах и по более низким ценам, используются во многих приложениях, таких как спортивный инвентарь, бытовая электроника, автомобили и многое другое. .

Изделия из графена

Несколько компаний предлагают графен и изделия на основе графена. Вы можете проверить наш список компаний, связанных с графеном, чтобы найти компанию, которая предлагает продукты, которые вам нужны.

В декабре 2011 года компания Vorbeck Materials сообщила, что началось поставки противоугонного упаковочного устройства Siren, в котором используется схема Vor-Ink на основе графена (показана ниже), и это был первый в мире коммерчески доступный продукт на основе графена.

Сегодня на рынке появилось еще несколько изделий из графена. Спортивная индустрия была одной из первых, и уже в 2013 году HEAD начала поставлять теннисные ракетки с улучшенным графеном (серия YouTek Graphene Speed). Сегодня можно купить усиленные графеном шлемы, лыжное снаряжение и даже снаряжение для лакросса.

Графен также появился на рынке бытовой электроники — например, в некоторых флагманских смартфонах Huawei используется технология охлаждения графеновой пленкой для управления теплом. Еще одна известная компания, использующая графен, — это Ford, которая в 2019 году использует пенопластовые покрытия, армированные графеном, для шумных компонентов.Машины F-150 и Мустанг. Ford использует графен, смешанный с компонентами пенопласта, в результате чего детали становятся на 17% тише, на 20% прочнее и на 30% более термостойкими

Интересным рынком для графена является рынок сенсоров. Например, в 2016 году компания Nanomedical Diagnostics из Сан-Диего (теперь называется Cardea) начала поставлять свои датчики на основе графена и систему AGILE R100, которая позволяет обнаруживать малые молекулы в режиме реального времени. Графеновый датчик обеспечивает более быструю обработку образцов, большую точность, портативность и экономию средств.

Дополнительная литература

• Подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку, чтобы быть в курсе последних новостей о графене
• Узнайте о лучших способах инвестирования в графеновую революцию
• Не пропустите The Graphene Handbook, наш собственный справочник по рынок графена
• Прочитайте эту захватывающую статью о потенциале графена на рынке аккумуляторов
• Узнайте, как графен может произвести революцию в производстве солнечных панелей
• Получите обзор текущего состояния графеновых продуктов

Applications — Graphene — Манчестерский университет

Графен — революционная технология; тот, который может открыть новые рынки и даже заменить существующие технологии или материалы. Только когда графен используется как для улучшения существующего материала, так и для трансформации, его истинный потенциал может быть реализован.

Объединение всех удивительных свойств графена может создать эффект масштаба, который в последний раз наблюдался во время промышленной революции.

Огромное количество продуктов, процессов и отраслей, в которых графен может оказать существенное влияние, проистекает из его удивительных свойств.

Никакой другой материал не обладает такой широтой превосходных степеней, как графен, что делает его идеальным для бесчисленного множества применений.

• Во много раз прочнее стали, но невероятно легкий и гибкий.
• Обладает электро- и теплопроводностью, но при этом прозрачен.
• Это первый в мире двухмерный материал, который в миллион раз тоньше диаметра одного человеческого волоса.

Области применения

Транспорт, медицина, электроника, энергетика, оборона, опреснение; Диапазон отраслей, в которых исследования графена оказывают влияние, значителен.

И это только начало. Это только первые шаги. Потенциал графена ограничен только нашим воображением.

• Biomedical

  Уникальные свойства графена позволяют использовать его в новаторских биомедицинских приложениях: адресная доставка лекарств; улучшенное проникновение в мозг; Самодельные наборы для проверки здоровья и «умные» имплантаты.

  Подробнее

• Композиты и покрытия

  Графен — материал с огромным количеством выдающихся качеств; прочность, гибкость, легкий вес и электропроводность.

  Подробнее

• Электроника

  Графен обладает потенциалом для создания следующего поколения электроники, которая в настоящее время ограничивается научной фантастикой. Подумайте о более быстрых транзисторах; полупроводники; гибкие телефоны и другая электроника.

  Подробнее

• Энергия

  Представьте себе полную зарядку смартфона за секунды или электромобиля за минуты. В этом сила графена.

  Подробнее

• Мембраны

  Представьте себе чистую питьевую воду для миллионов людей, живущих в развивающихся странах.