Pavadinimas (-ai): Putoto grafito ir grafeno paruo?imas

Katalogo numeris: 7

Pagrindinis dalykas (mokykloje): chemija

?ini? sritis (universitetas): intersticiniai junginiai grafite, nanoelektronika

Aktualumas: apdovanotas u? grafeno atradim? 2010 m Nobelio premija. Dar gerokai prie? tai buvo pakankamai i?samiai i?tirta unikali jungini? klas? – ?vair?s intersticiniai grafito junginiai, kurie ypa? naudojami put? grafitui ir aktyvioms ugniai atsparioms med?iagoms gaminti. Projektinio darbo ?gyvendinimas, siekiant gauti ir i?tirti toki? med?iag? savybes, gali ?ymiai i?pl?sti studento akirat?, ta?iau saugos po?i?riu tai turi b?ti atliekama glaud?iai bendradarbiaujant su d?stytojais.

Naujov?: grafito pagrindu veikian?i? interkaliacini? jungini? sintez? ir elgsenos tyrimas

Tikslas: gauti ne?prast? chemini? ir elektrofizini? savybi? interkalavimo junginius

1. Literat?ros studijos apie grafito strukt?r? ir savybes, intersticinius junginius grafite (IG), grafeno oksido ir grafeno sintez? ir savybes, j? praktin? panaudojim?

2. SVG gavimo metod? pasirinkimas azoto r?g?tis, putoto grafito gamyba termi?kai apdorojant SVG

3. grafeno oksido gamybos metod? pasirinkimas

4. Grafeno oksido suspensijos valymas

5. grafeno gavimas chemi?kai redukuojant grafeno oksid? arba termi?kai apdorojant

6. Grafeno lak?t? nusodinimas ant skaidri? polimerin? med?iaga gauti lankst? skaidr? laidinink?

7. grafito ir putplas?io grafito elektrinio ir ?ilumos laidumo tyrimas

Eksperimentiniai metodai: intersticini? jungini? gavimas grafite s?veikaujant su koncentruotomis r?g?timis, cheminis grafito delaminavimas

Metodiniai metodai: supa?indinimas su nestechiometrini? jungini? chemija, interkalacijos junginiais, kristalin?s gardel?s anizotropija, anglies nanomed?iag? cheminio ry?io teorija

Reikalingi nestandartiniai reagentai ir i?tekliai: koncentruotos r?g?tys, grynas grafitas, natrio borohidridas, ?ilumin? ?ranga

Mokini? meistri?kumas teorin? med?iaga: anglies nanomed?iag? strukt?ra ir savyb?s bei j? praktinio panaudojimo perspektyvos, cheminis ry?ys poliaromatiniuose junginiuose, hibridizacijos teorija, kovalentin?s, metalin?s, van der Waals j?gos

Studento ?gyti ?g?d?iai: dirbti su koncentruotomis r?g?timis (gavus i?samias instrukcijas, d?vint odos ir aki? apsaugos priemones, pri?i?rint mokytojui ar d?stytojui), dirbti su ?ilumine ?ranga,

Ankstesn? med?iaga apie mokyklos mokymo programa: anglies chemija, aromatiniai junginiai, anglies alotropija

Mokytojo vaidmuo: bendras projekto valdymas, tiesioginis dalyvavimas visuose eksperimentuose, i?samias instrukcijas ir saugos taisykli? laikymosi kontrol?

Galima d?stytoj? pagalba: reagent? apr?pinimas, papildoma literat?ra, konsultacin? pagalba

Saugos priemon?s: reikia dirbti su ?armin?mis med?iagomis ir koncentruotomis r?g?timis, visk? daryti tik su traukimu, su chalatais, pir?tin?mis ir akiniais, tik dalyvaujant mokytojui ar mokytojui

Pastabos: grafeno gamybos atveju jie gali b?ti toliau tiriami naudojant atomin?s j?gos mikroskopij? ir Ramano spektroskopij? (bendradarbiaujant su universitetu).

Idealizuota grafeno oksido strukt?ra

Kiti „Tem? katalogo“ klasterio darbai projektavimo darbai" (hiperteksto navigatorius):

?iuolaikiniuose pramoniniuose procesuose naudojamos stiprios r?g?tys, ?armai ir net plazma, ta?iau pagal nauj? Amerikos mokslinink? metod? tereikia acetileno baliono, deguonies baliono ir kibirk?ties.

I? kair?s ? de?in?: Justinas Wrightas, Chrisas Sorensenas, Arjunas Nepalas

Grafenas – vieno atomo storio anglies sluoksnis – staiga tapo viena geid?iamiausi? med?iag? pasaulyje. auk?t?j? technologij?. Daugelis j? suvokia kaip panac?j? medicinos ir elektronikos problemoms spr?sti. Manoma, kad naudojant grafen? baterijos ?gis didesn? talp?, neuronin?s s?sajos taps realybe, o gydytojai i?moks gaminti unikalius protezus.

Dabar vyksta grafeno gamyba pramoniniu mastu- labai daug energijos reikalaujantis, sud?tingas ir brangus procesas. Tai arba sluoksni? ?veitimas, kuris atliekamas rankiniu b?du laboratorijose ir negali tapti pramoniniu sprendimu. Arba chemijos, katalizatori? naudojimas ir kaitinimas iki 1000 laipsni? Celsijaus, o tai sunaudoja daug energijos.

Da?niausiai jis gaunamas i? nat?rali med?iaga- pirolitinis grafitas, kuris redukuojamas iki grynos anglies, o po to mechani?kai ir chemin?mis priemon?mis jie u?tikrina, kad atskiros grafeno dalel?s b?t? ne storesn?s nei keli sluoksniai. Gamybos procese naudojamos stiprios r?g?tys ir ?armai, sukuriama labai auk?ta temperat?ra ir sl?gis. Tod?l svarbu tur?ti pig? b?d? gauti ?i? med?iag?.

Kanzaso valstijos universiteto mokslininkai paskelb? atrad? pig? masin?s grafeno gamybos metod?. Tam reikia tik keli? lengvai prieinam? komponent?: angliavandenili?, deguonies, u?degimo ?vak?s ir degimo kameros.

Norint gauti grafen?, pakanka u?pildyti degimo kamer? acetilenu arba dujiniu etilenu ir deguonimi, o tada naudoti automobilio u?degimo ?vak? duj? mi?iniui susprogdinti. Tokiu atveju susidarys grafenas, kur? galima surinkti tik i? degimo kameros sieneli?. Taigi, grafeno gamybos procesas apima med?iag?, turin?i? didel? anglies kiek?, sprogim?.

?? metod? mokslininkai atrado visi?kai atsitiktinai. Mokslininkai k?r? anglies aerozolio gelio gamybos metod?. Nor?dami tai padaryti, jie naudojo auk??iau apra?yt? proces?. Po detonacijos susidar? suod?iai, kurie po tyrimo pasirod? es?s grafenas. Mokslininkai teigia, kad jie neplanavo gauti ?ios med?iagos, jiems tiesiog pasisek?.

Naujasis grafeno gamybos metodas turi kelet? prana?um?, palyginti su ?iuo metu naudojamais metodais. Tam nereikia naudoti kenksming? chemini? med?iag? ar didelio energijos kiekio. Tai taip pat leid?ia gaminti grafen? dideli kiekiai ir lengvai i?pl?toti gamyb?. Galiausiai ?is metodas yra pelningesnis ekonominiu po?i?riu.

Grafenas yra dvimat? alotropin? anglies modifikacija, kurioje visi atomai yra i?sid?st? plok?tumoje taisykling? ?e?iakampi? eil?mis.

Pirm? kart? gautas 2004 m., grafenas pasirod? es?s itin geras naudinga med?iaga elektronikai ir energijai. Jis yra labai patvarus, labai laidus ?ilumai, o kai kurios jo savyb?s apskritai yra unikalios: pavyzd?iui, grafenas yra med?iaga, turinti did?iausi? elektron? mobilum? i? vis? ?inom? mokslui. B?tent d?l ?ios savyb?s jis tapo b?tinas elektronikoje, katalizatoriuose, baterijose ir kompozicin?se med?iagose.

Prenumeruokite Quibl per Viber ir Telegram, kad neatsiliktum?te nuo ?domiausi? ?vyki?.

Iki pra?jusi? met? vienintel? ?inomas mokslui Grafeno gamybos b?das buvo u?tepti plon? grafito sluoksn? ant lipnios juostos ir nuimti pagrind?. ?i technika vadinama „Scotch tape technika“. Ta?iau mokslininkai neseniai atrado, kad yra ir efektyvesnis b?das gauti nauj? med?iag?: kaip pagrind? prad?jo naudoti vario, nikelio ar silicio sluoksn?, kuris v?liau pa?alinamas ?sdinant (2 pav.). Tokiu b?du Kor?jos, Japonijos ir Singap?ro mokslinink? komanda suk?r? sta?iakampius 76 centimetr? plo?io grafeno lak?tus. Tyr?jai ne tik pasiek? savoti?k? vieno sluoksnio strukt?ros, pagamintos i? anglies atom?, dyd?io rekord?, bet ir suk?r? jautrius ekranus i? lanks?i? lak?t?.

2 pav. Grafeno gavimas ?sdinant

Fizikai pirm? kart? grafeno „dribsnius“ gavo tik 2004 m., kai j? dydis tesiek? 10 mikrometr?. Prie? metus Rodney Ruoffo komanda i? Teksaso universiteto Ostine paskelb?, kad jiems pavyko sukurti centimetro dyd?io grafeno „nuolau?as“.

Ruoffas ir jo kolegos nusodino anglies atomus ant vario folijos, naudodami chemin? nusodinim? i? gar? (CVD). Sunghyunkwan universiteto profesoriaus Byun Hee Hong laboratorijos tyr?jai nu?jo toliau ir padidino lapus iki viso ekrano dyd?io. Naujoji „vyniojimo ? ritin?“ technologija (apdirbimas nuo ritinio iki ritinio) leid?ia i? grafeno pagaminti ilg? juostel? (3 pav.).

3 pav. Didel?s skiriamosios gebos perdavimo elektron? mikroskopinis sukraut? grafeno sluoksni? vaizdas.

Fizikai ant grafeno lak?t? u?d?jo klij? polimero sluoksn?, i?tirpd? vario substratus, tada atskyr? polimerin? pl?vel? – gautas vienas grafeno sluoksnis. Nor?dami suteikti lak?tams didesn? stiprum?, mokslininkai t? pat? metod? naudojo dar trims grafeno sluoksniams „u?auginti“. Galiausiai gautas „sumu?tinis“ buvo apdorotas azoto r?g?timi, kad pagerint? laidum?. Visi?kai naujas grafeno lak?tas u?dedamas ant poliesterio pagrindo ir perduodamas tarp ?kaitint? vol? (4 pav.).

4 pav. Grafeno gamybos ritinin? technologija

Gauta strukt?ra praleido 90% ?viesos ir tur?jo ma?esn? elektros var?? nei standartinio, bet vis tiek labai brangaus, skaidraus laidininko – ind?io alavo oksido (ITO). Beje, naudodami grafeno lak?tus kaip jutiklini? ekran? pagrind?, mokslininkai i?siai?kino, kad j? strukt?ra taip pat yra ma?iau trapi.

Tiesa, nepaisant vis? pasiekim?, technologijai iki komercializacijos dar labai toli. Permatomos pl?vel?s, pagamintos i? anglies nanovamzdeli?, jau seniai bando i?stumti ITO, ta?iau gamintojai negali susidoroti su „negyv? pikseli?“, atsirandan?i? ant pl?vel?s defekt?, problema.

Grafen? taikymas elektrotechnikoje ir elektronikoje

Pikseli? ry?kum? plok??iuose ekranuose lemia ?tampa tarp dviej? elektrod?, kuri? vienas atsuktas ? ?i?rov? (5 pav.). ?ie elektrodai turi b?ti skaidr?s. ?iuo metu skaidriems elektrodams gaminti naudojamas alavu legiruotas ind?io oksidas (ITO), ta?iau ITO yra brangi ir ne pati stabiliausia med?iaga. Be to, pasaulyje greitai pritr?ks ind?io. Grafenas yra skaidresnis ir stabilesnis nei ITO, o LCD ekranas su grafeno elektrodu jau buvo pademonstruotas.

5 pav. Grafeno ekran? ry?kumas kaip naudojamos ?tampos funkcija

Med?iaga turi didel? potencial? kitose elektronikos srityse. 2008 m. baland? Man?esterio mokslininkai pademonstravo ma?iausi? pasaulyje grafeno tranzistori?. Visi?kai taisyklingas grafeno sluoksnis kontroliuoja med?iagos atsparum?, paversdamas j? dielektriku. Atsiranda galimyb? sukurti mikroskopin? didel?s spartos nanotranzistoriaus maitinimo jungikl?, kad b?t? galima valdyti atskir? elektron? jud?jim?. Kuo ma?esni tranzistoriai mikroprocesoriuose, tuo jie greitesni, ir mokslininkai tikisi, kad grafeno tranzistoriai b?simuose kompiuteriuose taps molekulinio dyd?io, nes dabartin? silicio mikrotranzistori? technologija jau beveik pasiek? savo rib?.

Grafenas yra ne tik puikus elektros laidininkas. Jis pasi?ymi did?iausiu ?ilumos laidumu: atomin?s vibracijos lengvai plinta per vis? l?stel?s strukt?ros anglies tinkl?. ?ilumos i?sklaidymas elektronikoje yra rimta problema, nes yra ribos auk?tai temperat?rai, kuri? elektronika gali atlaikyti. Ta?iau Ilinojaus universiteto mokslininkai atrado, kad grafen? naudojantys tranzistoriai turi ?domi? savyb?. Jie turi termoelektrin? efekt?, d?l kurio suma??ja prietaiso temperat?ra. Tai gali reik?ti, kad d?l grafeno pagrindu pagamintos elektronikos radiatoriai ir ventiliatoriai taps praeitimi. Taigi grafeno, kaip perspektyvios b?sim? mikroschem? med?iagos, patrauklumas dar labiau did?ja (6 pav.).

6 pav. Atomin?s j?gos mikroskopo zondas, nuskaitantis grafeno ir metalo kontakto pavir?i? temperat?rai matuoti.

Mokslininkams buvo sunku i?matuoti grafeno ?ilumos laidum?. Jie i?rado visi?kai nauj? b?d? jo temperat?rai i?matuoti, u?dedant 3 mikron? ilgio grafeno pl?vel? ant lygiai tos pa?ios ma?yt?s skylut?s silicio dioksido kristale. Tada pl?vel? buvo kaitinama lazerio spinduliu, tod?l ji vibravo. ?ios vibracijos pad?jo apskai?iuoti temperat?r? ir ?ilumos laidum?.

Mokslinink? i?radingumas neturi rib?, kai reikia panaudoti fenomenalias naujos med?iagos savybes. 2007 met? rugpj?t? buvo sukurtas jautriausias i? vis? galim? jo pagrindu veikian?i? jutikli?. Jis gali reaguoti ? vien? duj? molekul?, kuri pad?s greitai aptikti toksin? ar sprogmen? buvim?. Svetimos molekul?s taikiai patenka ? grafeno tinkl?, i?mu?damos i? jo elektronus arba prid?damos juos. D?l to kinta grafeno sluoksnio elektrin? var?a, kuri? i?matuoja mokslininkai. Net ma?iausios molekul?s sulaikomos d?l patvaraus grafeno tinklelio. 2008 m. rugs?j? JAV Kornelio universiteto mokslininkai pademonstravo, kaip grafeno membrana, kaip plonas balionas, yra pripu?iama d?l keli? atmosfer? sl?gio skirtumo abiejose pus?se. ?i grafeno savyb? gali b?ti naudinga nustatant ?vairi? chemin?s reakcijos ir apskritai tiriant atom? ir molekuli? elges?.

Pagaminti didelius gryno grafeno lak?tus vis dar labai sunku, ta?iau u?duot? galima supaprastinti, jei anglies sluoksnis sumai?omas su kitais elementais. ?iaur?s vakar? universitete JAV grafitas buvo oksiduotas ir i?tirpintas vandenyje. Gauta ? popieri? pana?i med?iaga – grafeno oksido popierius (7 pav.). Tai labai kieta ir gana lengva pagaminti. Grafeno oksidas yra naudingas kaip stipri membrana akumuliatoriuose ir kuro elementuose.

7 pav. Grafeno oksido popierius

Grafeno membrana yra idealus substratas objektams, tiriamiems elektroniniu mikroskopu. Nepriekai?tingos l?stel?s vaizduose susilieja ? vienod? pilk? fon?, kuriame ai?kiai i?siskiria kiti atomai. Iki ?iol elektroniniame mikroskope buvo beveik ne?manoma atskirti lengviausi? atom?, ta?iau naudojant grafen? kaip substrat?, galima pamatyti net ma?us vandenilio atomus.

Grafeno panaudojimo galimybes galima i?vardinti be galo daug. Neseniai JAV ?iaur?s Vakar? universiteto fizikai i?siai?kino, kad grafen? galima mai?yti su plastiku. Rezultatas yra plona, ypa? stipri med?iaga, kuri gali atlaikyti auk?t? temperat?r? ir nepralaidi dujoms bei skys?iams.

Jo taikymo sritis – lengv? degalini?, automobili? ir l?ktuv? atsargini? dali? bei patvari? v?jo turbin? men?i? gamyba. Maisto produktus galite supakuoti ? plastik?, ilgai i?laikydami juos ?vie?ius.

Grafenas yra ne tik ploniausia, bet ir stipriausia med?iaga pasaulyje. Niujorko Kolumbijos universiteto mokslininkai tai patvirtino u?d?j? grafen? ant ma?? skylu?i? silicio kristale. Tada, spausdami labai plon? deimantin? adat?, jie band? sunaikinti grafeno sluoksn? ir i?matavo sl?gio j?g? (8 pav.). Paai?k?jo, kad grafenas yra 200 kart? stipresnis u? plien?. Jei ?sivaizduotum?te grafeno sluoksn?, kurio storis lyg pl?vel?, jis atlaikyt? pie?tuko galiuko spaudim?, kurio prie?ingame gale balansuot? dramblys ar automobilis.

8 pav. Deimantin?s adatos grafeno sl?gis

Patento RU 2572325 savininkai:

I?radimas gali b?ti naudojamas nanoelektronikos, nanofotonikos, duj? jutikli? ir lazerini? sistem? su ultratrumpais spinduliuot?s impulsais med?iagoms ir elementams gauti. Grafenas gaminamas ?vei?iant grafit? skystame azote. Grafito taikinio pavir?ius apdorojamas impulsiniu pluo?tu lazerio spinduliuot? kuri? impulso trukm? yra 10–13 s, judant i?ilgai tikslinio pavir?iaus tokiu grei?iu, kuris u?tikrina 75% lazerio impuls? sm?gio ta?k? sutapim?. Metodas leid?ia gauti grafeno strukt?ras ?vairi? form? ir dyd?iai, u?tikrinantys auk?t? na?um? ir ekologi?kum? gamybos procesas. 2 ligoniai.

I?radimas yra susij?s su anglies nanostrukt?r? gamyba ir gali b?ti naudojamas gaminant grafen?, naudojam? kaip nanoelektronikos, nanofotonikos, duj? jutikli? ir lazerini? sistem? su ultratrumpais spinduliuot?s impulsais med?iag? ir element? pagrind?.

Visus ?iuo metu ?inomus grafeno gamybos b?dus galima suskirstyti ? dvi grupes: sintez? ir atskyrim?. Pirmoji grup? apima tokius metodus kaip grafeno sintez? cheminio gar? nusodinimo b?du, grafeno gamyba elektros lankas, silicio karbido terminis skilimas, epitaksinis augimas ant metalinio pavir?iaus ir kt. Jie leid?ia susidaryti grafenui auk?tos kokyb?s, ta?iau yra gana daug laiko ir brang?s, nes reikia naudoti sud?ting? specifin? ?rang? ir laikytis grie?t? technologini? s?lyg?. Tuo pa?iu metu, norint gauti grafen? laisvoje formoje, reikia speciali? atskyrimo ir gryninimo proced?r?. Antroji grup? jungia tokius metodus kaip mikromechaninis grafito ?veitimas, skystosios faz?s grafito ?veitimas, grafito oksidacija ir kt. Juos lengviau ?gyvendinti, ta?iau jie turi dideli? tr?kum?. Tai, vis? pirma, nedidel? reikiamos kokyb?s grafeno i?eiga ir b?tinyb? j? i?valyti nuo lydin?ios med?iagos ir naudojam? technologini? terpi? (Eletsky A.V., Iskandarova I.M., Knizhnik A.A. ir kt. Grafenas: gamybos metodai ir termofizinis savyb?s .S?km?s fiziniai mokslai, 2011, t. 181, Nr. 3, p. 233-250).

Yra ?inomas grafeno susidarymo grafito ?veitimo b?das (?r. patent? US 20130102084 A1, IPC C01B 31/04, H01L 51/00, H01L 51/42, publikacija: 2013-04-25), derinant kelet? skai?i?. variant?, susijusi? su ?vedimu ? erdv? tarp atomini? sluoksni? metalo drusk? tirpal? grafito m?ginys (Li, Al, Fe, Cu) organiniuose tirpikliuose (propileno karbonatas, N,N-dimetilformamidas, dimetilsulfoksidas). Tirpiklio jonai ir organin?s molekul?s i?ple?ia erdv? tarp atomini? sluoksni?, tod?l juos galima atskirti veikiant i?orinei varomajai j?gai, kuri gali b?ti elektrocheminio, terminio, mikrobang?, solvoterminio, akustocheminio ar akustinio pob?d?io.

?io metodo tr?kumas yra ma?as produktyvumas d?l ilgos jo ?gyvendinimo etap? trukm?s (grafito pl?timas, apdorojimas i?orine varom?ja j?ga, gauto grafeno gryninimas). Be to, ne?manoma visi?kai i?valyti grafeno i? organini? tirpikli?.

Taip pat ?inomas grafeno gamybos b?das naudojant elektromagnetin? spinduliuot? (?r. patent? US 20130056346 A1, IPC C01B 31/02, B01J 19/12, B82Y 40/00, publikacija: 2013-07-03). ?is metodas apima grafito oksido pavertim? grafenu, kai jis kaitinamas veikiant koncentruotai elektromagnetinei spinduliuotei (?skaitant lazer?).

?io metodo tr?kumas yra tas, kad pradin? grafeno gamybos med?iaga yra specialiai paruo?ti mikrodispersiniai grafito oksido milteliai, kuri? gamyba apima sud?tingus cheminius-mechaninius procesus ir aplinkai pavojing? reagent? naudojim?.

Yra ?inomas anglies nanostrukt?r? kriogeniniuose skys?iuose gamybos metodas (?r. Mortazavi S.O., P. Parvin, Reyhani A. Grafeno gamyba, pagr?sta Q-switched Nd:YAG lazerine grafito taikinio abliacija skystame azote. Laser Physics Review Letters , 2012, T. 9, Nr. 7, P. 547-552 (prototipas)), kuriame grafenas gaminamas lazeriu abliuojant grafito taikin?, ?d?t? ? skyst? azot?, naudojant impulsin? nanosekund?s Q perjungiam? Nd: YAG lazer?.

?io metodo tr?kumai yra tai, kad norint gauti grafen?, reikia ilg? laik?(20 min.), o taikinio pavir?ius apdorojamas stacionariu lazerio spinduliu, kuris riboja sintez?s srit? iki radiacijos fokusavimo ta?ko rib?. ?i? tr?kum? derinys suma?ina nagrin?jamo metodo produktyvum?.

Techninis si?lomo i?radimo rezultatas – padidinti grafeno gamybos proceso produktyvum? per vien? apdorojimo cikl?, nenaudojant chemini? med?iag?, reikalaujantis papildomo gautos med?iagos gryninimo.

Techninis rezultatas pasiekiamas tuo, kad grafeno gamybos b?du procesas vyksta skystame azote naudojant impulsin? lazerio spinduliuot?, o grafito pavir?ius apdorojamas lazerio spinduliu, kurio impulso trukm? yra 10-13 eil?s. s, judant i?ilgai tikslinio pavir?iaus grei?iu, u?tikrinan?iu 75% ta?ko persidengimo lazerio impuls? poveik?.

Fig. 1 paveiksle parodytas grafeno strukt?r?, gaut? naudojant ?? i?radim?, naudojant labai orientuoto pirolitinio grafito (HOPG) ?veitim? lazeriu, vaizdas. Fig. 2 paveiksle parodytas grafeno strukt?r?, gaut? naudojant ?? i?radim? stiklin?s anglies ?veitimo lazeriu metu, vaizdas. Vaizdai buvo gauti naudojant Quanta 200 3D skenuojant? elektronin? mikroskop?.

Metodas ?gyvendinamas naudojant TETA-10 iterbio femtosekundin? lazer?. ?is lazeris apdoroja med?iagas, kuri? spinduliuot?s bangos ilgis yra 1029 nm, impulso trukm? 300 fs ir impulso energija 150 mJ. Lazerio impuls? pasikartojimo da?nis 10 kHz. Grafito pavir?ius apdorojamas skysto azoto aplinkoje, kuri j? dengia apie 1 cm storio sluoksniu. Grafito pavir?iuje esan?ios lazerio spinduliuot?s d?m?s skersmuo yra 100 mikron?.

Bandant metod?, kaip pradin? med?iaga (tikslin? med?iaga) grafenui gaminti buvo naudojamos ?ios grafito modifikacijos: labai orientuotas pirolitinis grafitas HOPG-1.7-10x10x1-1 ir stiklin? anglis SU-2000.

Pradin?s med?iagos pavir?ius apdorojamas nuskaitymo re?imu. Lazerio spindulio greitis i?ilgai taikinio pavir?iaus yra 0,25 m/s. Esant tokiam skenavimo grei?iui, u?tikrinamas 75% lazerio impuls? sm?gio ta?k? persidengimas, o tai atitinka kiekvieno pavir?iaus elemento apdorojim? lazerio takelyje keturiais spinduliuot?s impulsais (i?skyrus pradin? ir paskutin? lazerio takelio stadijas). Esant ma?esniam ekspozicijos laipsniui, grafenas nesisluoksniuoja, ta?iau esant didesniam laipsniui, prasideda stiprus tikslinio pavir?iaus ir tuo pa?iu metu nuskilusios anglies med?iagos sunaikinimas. Pagamintos grafeno med?iagos kiekis did?ja proporcingai lazeriu apdorojamo grafito taikinio pavir?iaus plotui. Apdorojimo ploto padid?jimas u?tikrinamas keli? pra?jim? grafito pavir?iaus ap?vitinimu 100 mm atstumu tarp centrini? lazerio takeli? linij?, taip i?vengiant j? persidengimo ir i?sisluoksniavusi? grafeno strukt?r? sunaikinimo.

?gyvendinus metod?, nuo grafito taikinio pavir?iaus nulupamas apie 10 nm storio grafenas. Kai HOPG naudojamas kaip pradin? med?iaga, grafenas gaunamas iki 50 µm plo?io ir daugiau nei 150 µm ilgio juosteli? ir savavali?kos formos plok??i?, kuri? b?dingas dydis yra iki 150 µm, pavidalu. Kai kaip pradin? med?iaga naudojama stiklin? anglis, grafenas gaunamas gabal?li? pavidalu su labai i?vystytu laisvu pavir?iumi ir b?dingu ma?daug 1 mikrono dyd?iu.

Pasibaigus gamybos procesui, grafeno med?iaga laikoma viduje gamtin?s s?lygos kol skystas azotas visi?kai i?garuos, o po to jis tampa prieinamas tolesniems tyrimams ir naudojimui.

Taigi si?lomas metodas leis gauti ?vairi? form? ir dyd?i? grafeno strukt?ras, u?tikrinan?ias auk?t? gamybos proceso na?um? ir ekologi?kum?.

1. Grafeno gamybos skystame azote, naudojant impulsin? lazerio spinduliuot?, b?das, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad grafito pavir?ius yra apdorojamas lazerio spinduliu, kurio impulso trukm? yra 10–13 s, judan?iu i?ilgai tikslinio pavir?iaus grei?iu, u?tikrinan?iu 75 proc. lazerio impuls? sm?gio d?mi? sutapimas.

Pana??s patentai:

I?radimas gali b?ti naudojamas gaminant elektroninius ir optoelektroninius prietaisus, taip pat saul?s baterijas. Originalus grafitas yra i?sklaidomas adatiniu frezavimu, kad b?t? gautas dispersijos produktas, kuriame yra grafeno ir grafito element?.

I?radimas yra susij?s su anglies med?iag?, turin?i? auk?tas fizines ir mechanines charakteristikas, ypa? anglies-anglies, k?rimo ir gamybos sritimi. kompozicin?s med?iagos paremtas austais armuojan?iais u?pildais, pagamintais i? didelio modulio anglies pluo?to ir anglies matricos, susidariusios i? aik?teli? karbonizacijos proceso ir v?lesni? apdorojimo auk?toje temperat?roje metu.

I?radimas gali b?ti naudojamas gamyboje statybin?s med?iagos. Anglies degimo didelio dyd?io smulkiagr?d?io grafito ruo?ini? pakavimo metodas izostatiniu spaudimu grafitinimo metu apima j? i?d?stym? vertikaliai ir horizontaliai per ?erd? kolon?l?se, atskirtose viena nuo kitos ?erdies sluoksniais, u?pildan?iais ma?daug 0,2 ruo?inio skersmen?.

I?radimas gali b?ti naudojamas termi?kai i?pl?sto grafito (TEG) ir ugniai atspari? med?iag? gamybai. Originalus milteli? pavidalo grafitas apdorojamas oksiduojan?iu tirpalu, kuriame yra ?ie komponentai santykiu, g/g grafito: sieros r?g?tis 2,0-5,0; amonio salietros 0,04-0,15; karbamidas 0,04-0,15.

I?radimas gali b?ti naudojamas medicinoje, biologijoje ir ?em?s ?kis kaip chemini? med?iag? konteineriai, skirti med?iagoms laikyti ir transportuoti. Grafitas fluorinamas fluoroksidatoriais – chloru arba bromo trifluoridu tirpiklyje, inerti?kame nurodytiems fluoroksidatoriams, tai yra anglies tetrachloridas arba freonas.

I?radimas yra susij?s su didelio tankio keramikos tetragoninio cirkonio dioksido pagrindu gamybos sritimi. I? sukurt? med?iag? galima gaminti dilimui atsparius gaminius, pjovimo ?rankius, keraminius guolius, medicininius nerezorbuojan?ius implantus.

I?radimas yra susij?s su organin?s chemijos ir didel?s molekulin?s mas?s sritimi kompozicin?s med?iagos remiantis organiniais junginiais su auk?ta temperat?ra suyra ir gali b?ti naudojamos kaip temperat?rai atsparios dangos.

I?radimas yra susij?s su aerogeliais, kalcinuotais produktais ir kristalin?s strukt?ros produktais, kuriuose yra ZrO2, ir gali b?ti naudojami odontologijoje. Aerogelio gamybos b?das apima pirmojo cirkonio dioksido zolio, kuriame yra kristalinio metalo oksido daleli?, kuri? vidutinis pirmini? daleli? dydis yra ne didesnis kaip 50 nanometr?, pateikimo, ? cirkonio dioksido zol? ?dedant radikaliai reaguojan?io pavir?iaus modifikatoriaus, kad b?t? gautas radikalus polimerizuojamo pavir?iaus modifikuoto zolio cirkonio dioksidas, prid?ti radikalios polimerizacijos iniciatoriaus, kaitinti, kad susidaryt? gelis, ekstrahuoti alkoholis, jei yra, i? gelio superkritiniu b?du ekstrahuojamas, kad susidaryt? aerogelis.

I?radimas yra susij?s su nanotechnologij? ir nanomed?iag? sritimi. Nano dyd?io silicio milteliai gaunami ?sdinant monokristalin? silic? elektrocheminiame ?sdinimo elemente prie?elektrodu U formos i? ner?dijan?io plieno po to atliekamas mechaninis por?to sluoksnio atskyrimas nuo pagrindo, jo ?lifavimas ? izopropilo alkoholis V ultragarsin? vonia ir d?iovinimas nat?raliomis s?lygomis, o dimetilformamido tirpalas, pridedant vandenilio fluorido r?g?tis ir 20 t?rio % vandenilio peroksido (30 %).

I?radimas gali b?ti naudojamas nanoelektronikos, nanofotonikos, duj? jutikli? ir lazerini? sistem? su ultratrumpais spinduliuot?s impulsais med?iagoms ir elementams gauti. Grafenas gaminamas ?vei?iant grafit? skystame azote. Grafitinio taikinio pavir?ius apdorojamas 10-13 s trukm?s impulsin?s lazerio spinduliuot?s pluo?tu, judan?iu i?ilgai taikinio pavir?iaus tokiu grei?iu, kuris u?tikrina 75 lazerio impuls? sm?gio ta?k? persidengim?. Metodas leid?ia gauti ?vairi? form? ir dyd?i? grafeno strukt?ras, u?tikrinan?ias auk?t? gamybos proceso na?um? ir ekologi?kum?. 2 ligoniai.

Grafenas yra anglies atom? sluoksnis, sujungtas per spI ry?ius ? ?e?iakamp? dvimat? kristalin? gardel?. Tai gali b?ti laikoma viena grafito plok?tuma, atskirta nuo masinio kristalo. Remiantis skai?iavimais, grafenas pasi?ymi dideliu mechaniniu standumu ir geru ?ilumos laidumu (atitinkamai ~1 TPa ir ~5Х10 3 W m?1 K?1). Didelis dabartini? ne??j? mobilumas kambario temperat?ros tod?l tai yra daug ?adanti med?iaga, skirta naudoti ?vairiose srityse, ypa? kaip ateities pagrindas nanoelektronika ir galimas silicio pakeitimas integriniuose grandynuose.

Pagrindinis ?iuo metu egzistuojantis grafeno gamybos b?das yra pagr?stas mechaniniu grafito sluoksni? atskyrimu arba ?veitimu. Tai leid?ia gauti auk??iausios kokyb?s pavyzd?ius su dideliu ne?iklio mobilumu. ?is metodas neapima didelio masto gamybos, nes tai yra rankin? proced?ra. Kitas ?inomas metodas yra silicio karbido substrato terminio skaidymo metodas, kuris yra daug artimesnis pramoninei gamybai. Kadangi grafenas pirm? kart? buvo gautas tik 2004 m., jis dar nebuvo gerai i?tirtas ir sulaukia vis didesnio susidom?jimo.

?i med?iaga yra ne tik dalis kitos alotropin?s modifikacijos anglis: grafitas, deimantas – d?l ne?ikli? energetinio spektro ypatybi? pasi?ymi specifin?mis, prie?ingai nei kitos dvimat?s sistemos, elektrofizin?mis savyb?mis.

Atradim? istorija

Ry?iai. 1.

Grafenas yra dvimatis kristalas, susidedantis i? vieno sluoksnio anglies atom?, i?sid?s?iusi? ?e?iakamp?je gardel?je. Jo teoriniai tyrimai prasid?jo dar ilgai prie? gaunant tikrus med?iagos pavyzd?ius, nes i? grafeno galima surinkti trimat? grafito kristal?. Grafenas yra ?io kristalo teorijos konstravimo pagrindas. Grafitas yra pusmetalis, grafeno juostos strukt?roje taip pat n?ra juostos tarpo, o valentin?s juostos ir laidumo juostos s?ly?io ta?kuose elektron? ir skyli? energijos spektras yra tiesinis kaip bangos vektoriaus funkcija. Bemasiai fotonai ir ultrareliatyvistin?s dalel?s, taip pat neutrinai turi tok? spektr?. Tod?l jie sako, kad efektyvi elektron? ir skyli? mas? grafene ?alia juost? s?ly?io ta?ko yra lygi nuliui. Ta?iau ?ia verta pamin?ti, kad, nepaisant pana?um? tarp foton? ir bemasi? ne??j?, yra keletas reik?ming? grafeno skirtum?, d?l kuri? grafeno ne?ikliai yra unikal?s savo fizine prigimtimi, b?tent: elektronai ir skyl?s yra fermionai ir jie yra ?krauti. ?iuo metu yra vieni ?inom? ?i? bemasi? ?kraut? fermion? analog? elementariosios dalel?s Nr.

Bandymai gauti grafen?, pritvirtint? prie kitos med?iagos, prasid?jo eksperimentais naudojant paprast? pie?tuk? ir buvo t?siami naudojant atomin?s j?gos mikroskop?, siekiant mechani?kai pa?alinti grafito sluoksnius, ta?iau buvo nes?kmingi. Grafito naudojimas su svetimais atomais, ?terptais tarpplanin?je erdv?je (?terptas grafitas) (naudojamas atstumui tarp gretim? sluoksni? didinti ir j? suskaidymui), taip pat nedav? rezultat?.

Dvimat?s pl?vel?s stabilizavimas buvo pasiektas d?l jungties su plonu SiO 2 dielektriko sluoksniu, pana?iai kaip plonos pl?vel?s, auginamos naudojant MBE. Pirm? kart? buvo i?matuotas m?gini?, sudaryt? i? atominio storio anglies pl?veli?, laidumas, Shubnikovo-de Haas efektas ir Hall efektas.

?veitimo metodas yra gana paprastas ir lankstus, nes leid?ia dirbti su visais sluoksniuotais kristalais, tai yra su tomis med?iagomis, kurios atrodo kaip silpnai (palyginti su plok?tumos j?gomis) sujungti dvima?i? kristal? sluoksniai.

Kvitas

Ry?iai. 2.

Grafeno gabaliukai gaunami pagal mechaninis poveikis iki labai orientuoto pirolitinio grafito arba ki?o grafito. Pirmiausia tarp j? dedami ploni grafito sluoksniai lipnios juostos ir v?l ir v?l nulupami ploni grafito sluoksniai, kol gaunamas pakankamai plonas sluoksnis (tarp daugelio pl?veli? gali b?ti ir vienasluoksni?, kurios domina). Po lupimo juosta su plonomis grafito ir grafeno pl?vel?mis prispaud?iama ant oksiduoto silicio pagrindo. Tuo pa?iu metu fiksuotose pagrindo dalyse sunku gauti tam tikro dyd?io ir formos pl?vel? (horizontal?s pl?veli? matmenys paprastai yra apie 10 mikron?). Pl?vel?s, rastos naudojant optin? mikroskop? (jos yra silpnai matomos, kai dielektrinis storis 300 nm), paruo?iamos matavimams. Naudojant atomin?s j?gos mikroskop?, nustatomas tikrasis grafito pl?vel?s storis (grafenui jis gali skirtis 1 nm ribose). Naudojant elektron? litografij? ir reaktyv?j? plazmin? ?sdinim?, elektrofiziniams matavimams nustatoma pl?vel?s forma (Hall tiltas magnetinio transportavimo matavimams).

? polimerin? matric? ?terpto grafeno gamybos b?das. Reik?t? pamin?ti dar du metodus: radioda?nio plazminio cheminio nusodinimo garais (PECVD), augim? at auk?tas kraujosp?dis ir temperat?ra (angli?kai HPHT). I? ?i? metod? tik paskutinis gali b?ti naudojamas didelio ploto pl?vel?ms gauti.

Grafito pl?vel? susidaro termi?kai skaidant SiC substrato pavir?i? (?is grafeno gamybos b?das yra daug artimesnis pramoninei gamybai), o i?augintos pl?vel?s kokyb? priklauso nuo to, kok? stabilizavim? turi kristalas: C-stabilizuotas arba Si-stabilizuotas pavir?ius - pirmuoju atveju pl?veli? kokyb? yra auk?tesn?. Parodyta, kad nepaisant to, kad grafito sluoksnio storis yra daugiau nei vienas monosluoksnis, laidumui dalyvauja tik vienas sluoksnis, esantis ?alia pagrindo, nes SiC-C s?sajoje susidaro nekompensuotas kr?vis d?l dviej? med?iag? darbo funkcij? skirtumai. Tokios pl?vel?s savyb?s pasirod? lygiavert?s grafeno savyb?ms.

Yra keli grafeno gamybos b?dai, kuriuos galima suskirstyti ? tris dideles grupes. Pirmajai grupei priskiriami mechaniniai grafeno gamybos metodai, kuri? pagrindinis yra mechaninis ?veitimas, kuris ?iuo metu (2008 m.) yra labiausiai paplit?s b?das gaminti didelius, ~10 mm dyd?io m?ginius, tinkamus transportavimui ir optiniams matavimams. Antroji metod? grup? apima cheminiai metodai, kurioms b?dingas didelis med?iagos i?eigumo procentas, ta?iau nedideli pl?vel?s dyd?iai ~10-100 nm. Paskutinei grupei priklauso epitaksiniai metodai ir SiC substrat? terminio skaidymo metodas, kurio d?ka galima auginti grafeno pl?veles.

Mechaniniai metodai

Mechani?kai veikiant labai orientuot? pirolizin? grafit? (HOPG rei?kia labai orientuot? pirolitin? grafit?, kuris yra labai orientuota pirolitinio grafito forma, kurios c a?ies kampinis sklidimas yra ma?esnis nei 1 laipsnis. Paprastai naudojamas kaip kalibravimo ?rankis mikroskopiniams tyrimams pavyzd?iui, skenuojanti tunelin? mikroskopija arba atomin?s j?gos mikroskopija, komercin? HOPG paprastai gaminama atkaitinant 3300 K temperat?roje. HOPG elgiasi kaip labai grynas metalas. Jis gerai atspindi ?vies? ir yra geras elektros laidininkas, ta?iau HOPG yra labai trapus ir buvo naudojamas kaip substratas daugelyje sri?i?. moksliniai eksperimentai.) arba quiche-grafito, galima gauti grafeno pl?veles iki ~100 µm. Pirmiausia tarp lipni?j? juost? dedami ploni grafito sluoksniai ir v?l ir v?l nulupamos plonos grafito pl?vel?s, kol gaunamas pakankamai plonas sluoksnis (tarp daugelio pl?veli? gali b?ti ir vienasluoksni?, kurios domina). Po lupimo juosta su plonomis grafito ir grafeno pl?vel?mis prispaud?iama ant oksiduoto silicio pagrindo. Tuo pa?iu metu fiksuotose pagrindo dalyse sunku gauti tam tikro dyd?io ir formos pl?vel? (horizontal?s pl?veli? matmenys paprastai yra apie 10 mikron?). Pl?vel?s, rastos naudojant optin? mikroskop? (jos yra silpnai matomos, kai dielektrinis storis 300 nm), paruo?iamos matavimams. Naudojant atomin?s j?gos mikroskop?, nustatomas tikrasis grafito pl?vel?s storis (grafenui jis gali skirtis 1 nm ribose). Grafenas taip pat gali b?ti aptiktas naudojant Ramano ?viesos sklaidos arba kvantinio Holo efekto matavimus. Naudojant elektron? litografij? ir reaktyv?j? plazmin? ?sdinim?, elektrofiziniams matavimams nustatoma pl?vel?s forma (Hall tiltas magnetinio transportavimo matavimams).

Kitas b?das – oksiduoto silicio substratas padengiamas epoksidiniais klijais (darbe panaudotas ~10 mm sluoksnio storis) ir presu prie klij? prispaud?iama plona grafito plok?tel?. Nu?mus grafito plok?t? lipnia juosta, klij? pavir?iuje lieka vietos su grafenu ir grafitu. Grafito storis nustatytas Ramano sklaidos metodu, o grafeno ?iurk?tumas i?matuotas atomin?s j?gos mikroskopu, kuris pasirod? es?s tik 0,16 nm (pus? grafeno ?iurk?tumo ant silicio substrato).

Epitaksija ir skilimas

Reik?t? pamin?ti dar du metodus: radijo da?nio plazminis cheminis nusodinimas i? gar? (PECVD), auginimas esant auk?tam sl?giui ir temperat?rai (HPHT). I? ?i? metod? tik paskutinis gali b?ti naudojamas didelio ploto pl?vel?ms gauti.

Grafito pl?vel? susidaro termi?kai skaidant SiC substrato pavir?i? (?is grafeno gamybos b?das yra daug artimesnis pramoninei gamybai), o i?augintos pl?vel?s kokyb? priklauso nuo to, kok? stabilizavim? turi kristalas: C-stabilizuotas arba Si-stabilizuotas pavir?ius - pirmuoju atveju pl?veli? kokyb? yra auk?tesn?. Nepaisant to, kad grafito sluoksnio storis yra daugiau nei vienas monosluoksnis, laidumui dalyvauja tik vienas sluoksnis, esantis ?alia pagrindo, nes d?l darbo funkcij? skirtumo SiC-C s?sajoje susidaro nekompensuotas kr?vis. i? dviej? med?iag?. Tokios pl?vel?s savyb?s pasirod? lygiavert?s grafeno savyb?ms.

Grafenas gali b?ti auginamas ant rutenio ir irid?io metalo substrat?.

Kiti metodai

Jei tarp elektrod? yra pirolitinio grafito kristalas ir substratas, galima u?tikrinti, kad grafito gabal?liai nuo pavir?iaus, tarp kuri? gali b?ti atominio storio pl?vel?s, b?t? veikiami elektrinis laukas gali persikelti ant oksiduoto silicio substrato. Siekiant i?vengti gedimo (tarp elektrod? buvo ?jungta nuo 1 iki 13 kV ?tampa), tarp elektrod? taip pat buvo dedama plona ??ru?io plok?tel?.

Ka?koks derinys mechaninis metodas(ant silicio pagrindo pavir?iaus u?ra?omas grafito strypas, sunaikinant paliekamos pl?vel?s) ir v?lesnis atkaitinimas auk?toje temperat?roje (~1100 K) naudojamas ploniems grafito sluoksniams iki viensluoksni? pl?veli? gauti.

Galimos programos

Manoma, kad grafeno pagrindu galima sukonstruoti balistin? tranzistori?. Gautas lauko tranzistorius grafeno pagrindu, taip pat kvantini? trukd?i? ?taisas. Tyr?jai mano, kad d?l j? laim?jim? netrukus bus nauja klas? grafeno nanoelektronika, kurios bazinio tranzistoriaus storis iki 10 nm. ?is tranzistorius turi didel? nuot?kio srov?, tai yra, ne?manoma atskirti dviej? b?sen? u?daru ir atviru kanalu.

Ne?manoma tiesiogiai naudoti grafeno lauko tranzistoriaus be nuot?kio srovi? sukurti, nes ?ioje med?iagoje n?ra juostos tarpo, nes ne?manoma pasiekti reik?mingo pasiprie?inimo skirtumo esant bet kokiai vartams ?tampai, t. , ne?manoma nurodyti dviej? dvejetainei logikai tinkam? b?sen?: laid?iosios ir nelaid?iosios . Pirmiausia reikia ka?kaip sukurti pakankamo plo?io draud?iam? zon? darbin? temperat?ra(kad termi?kai su?adinti ne?ikliai ?iek tiek prisid?t? prie laidumo). Vienas i? galimi b?dai pasi?lytas darbe. ?iame darbe si?loma sukurti plonas grafeno juosteles, kuri? plotis b?t? toks, kad d?l kvantinio u?darymo efekto juostos tarpas b?t? pakankamas, kad prietaisas kambario temperat?roje (28 meV atitinka juostel?) pereit? ? dielektrin? b?sen? (u?dar? b?sen?). plotis 20 nm). D?l didelio mobilumo (tai rei?kia, kad mobilumas didesnis nei mikroelektronikoje naudojamo silicio) 10 4 V cm?1 s?1, tokio tranzistoriaus na?umas bus pastebimai didesnis. Nepaisant to, kad ?is ?renginys jau gali veikti kaip tranzistorius, vartai jam dar nebuvo sukurti.

Kitas pritaikymas yra naudoti grafen? kaip labai jautr? jutikl? atskiroms chemin?ms molekul?ms, pritvirtintoms prie pl?vel?s pavir?iaus, aptikti.

Kita perspektyvi grafeno taikymo sritis yra jo naudojimas gaminant elektrodus jonistori? (superkondensatori?), skirt? naudoti kaip ?kraunamus srov?s ?altinius, gamybai.