Titel(er): Skaffa skummad grafit och grafen

Katalognummer: 7

Huvud?mne (skola): kemi

Kunskapsomr?de (universitet): interstitiella f?reningar i grafit, nanoelektronik

Relevans: Nobelpriset delades ut 2010 f?r uppt?ckten av grafen. L?ngt innan detta studerades en unik klass av f?reningar, olika interstitiella f?reningar i grafit, tillr?ckligt detaljerat, vilka i synnerhet anv?nds f?r att erh?lla skummad grafit och aktiva flamskyddsmaterial. Genomf?randet av projektarbete f?r att erh?lla och studera egenskaperna hos s?dana material kan avsev?rt ut?ka studentens horisonter, men ur s?kerhetssynpunkt m?ste det utf?ras i n?ra samarbete med handledare.

Nyhet: syntes och studie av beteendet hos interkaleringsf?reningar baserade p? grafit

Syfte: att erh?lla interkaleringsf?reningar med ovanliga kemiska och elektrofysiska egenskaper

1. studie av litteratur om strukturen och egenskaperna hos grafit, interstitiella f?reningar i grafit (GIC), syntes och egenskaper hos grafenoxid och grafen, deras praktiska anv?ndning

2. val av metoder f?r att erh?lla SVG med salpetersyra, erh?lla skumgrafit under v?rmebehandling av SVG

3. val av metoder f?r att erh?lla grafenoxid

4. rening av grafenoxidsuspension

5. Erh?lla grafen genom kemisk reduktion av grafenoxid eller under dess v?rmebehandling

6. avs?ttning av grafenark p? ett transparent polymermaterial f?r att erh?lla en flexibel transparent ledare

7. Studie av elektrisk och termisk ledningsf?rm?ga hos grafit och skumgrafit

Experimentella tillv?gag?ngss?tt: beredning av mellanliggande f?reningar i grafit genom interaktion med koncentrerade syror, kemisk delaminering av grafit

Metodologiska tillv?gag?ngss?tt: bekantskap med kemin hos icke-st?kiometriska f?reningar, interkalationsf?reningar, kristallgitteranisotropi, teorin om kemisk bindning i kolnanomaterial

N?dv?ndiga anpassade reagenser och resurser: koncentrerade syror, ren grafit, natriumborhydrid, termisk utrustning

Att bem?stra det teoretiska materialet av studenten: struktur och egenskaper hos kolnanomaterial och m?jligheter f?r deras praktiska anv?ndning, kemisk bindning i polyaromatiska f?reningar, hybridiseringsteori, kovalenta, metalliska, van der Waals-krafter

Elevens f?rdigheter: arbeta med koncentrerade syror (efter en detaljerad genomg?ng, i hud- och ?gonskydd, under ?verinseende av en l?rare eller handledare), arbeta med termisk utrustning,

Tidigare material om skolans l?roplan: kemi av kol, aromatiska f?reningar, allotropi av kol

L?rarens roll: ?vergripande projektledning, direkt deltagande i alla experiment, detaljerad information och ?vervakning av efterlevnaden av s?kerhetsf?reskrifter

M?jlig hj?lp av handledare: tillhandah?lla reagenser, ytterligare litteratur, r?dgivande hj?lp

S?kerhets?tg?rder: arbete med fr?tande ?mnen och koncentrerade syror kr?vs, allt b?r endast g?ras under drag, i kl?nningar, handskar och glas?gon, endast i n?rvaro av en l?rare eller handledare

Anm?rkningar: n?r det g?ller att erh?lla grafen kan de unders?kas ytterligare med hj?lp av atomkraftsmikroskopi och Ramanspektroskopi (i samarbete med universitetet).

Idealiserad struktur av grafenoxid

Andra verk i klustret "Katalog ?ver ?mnen f?r designarbete" (hypertextnavigator):

Moderna industriella processer anv?nder starka syror, alkalier och till och med plasma, men enligt den nya metoden fr?n amerikanska forskare beh?vs bara en acetylencylinder, en syrecylinder och en gnista.

Fr?n v?nster till h?ger: Justin Wright, Chris Sorensen, Arjun Nepal

Grafen - ett lager av kol en atom tjockt - har pl?tsligt blivit ett av de mest eftertraktade materialen i den h?gteknologiska v?rlden. Det uppfattas av m?nga som ett universalmedel f?r att l?sa problemen med medicin och elektronik. Man tror att med grafen kommer batterier att f? en h?gre kapacitet, neurala gr?nssnitt kommer att bli verklighet och l?kare kommer att l?ra sig hur man g?r unika proteser.

Nu ?r produktionen av grafen i industriell skala en mycket energikr?vande, komplex och dyr process. Detta ?r antingen skalning av lager, som g?rs manuellt i laboratorier och kan inte bli en industriell l?sning. Eller anv?ndning av kemi, katalysatorer och uppv?rmning upp till 1000 grader Celsius, vilket ?r energikr?vande.

Oftast erh?lls det fr?n ett naturligt material - pyrolytisk grafit, som reduceras till rent kol, och sedan mekaniskt och kemiskt s?kerst?lla att enskilda partiklar av grafen inte ?r tjockare ?n flera lager. I produktionsprocessen anv?nds starka syror, alkalier, mycket h?ga temperaturer och tryck skapas. D?rf?r ?r uppkomsten av en billig metod f?r att erh?lla detta material viktigt.

Forskare fr?n Kansas State University tillk?nnagav uppt?ckten av ett billigt s?tt att masstillverka grafen. Detta kr?ver bara ett f?tal tillg?ngliga komponenter: kolv?tegas, syre, ett t?ndstift och en f?rbr?nningskammare.

F?r att f? grafen r?cker det att fylla f?rbr?nningskammaren med acetylen eller gasformig etylen och syre och sedan, med hj?lp av ett bilt?ndstift, f? blandningen av gaser att detonera. I det h?r fallet kommer grafen att bildas, som endast kommer att samlas upp fr?n f?rbr?nningskammarens v?ggar. Processen att erh?lla grafen best?r s?ledes i explosionen av material med h?gt kolinneh?ll.

Denna metod uppt?cktes av forskare helt av en slump. Forskarna utvecklade en metod f?r att tillverka en kolhaltig aerosolgel. F?r att g?ra detta anv?nde de ovanst?ende process. Efter detonationen bildades sot, som efter studier visade sig vara grafen. Forskare s?ger att de inte planerade att skaffa detta material, de hade bara tur.

Det nya s?ttet att tillverka grafen har ett antal f?rdelar j?mf?rt med de metoder som anv?nds idag. Det kr?ver inte anv?ndning av skadliga kemikalier och mycket energi. Det g?r det ocks? m?jligt att producera grafen i stora m?ngder och l?tt skala produktion. Slutligen ?r denna metod mer l?nsam ur ekonomisk synvinkel.

Grafen ?r en tv?dimensionell allotrop modifiering av kol, d?r alla atomer l?ggs p? ett plan i rader av regelbundna hexagoner.

Grafen erh?lls f?rst 2004 och har visat sig vara ett extremt anv?ndbart material f?r elektronik och energi. Det ?r mycket starkt, mycket termiskt ledande, och n?gra av dess egenskaper ?r generellt sett unika: till exempel ?r grafen materialet med den h?gsta elektronr?rligheten av alla k?nda f?r vetenskapen. Det ?r denna egenskap som gjorde den oumb?rlig i elektronik, katalysatorer, batterier och kompositmaterial.

Prenumerera p? Qibble p? Viber och Telegram f?r att h?lla dig ? jour med de mest intressanta h?ndelserna.

Fram till f?rra ?ret var det enda s?ttet k?nt f?r vetenskapen att producera grafen att applicera det tunnaste lagret av grafit p? tejp och sedan ta bort basen. Denna teknik kallas "scotch tape-tekniken". Nyligen har dock forskare uppt?ckt att det finns ett mer effektivt s?tt att f? fram ett nytt material: som bas b?rjade de anv?nda ett lager av koppar, nickel eller kisel, som sedan avl?gsnas genom etsning (fig. 2). P? detta s?tt skapades rektangul?ra ark av grafen 76 centimeter breda av ett team av forskare fr?n Korea, Japan och Singapore. Forskarna satte inte bara ett slags rekord f?r storleken p? en bit av en enskiktsstruktur av kolatomer, de skapade ocks? k?nsliga sk?rmar baserade p? flexibla ark.

Figur 2: Erh?lla grafen genom etsning

F?r f?rsta g?ngen erh?lls grafen "flingor" av fysiker f?rst 2004, n?r deras storlek bara var 10 mikrometer. F?r ett ?r sedan meddelade teamet till Rodney Ruoff vid University of Texas i Austin att de hade lyckats skapa centimeterstora "rester" av grafen.

Ruoff och kollegor avsatte kolatomer p? kopparfolie med kemisk ?ngavs?ttning (CVD). Forskare vid professor Byun Hee Hongs laboratorium fr?n Sunkhyunkhwan University gick l?ngre och f?rstorade arken till storleken av en fullfj?drad sk?rm. Den nya "rulle"-teknologin (rulle-till-rulle-bearbetning) g?r det m?jligt att f? ett l?ngt band fr?n grafen (Fig. 3).

Figur 3: H?guppl?st traav staplade grafenlager.

Ett skikt av en vidh?ftande polymer placerades ovanp? fysiks grafenarken, kopparsubstraten l?stes upp, sedan separerades polymerfilmen - ett enda skikt av grafen erh?lls. F?r att ge arken st?rre styrka "v?xte" forskare p? samma s?tt upp ytterligare tre lager grafen. I slutet behandlades den resulterande "sm?rg?sen" med salpetersyra f?r att f?rb?ttra ledningsf?rm?gan. Ett helt nytt grafenark placeras p? ett polyestersubstrat och f?rs mellan uppv?rmda rullar (fig. 4).

Figur 4: Rullteknik f?r att erh?lla grafen

Den resulterande strukturen transmitterade 90 % av ljuset och hade ett elektriskt motst?nd som var l?gre ?n det f?r standard, men fortfarande mycket dyr, transparent ledare, indiumtennoxid (ITO). F?rresten, med hj?lp av ark av grafen som grund f?r peksk?rmar, fann forskarna att deras struktur ocks? ?r mindre ?mt?lig.

Det ?r sant att trots alla framg?ngar ?r kommersialiseringen av teknik fortfarande v?ldigt l?ngt borta. Genomskinliga nanor?rsfilmer i kol har f?rs?kt ers?tta ITO under ganska l?ng tid, men tillverkare verkar inte kunna komma runt problemet med "d?da pixlar" som visas p? filmdefekter.

Anv?ndningen av grafener inom elektroteknik och elektronik

Ljusstyrkan f?r pixlar p? platta sk?rmar best?ms av sp?nningen mellan tv? elektroder, varav den ena ?r v?nd mot betraktaren (fig. 5). Dessa elektroder m?ste vara genomskinliga. F?r n?rvarande anv?nds tenndopad indiumoxid (ITO) f?r att producera transparenta elektroder, men ITO ?r dyrt och inte det mest stabila materialet. Dessutom kommer v?rlden snart att t?mma sina reserver av indium. Grafen ?r mer transparent och stabilare ?n ITO, och en grafenelektrod-LCD har redan demonstrerats.

Figur 5: Ljusstyrka f?r grafensk?rmar som en funktion av applicerad sp?nning

Materialet har ocks? stor potential inom andra omr?den inom elektronik. I april 2008 demonstrerade forskare fr?n Manchester v?rldens minsta grafentransistor. Ett helt korrekt lager av grafen styr materialets motst?nd och f?rvandlar det till ett dielektrikum. Det blir m?jligt att skapa en mikroskopisk str?mbrytare f?r en h?ghastighets nanotransistor f?r att styra individuella elektroners r?relse. Ju mindre transistorer i mikroprocessorer, desto snabbare ?r det, och forskarna hoppas att grafentransistorer i framtidens datorer kommer att vara lika stora som en molekyl, med tanke p? att modern kiselmikrotransistorteknologi n?stan har n?tt sin gr?ns.

Grafen ?r inte bara en utm?rkt ledare av elektricitet. Den har den h?gsta v?rmeledningsf?rm?gan: atomvibrationer fortplantar sig l?tt genom koln?tet i en cellul?r struktur. V?rmeavledning inom elektronik ?r ett allvarligt problem eftersom det finns gr?nser f?r de h?ga temperaturer som elektroniken t?l. Men forskare vid University of Illinois har funnit att grafenbaserade transistorer har en intressant egenskap. De manifesterar en termoelektrisk effekt, vilket leder till en minskning av enhetens temperatur. Detta kan inneb?ra att grafenbaserad elektronik kommer att g?ra kylfl?nsar och fl?ktar till ett minne blott. S?ledes ?kar attraktionskraften f?r grafen som ett lovande material f?r framtidens mikrokretsar ytterligare (Fig. 6).

Figur 6: En atomkraftmikroskopsond som skannar ytan p? en grafen-metallkontakt f?r att m?ta temperaturen.

Det var inte l?tt f?r forskare att m?ta grafenens v?rmeledningsf?rm?ga. De uppfann ett helt nytt s?tt att m?ta dess temperatur genom att placera en 3-mikron l?ng grafenfilm ?ver exakt samma lilla h?l i en kiseldioxidkristall. Filmen v?rmdes sedan upp med en laserstr?le, vilket fick den att vibrera. Dessa vibrationer hj?lpte till att ber?kna temperaturen och v?rmeledningsf?rm?gan.

Forskarnas uppfinningsrikedom k?nner inga gr?nser n?r det g?ller att anv?nda ett nytt ?mnes fenomenala egenskaper. I augusti 2007 skapades den mest k?nsliga av alla m?jliga sensorer baserade p? den. Den kan svara p? en gasmolekyl, vilket hj?lper till att uppt?cka f?rekomsten av gifter eller spr?ng?mnen i tid. Fr?mmande molekyler sjunker lugnt ner i grafenn?tverket, sl?r ut elektroner fr?n det eller l?gger till dem. Som ett resultat ?ndras det elektriska motst?ndet i grafenskiktet, vilket m?ts av forskare. ?ven de minsta molekylerna f?ngas av det starka grafenn?tet. I september 2008 visade forskare fr?n Cornell University i USA hur ett grafenmembran, som den tunnaste ballongen, bl?ser upp p? grund av en tryckskillnad p? flera atmosf?rer p? b?da sidor om den. Denna egenskap hos grafen kan vara anv?ndbar f?r att best?mma f?rloppet av olika kemiska reaktioner och i allm?nhet f?r att studera beteendet hos atomer och molekyler.

Att f? stora ark rent grafen ?r fortfarande mycket sv?rt, men uppgiften kan f?renklas om kolskiktet blandas med andra grund?mnen. Vid Northwestern University i USA oxiderades grafit och l?stes i vatten. Resultatet blev ett pappersliknande material - grafenoxidpapper (Fig. 7). Den ?r v?ldigt seg och ganska enkel att g?ra. Grafenoxid ?r l?mpligt som ett h?llbart membran i batterier och br?nsleceller.

Figur 7: Grafenoxidpapper

Grafenmembranet ?r ett idealiskt substrat f?r f?rem?l att studera under ett elektronmikroskop. Felfria celler sm?lter samman i bilder till en enhetlig gr? bakgrund, mot vilken andra atomer framtr?der tydligt. Fram tills nu var det n?stan om?jligt att urskilja de l?ttaste atomerna i ett elektronmikroskop, men med grafen som substrat kan ?ven sm? v?teatomer ses.

M?jligheterna att anv?nda grafen ?r o?ndliga. Nyligen kom fysiker vid Northwestern University i USA p? att grafen kan blandas med plast. Resultatet ?r ett tunt, superstarkt material som t?l h?ga temperaturer och ?r ogenomtr?ngligt f?r gaser och v?tskor.

Omfattningen av dess till?mpning ?r produktion av l?tta bensinstationer, reservdelar f?r bilar och flygplan, h?llbara vindturbinblad. Plast kan anv?ndas f?r att packa livsmedel och h?lla dem fr?scha under l?ng tid.

Grafen ?r inte bara det tunnaste, utan ocks? det mest h?llbara materialet i v?rlden. Forskare vid Columbia University i New York har verifierat detta genom att placera grafen ?ver sm? h?l i en kiselkristall. Sedan, genom att trycka p? den tunnaste diamantn?len, f?rs?kte de f?rst?ra grafenskiktet och m?tte tryckkraften (fig. 8). Det visade sig att grafen ?r 200 g?nger starkare ?n st?l. Om du f?rest?ller dig ett grafenlager tjockt som matfilm skulle det st? emot trycket fr?n en pennspets, i vars motsatta ?nde en elefant eller en bil skulle balansera.

Figur 8: Tryck p? grafendiamantn?l

?garna av patentet RU 2572325:

Uppfinningen kan anv?ndas f?r att erh?lla material och element av nanoelektronik, nanofotonik, gassensorer och lasersystem med ultrakorta str?lningspulser. Grafen erh?lls genom att exfoliera grafit i flytande kv?ve. Ytan p? grafitm?let behandlas med en str?le av pulsad laserstr?lning med en pulsl?ngd p? cirka 10-13 s, som r?r sig ?ver m?lytan med en hastighet som ger 75 % t?ckning av laserpulsfl?ckarna. Metoden g?r det m?jligt att erh?lla grafenstrukturer av olika former och storlekar, vilket s?kerst?ller h?g produktivitet och milj?v?nlighet i produktionsprocessen. 2 sjuka.

Uppfinningen avser framst?llning av kolnanostrukturer och kan anv?ndas f?r att erh?lla grafen f?r anv?ndning som underlag f?r material och element inom nanoelektronik, nanofotonik, gassensorer och lasersystem med ultrakorta str?lningspulser.

Alla f?r n?rvarande k?nda metoder f?r att erh?lla grafen kan delas in i tv? grupper: syntes och separation. Den f?rsta gruppen inkluderar s?dana metoder som grafensyntes genom kemisk ?ngavs?ttning, grafenproduktion i en ljusb?ge, termisk nedbrytning av kiselkarbid, epitaxiell tillv?xt p? en metallyta, etc. De g?r det m?jligt att bilda grafen av h?g kvalitet, men de ?r ganska tidskr?vande och dyra, eftersom de kr?ver anv?ndning av komplex specifik utrustning och uppfyllande av strikta tekniska villkor. Samtidigt kr?ver att f? gratis grafen speciella separations- och reningsprocedurer. Den andra gruppen kombinerar s?dana metoder som mikromekanisk separation av grafit, v?tskefasseparation av grafit, oxidation av grafit, etc. De ?r l?ttare att implementera, men har betydande nackdelar. Detta ?r f?rst och fr?mst en liten del av produktionen av grafen av den erforderliga kvaliteten och behovet av att rena den fr?n det medf?ljande materialet och de tekniska medier som anv?nds (Eletsky A.V., Iskandarova I.M., Knizhnik A.A. et al. Grafen: produktionsmetoder och termofysiska egenskaper Uspekhi fizicheskikh nauk, 2011, vol. 181, nr 3, s. 233-250).

En k?nd metod f?r att bilda grafen genom att exfoliera grafit (se patent US 20130102084 A1, IPC C01B 31/04, H01L 51/00, H01L 51/42, publ.: 2013-04-25), som kombinerar ett antal introduktionsm?jligheter in i utrymmet mellan atomskikten grafitprov av l?sningar av metallsalter (Li, Al, Fe, Cu) i organiska l?sningsmedel (propylenkarbonat, N,N-dimetylformamid, dimetylsulfoxid). Joner och organiska l?sningsmedelsmolekyler ut?kar utrymmet mellan atomskikten, vilket g?r det m?jligt att separera dem under p?verkan av en extern drivkraft, som kan vara av elektrokemisk, termisk, mikrov?gs, solvotermisk, akustokemisk eller akustisk natur.

Nackdelen med denna metod ?r l?g produktivitet p? grund av den l?nga varaktigheten av stadierna av dess implementering (expansion av grafit, bearbetning av en extern drivkraft, rening av den resulterande grafenen). Dessutom ?r fullst?ndig rening av grafen fr?n organiska l?sningsmedel inte m?jlig.

Det finns ocks? en metod f?r framst?llning av grafen med hj?lp av elektromagnetisk str?lning (se US patent 20130056346 A1, IPC C01B 31/02, B01J 19/12, B82Y 40/00, publ.: 2013-07-03). Denna metod inneb?r omvandling av grafitoxid till grafen n?r den v?rms upp under inverkan av koncentrerad elektromagnetisk str?lning (inklusive laserstr?lning).

Nackdelen med denna metod ?r att utg?ngsmaterialet f?r att erh?lla grafen ?r ett speciellt framst?llt mikrodispergerat pulver av grafitoxid, vars produktion ?r f?rknippad med komplexa kemisk-mekaniska processer och anv?ndningen av milj?farliga reagenser.

Det finns en k?nd metod f?r framst?llning av kolnanostrukturer i kryogena v?tskor (se Mortazavi S.Z., P. Parvin, Reyhani A. Tillverkning av grafen baserad p? Q-switchad Nd:YAG laserablation av grafitm?l i flytande kv?ve. Laser Physics Review Letters, 2012, volym 9, nr 7, s. 547-552 (prototyp)), d?r grafen erh?lls genom laserablation av ett grafitm?l placerat i flytande kv?ve med anv?ndning av en pulsad Q-switchad nanosekund Nd:YAG laser.

Nackdelarna med denna metod inkluderar det faktum att grafenproduktion kr?ver l?ng tid (20 minuter) och m?lytan behandlas med en station?r laserstr?le, vilket begr?nsar syntesomr?det till gr?nserna f?r str?lningsfokuseringspunkten. Kombinationen av dessa brister minskar prestandan hos metoden i fr?ga.

Det tekniska resultatet av uppfinningen ?r att ?ka produktiviteten f?r grafenproduktionsprocessen i en processcykel utan anv?ndning av kemikalier som kr?ver ytterligare rening av det resulterande materialet.

Det tekniska resultatet uppn?s genom att i metoden f?r framst?llning av grafen utf?rs processen i flytande kv?ve med anv?ndning av pulsad laserstr?lning, och grafitytan behandlas med en laserstr?lningsstr?le med en pulsl?ngd av storleksordningen 10 - 13 s, och r?r sig ?ver m?lytan med en hastighet som ger 75 % punkt?verlappningsexponering f?r laserpulser.

I FIG. 1 visar en bild av grafenstrukturer erh?llna med anv?ndning av uppfinningen genom laserdelaminering av h?gorienterad pyrolytisk grafit (HOPG). I FIG. 2 visar en bild av grafenstrukturer erh?llna med anv?ndning av uppfinningen vid laserdelaminering av glasartat kol. Bilderna erh?lls med hj?lp av ett Quanta 200 3D svepelektronmikroskop.

Metoden implementeras med en TETA-10 ytterbium femtosekundlaser. Denna laser ger bearbetning av material med str?lning med en v?gl?ngd p? 1029 nm, en pulsl?ngd p? 300 fs och en energi per puls p? 150 mJ. Laserpulsrepetitionshastigheten ?r 10 kHz. Grafitytan ?r behandlad i flytande kv?ve, som t?cker den med ett ca 1 cm tjockt lager.Diametern p? laserstr?lningsfl?cken p? grafitytan ?r 100 mm.

Vid testning av metoden anv?ndes f?ljande grafitmodifikationer som utg?ngsmaterial (m?lmaterial) f?r att erh?lla grafen: h?gorienterad pyrolytisk grafit VOPG-1.7-10x10x1-1 och glasaktigt kol SU-2000.

Ytbehandling av k?llmaterialet utf?rs i skanningsl?ge. Laserstr?lens hastighet p? m?lytan ?r 0,25 m/s. Vid denna avs?kningshastighet tillhandah?lls 75 % t?ckning av laserpulspunkterna, vilket motsvarar bearbetningen av varje ytelement inom lasersp?ret med fyra str?lningspulser (f?rutom lasersp?rets initiala och slutliga steg). Vid en l?gre grad av st?t sker inte grafenexfoliering och i h?gre grad b?rjar en kraftig destruktion av m?lytan och samtidigt av det exfolierade kolmaterialet. M?ngden erh?llet grafenmaterial ?kar i proportion till ytan p? grafitm?let som uts?tts f?r laserbearbetning. En ?kning av bearbetningsomr?det tillhandah?lls av multipass bestr?lning av grafitytan med ett avst?nd mellan de centrala linjerna av lasersp?r p? 100 mm, vilket g?r det m?jligt att undvika deras ?verlappning och f?rst?relse av exfolierade grafenstrukturer.

Som ett resultat av implementeringen av metoden exfolierar grafen med en tjocklek p? cirka 10 nm fr?n ytan av grafitm?let. Vid anv?ndning av HOPG som utg?ngsmaterial erh?lls grafen i form av band upp till 50 mm breda och mer ?n 150 mm l?nga och godtyckligt formade plattor med en karakteristisk storlek p? upp till 150 mm. Vid anv?ndning av glasartat kol som utg?ngsmaterial erh?lls grafen i form av klumpar med en h?gt utvecklad fri yta och en karakteristisk storlek p? cirka 1 mm.

Efter slutf?randet av produktionsprocessen h?lls grafenmaterialet under naturliga f?rh?llanden tills det flytande kv?vet ?r helt avdunstat, varefter det blir tillg?ngligt f?r vidare forskning och anv?ndning.

S?ledes kommer den f?reslagna metoden att g?ra det m?jligt att erh?lla grafenstrukturer av olika former och storlekar med h?g produktivitet och milj?v?nlighet i produktionsprocessen.

En metod f?r framst?llning av grafen i flytande kv?ve med anv?ndning av pulsad laserstr?lning, k?nnetecknad av att grafitytan behandlas med en laserstr?lningsstr?le med en pulsl?ngd p? cirka 10-13 s, som r?r sig ?ver m?lytan med en hastighet som ger 75 % ?verlappning av laserpulsfl?ckar.

Liknande patent:

Uppfinningen kan anv?ndas vid tillverkning av elektroniska och optoelektroniska anordningar, s?v?l som solceller. Den ursprungliga grafiten dispergeras genom n?lning f?r att erh?lla en dispersionsprodukt som inneh?ller grafen och grafitelement.

Uppfinningen h?nf?r sig till omr?det f?r skapande och framst?llning av kolmaterial med h?ga fysiska och mekaniska egenskaper, i synnerhet kol-kolkompositmaterial baserade p? v?vda f?rst?rkande fyllmedel fr?n kolfiber med h?g modul och en kolmatris bildad av beck under f?rkolning och efterf?ljande h?g modul. -temperaturbehandlingar.

Uppfinningen kan anv?ndas vid tillverkning av konstruktionsmaterial. Metoden att stapla koleldade ?mnen av stor storlek av finkornig grafit av isostatisk pressning under grafitisering innefattar deras arrangemang vertikalt och horisontellt ?ver k?rnan i kolonner separerade fr?n varandra av lager av k?rnfyllning med en tjocklek av cirka 0,2 av diametern av det tomma.

Uppfinningen kan anv?ndas f?r tillverkning av termiskt expanderad grafit (TEG) och brandh?mmande material. Den ursprungliga grafiten i pulverform behandlas med en oxiderande l?sning inneh?llande f?ljande komponenter i f?rh?llandet, g/g grafit: svavelsyra 2,0-5,0; ammoniumnitrat 0,04-0,15; karbamid 0,04-0,15.

Uppfinningen kan anv?ndas inom medicin, biologi och jordbruk som kemikaliebeh?llare f?r lagring och transport av substanser. Grafit ?r fluorerad med fluoroxidanter - klor eller bromtrifluorid i ett l?sningsmedel som ?r inert mot de angivna fluoroxidanterna, som ?r koltetraklorid eller freon.

Uppfinningen h?nf?r sig till framst?llning av keramer med h?g densitet baserad p? tetragonal zirkoniumdioxid. De utvecklade materialen kan anv?ndas f?r att erh?lla slitstarka produkter, sk?rverktyg, keramiska lager, medicinska icke-resorberbara implantat.

Uppfinningen avser omr?det organisk kemi och h?gmolekyl?ra kompositmaterial baserade p? organiska f?reningar med h?g nedbrytningstemperatur och kan anv?ndas som bel?ggningar som ?r resistenta mot temperatureffekter.

Uppfinningen avser aerogeler, br?nda produkter och produkter med en kristallin struktur inneh?llande ZrO2 och kan anv?ndas inom tandv?rd. Aerogelproduktionsmetoden innefattar stegen att tillhandah?lla den f?rsta zirkoniumdioxidsolen inneh?llande kristallina metalloxidpartiklar som k?nnetecknas av en genomsnittlig prim?r partikelstorlek p? inte mer ?n 50 nanometer, tillsats av ett radikalt reaktivt ytmodifieringsmedel till zirkoniumdioxidsolen f?r att erh?lla en radikalt polymeriserbar yta -modifierad solzirkoniumoxid, tills?tts en radikalpolymerisationsinitiator, upphettas f?r att bilda en gel, alkohol, om n?rvarande, extraheras fr?n gel?n genom superkritisk extraktion f?r att bilda en aerogel.

Uppfinningen h?nf?r sig till omr?det f?r nanoteknologi och nanomaterial. Kiselpulver i nanostorlek erh?lls genom att etsa enkristallkisel i en elektrokemisk etscell med en U-formad motelektrod av rostfritt st?l, f?ljt av mekanisk separering av det por?sa lagret fr?n substratet, malning i isopropylalkohol i ett ultraljudsbad och torkning under naturliga f?rh?llanden, medan en l?sning anv?nds som en elektrolyt dimetylformamid med tillsats av fluorv?tesyra och 20 volymprocent v?teperoxid (30%).

Uppfinningen kan anv?ndas f?r att erh?lla material och element av nanoelektronik, nanofotonik, gassensorer och lasersystem med ultrakorta str?lningspulser. Grafen erh?lls genom att exfoliera grafit i flytande kv?ve. Ytan p? ett grafitm?l behandlas med en str?le av pulsad laserstr?lning med en pulsl?ngd p? cirka 10-13 s, som r?r sig ?ver m?lytan med en hastighet som s?kerst?ller ?verlappning av laserpulsfl?ckarna. Metoden g?r det m?jligt att erh?lla grafenstrukturer av olika former och storlekar, vilket s?kerst?ller h?g produktivitet och milj?v?nlighet i produktionsprocessen. 2 sjuka.

Grafemne (engelsk grafen) ?r ett lager av kolatomer som ?r sammankopplade med hj?lp av sp?-bindningar till ett hexagonalt tv?dimensionellt kristallgitter. Det kan representeras som ett grafitplan, separerat fr?n bulkkristallen. Grafen uppskattas ha h?g mekanisk styvhet och god v?rmeledningsf?rm?ga (~1 TPa respektive ~5x10 3 W·m·1·K·1). Den h?ga r?rligheten hos str?mb?rare vid rumstemperatur g?r det till ett lovande material f?r anv?ndning i en m?ngd olika applikationer, i synnerhet som en framtida bas f?r nanoelektronik och en m?jlig ers?ttning f?r kisel i integrerade kretsar.

Den huvudsakliga metoden som f?r n?rvarande ?r tillg?nglig f?r att erh?lla grafen ?r baserad p? mekanisk klyvning eller exfoliering av grafitskikt. Det g?r det m?jligt att erh?lla prover av h?gsta kvalitet med h?g b?rarmobilitet. Denna metod inneb?r inte anv?ndning av storskalig produktion, eftersom det ?r en manuell procedur. En annan v?lk?nd metod ?r metoden f?r termisk nedbrytning av kiselkarbidsubstratet, som ligger mycket n?rmare industriell produktion. Sedan grafen f?rst erh?lls f?rst 2004 har det ?nnu inte studerats v?l och lockar till sig ett ?kat intresse.

Detta material ?r inte bara en del av andra allotropiska modifieringar av kol: grafit, diamant - p? grund av s?rdragen i energispektrumet f?r b?rare uppvisar det specifika, till skillnad fr?n andra tv?dimensionella system, elektrofysiska egenskaper.

Uppt?cktshistoria

Ris. ett.

Grafen ?r en tv?dimensionell kristall som best?r av ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. Hans teoretiska forskning b?rjade l?ngt innan riktiga prover av materialet erh?lls, eftersom grafen kan s?ttas ihop till en tredimensionell grafitkristall. Grafen ?r grunden f?r att konstruera teorin om denna kristall. Grafit ?r en halvmetall, det finns inte heller n?got bandgap i grafens bandstruktur, och vid kontaktpunkterna mellan valensbandet och ledningsbandet ?r energispektrumet f?r elektroner och h?l linj?rt som en funktion av v?gvektorn. Massl?sa fotoner och ultrarelativistiska partiklar, s?v?l som neutriner, har ett s?dant spektrum. D?rf?r s?ger de att den effektiva massan av elektroner och h?l i grafen n?ra kontaktpunkten f?r zonerna ?r lika med noll. Men h?r ?r det v?rt att notera att, trots likheten mellan fotoner och massl?sa b?rare, finns det flera betydande skillnader i grafen som g?r b?rare i grafen unika i sin fysiska natur, n?mligen: elektroner och h?l ?r fermioner, och de ?r laddade. F?r n?rvarande finns det inga analoger f?r dessa massl?sa laddade fermioner bland de k?nda elementarpartiklarna.

F?rs?ken att f? grafen f?st vid ett annat material b?rjade med experiment med en enkel penna och fortsatte med anv?ndning av ett atomkraftmikroskop f?r att mekaniskt ta bort grafitlager, men lyckades inte. Anv?ndningen av grafit med fr?mmande atomer inb?ddade (interkalerad grafit) i det interplan?ra utrymmet (anv?nds f?r att ?ka avst?ndet mellan intilliggande lager och dela dem) ledde inte heller till n?got resultat.

Stabiliseringen av den tv?dimensionella filmen uppn?ddes p? grund av n?rvaron av en bindning med ett tunt dielektriskt Si02-skikt, i analogi med tunna filmer odlade med anv?ndning av MBE. Konduktivitet, Shubnikov-de Haas-effekten och Hall-effekten m?ttes f?r f?rsta g?ngen f?r prover best?ende av kolfilmer med en atomtjocklek.

Exfolieringsmetoden ?r ganska enkel och flexibel, eftersom den till?ter arbete med alla skiktade kristaller, det vill s?ga de material som framst?r som svagt (j?mf?rt med krafter i planet) kopplade skikt av tv?dimensionella kristaller.

Mottagande

Ris. 2.

Bitar av grafen erh?lls genom mekanisk verkan p? h?gorienterad pyrolytisk grafit eller kish-grafit. F?rst l?ggs tunna lager grafit mellan tejp och tunna lager grafit flisas av om och om igen tills ett tillr?ckligt tunt lager erh?lls (bland m?nga filmer kan det finnas enlagers s?dana som ?r av intresse). Efter avskalning pressas den sj?lvh?ftande tejpen med tunna filmer av grafit och grafen mot ett oxiderat silikonsubstrat. I detta fall ?r det sv?rt att f? en film av en viss storlek och form i fasta delar av substratet (filmernas horisontella dimensioner ?r vanligtvis cirka 10 mm). Filmer som hittats med ett optiskt mikroskop (de ?r knappt synliga vid en dielektrisk tjocklek p? 300 nm) f?rbereds f?r m?tningar. Med hj?lp av ett atomkraftmikroskop best?ms den faktiska tjockleken p? grafitfilmen (den kan variera inom 1 nm f?r grafen). Med hj?lp av elektronlitografi och reaktiv plasmaetsning st?lls filmens form in f?r elektrofysiska m?tningar (hallbrygga f?r magnetotransportm?tningar).

Metod f?r att erh?lla grafen inb?ddad i en polymermatris. Ytterligare tv? metoder b?r n?mnas: radiofrekvent plasmakemisk ?ngdeposition (PECVD), tillv?xt vid h?gt tryck och temperatur (HPHT). Av dessa metoder kan endast de senare anv?ndas f?r att erh?lla filmer med stor yta.

En grafitfilm bildas genom termisk nedbrytning av ytan p? SiC-substratet (denna metod f?r att erh?lla grafen ?r mycket n?rmare industriell produktion), och kvaliteten p? den odlade filmen beror p? stabiliseringen av kristallen: C-stabiliserad eller Si- stabiliserad yta - i det f?rsta fallet ?r kvaliteten p? filmerna h?gre . Det visas att, trots att grafitskiktets tjocklek ?r mer ?n ett monoskikt, deltar endast ett skikt i substratets omedelbara n?rhet i ledningen, eftersom en okompenserad laddning bildas vid SiC-C-gr?nssnittet p.g.a. skillnaden i de tv? materialens arbetsfunktioner. Egenskaperna hos en s?dan film visade sig vara likv?rdiga med grafenens.

Det finns flera s?tt att f? fram grafen, som kan delas in i tre stora grupper. Den f?rsta gruppen inkluderar mekaniska metoder f?r att erh?lla grafen, vars huvudsakliga ?r mekanisk exfoliering, som f?r n?rvarande (2008) ?r den vanligaste metoden f?r att producera stora prover med en storlek p? ~10 mm l?mpliga f?r transport och optiska m?tningar. Den andra gruppen av metoder inkluderar kemiska metoder, som k?nnetecknas av en stor andel materialutbyte, men sm? filmstorlekar ~10–100 nm. Den senare gruppen inkluderar epitaxiella metoder och metoden f?r termisk nedbrytning av SiC-substratet, tack vare vilka grafenfilmer kan odlas.

Mekaniska metoder

Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG-f?rkortning st?r f?r Highly Oriented Pyrolytic Graphite, vilket ?r en mycket orienterad form av pyrolytisk grafit med en c-axels vinkelspridning p? mindre ?n 1 grad. Den anv?nds vanligtvis som ett kalibreringsverktyg f?r mikroskopiska studier som skanning tunnelmikroskopi eller atomkraftsmikroskopi Kommersiell HOPG produceras vanligtvis genom gl?dgning vid 3300K HOPG beter sig som en mycket ren metall. Reflekterar ljus v?l och ?r en bra ledare av elektricitet men ?r mycket spr?d HOPG har anv?nts som substrat i m?nga vetenskapliga experiment upp till ~ 100 µm. F?rst placeras tunna lager av grafit mellan tejp och tunna filmer av grafit flisas av om och om igen tills ett tillr?ckligt tunt lager erh?lls (bland m?nga filmer kan det finnas enlagers s?dana som ?r av intresse). Efter avskalning pressas den sj?lvh?ftande tejpen med tunna filmer av grafit och grafen mot ett oxiderat silikonsubstrat. I detta fall ?r det sv?rt att f? en film av en viss storlek och form i fasta delar av substratet (filmernas horisontella dimensioner ?r vanligtvis cirka 10 mm). Filmer som hittats med ett optiskt mikroskop (de ?r knappt synliga vid en dielektrisk tjocklek p? 300 nm) f?rbereds f?r m?tningar. Med hj?lp av ett atomkraftmikroskop best?ms den faktiska tjockleken p? grafitfilmen (den kan variera inom 1 nm f?r grafen). Grafen kan ocks? best?mmas med Raman-spridning av ljus eller genom att m?ta kvant-Hall-effekten. Med hj?lp av elektronlitografi och reaktiv plasmaetsning st?lls filmens form in f?r elektrofysiska m?tningar (hallbrygga f?r magnetotransportm?tningar).

En annan metod ?r att det oxiderade kiselsubstratet t?cks med epoxilim (ett ~10 µm tjockt lager anv?ndes i arbetet) och en tunn grafitplatta pressas mot limmet med hj?lp av en press. Efter att grafitplattan har tagits bort med tejp finns ytor med grafen och grafit kvar p? den sj?lvh?ftande ytan. Grafitens tjocklek best?mdes med Raman-spridning och grovheten hos grafen m?ttes med ett atomkraftmikroskop, vilket visade sig vara endast 0,16 nm (halva grovheten hos grafen p? ett kiselsubstrat).

Epitaxi och nedbrytning

Ytterligare tv? metoder b?r n?mnas: radiofrekvent plasmakemisk ?ngdeposition (PECVD), tillv?xt vid h?gt tryck och temperatur (HPHT). Av dessa metoder kan endast de senare anv?ndas f?r att erh?lla filmer med stor yta.

En grafitfilm bildas genom termisk nedbrytning av ytan p? SiC-substratet (denna metod f?r att erh?lla grafen ?r mycket n?rmare industriell produktion), och kvaliteten p? den odlade filmen beror p? stabiliseringen av kristallen: C-stabiliserad eller Si- stabiliserad yta - i det f?rsta fallet ?r kvaliteten p? filmerna h?gre . Trots det faktum att tjockleken p? grafitskiktet ?r mer ?n ett monoskikt, deltar endast ett skikt i omedelbar n?rhet av substratet i ledningen, eftersom en okompenserad laddning bildas vid SiC-C-gr?nssnittet p? grund av skillnaden i arbetet de tv? materialens funktioner. Egenskaperna hos en s?dan film visade sig vara likv?rdiga med grafenens.

Grafen kan odlas p? metallsubstrat av rutenium och iridium.

Andra metoder

Om en kristall av pyrolytisk grafit och ett substrat placeras mellan elektroderna, ?r det m?jligt att s?kerst?lla att grafitbitar fr?n ytan, bland vilka det kan finnas filmer av atomtjocklek, under inverkan av ett elektriskt f?lt kan f?rflyttas till oxiderat kiselsubstrat. F?r att f?rhindra genombrott (en sp?nning p? 1 till 13 kV applicerades mellan elektroderna) placerades ocks? en tunn glimmerplatta mellan elektroderna.

N?gon kombination av en mekanisk metod (en grafitstav skrivs p? ytan av ett kiselsubstrat, l?mnar filmer vid f?rst?relse) och efterf?ljande h?gtemperaturgl?dgning (~1100 K) anv?nds f?r att erh?lla tunna lager av grafit upp till enskiktsfilmer .

M?jliga till?mpningar

Man tror att p? basis av grafen ?r det m?jligt att designa en ballistisk transistor. En f?lteffekttransistor baserad p? grafen erh?lls, s?v?l som en kvantinterferensanordning. Forskarna tror att tack vare deras prestationer kommer snart en ny klass av grafennanoelektronik med en bastransistortjocklek p? upp till 10 nm att dyka upp. Denna transistor har en stor l?ckstr?m, det vill s?ga det ?r om?jligt att separera tv? tillst?nd med en st?ngd och ?ppen kanal.

Det ?r inte m?jligt att direkt anv?nda grafen f?r att skapa en f?lteffekttransistor utan l?ckstr?mmar p? grund av fr?nvaron av ett bandgap i detta material, eftersom det ?r om?jligt att uppn? en signifikant skillnad i motst?nd vid vilken som helst applicerad sp?nning till grinden, att ?r det inte m?jligt att st?lla in tv? tillst?nd som ?r l?mpliga f?r bin?r logik: ledande och icke-ledande . F?rst m?ste du p? n?got s?tt skapa ett bandgap med tillr?cklig bredd vid driftstemperaturen (s? att termiskt exciterade b?rare ger ett litet bidrag till konduktiviteten). En av de m?jliga v?garna f?resl?s i arbetet. Den h?r artikeln f?resl?r att man skapar tunna remsor av grafen med en s?dan bredd att bandgapet p? grund av kvantstorlekseffekten ?r tillr?ckligt f?r ?verg?ngen till enhetens dielektriska tillst?nd (st?ngt tillst?nd) vid rumstemperatur (28 meV motsvarar en bandbredd p? 20 nm). P? grund av den h?ga r?rligheten (vilket inneb?r att r?rligheten ?r h?gre ?n i kisel som anv?nds i mikroelektronik) 10 4 V·cm?1 s?1, kommer hastigheten f?r en s?dan transistor att bli m?rkbart h?gre. Trots det faktum att den h?r enheten redan kan fungera som en transistor, har porten f?r den ?nnu inte skapats.

Ett annat anv?ndningsomr?de ?r anv?ndningen av grafen som en mycket k?nslig sensor f?r att detektera enskilda kemiska molekyler f?sta p? filmytan.

Ett annat lovande anv?ndningsomr?de f?r grafen ?r dess anv?ndning f?r tillverkning av elektroder i jonistorer (superkondensatorer) f?r anv?ndning som laddningsbara str?mk?llor.