Графенът е единичен слой от sp2 въглеродни атоми подредени в хексагонална структура.
Алотропна форма
Графит
Диамант
Фулерен
Нанотръба
Графен
хибридизация
sp2
sp3
основно sp2
основно sp2
sp2
кристална система
хексагонална
октаедрична
тетрагонална
ейкози (20)
хексагонална
измерение
3
3
0
1
2
специфична повърхност [m2/g]
10-20
20-160
80-90
~1300
~1500
плътност[g/cm3]
2.09-2.23
3.5-3.53
1.72
>1
>1
оптични свойства
едноосна
изотропен
не линейна
зависи от структурата
97.7% прозрачност
топлопроводимост
[W/mK]
1500-2000a
5-10b
900-2320
0.4
3500
4840-5300
твърдост
висока
ултрависока
висока
висока
най-висока
електронни свойства
проводник
изолатор, полупроводник
изолатор
метал, полупроводник
полуметал, zero gap полупроводник
електропроводимост
[S/cm]
анизотропен
2-3 х 104a, 6b
-
10-10
зависи от структурата
2000
a – a-ос
b – с-ос
След получаването на Нобелова награда през 2004 на екипа от университета в Манчестър графена придобива голяма известност. Въпреки големия интерес и продължаващите експериментални успехи, широкото приложение на графена е все още на етап предстоящо. Това се дължи главно на невъзможността да се произведат проби с високо качество и в подходящ мащаб. Предизвикателството е двойно защото свойствата зависят както от броя слоеве така и от цялостното качество на кристалната решетка.
Oсновно методите за получаване могат да се разделят на две стратегии: „отгоре-надолу“ и съответно „отдолу-нагоре“. Схематично това е показано на фигура 1.
Фигура 1. Схематичен модел на химични стратегии за получаване на графен от различни въглеродни източници.
1.1 Суха Ексфолиация
Суха ексфолиация е разделянето на слоести материали ( LM ) в атомично тънки листове чрез механични, електростатични или електромагнитни сили във въздух, вакуум или инертни среди.
1.1.1 Микромеханично разцепване/отлюспване (ексфолиация)
Микромеханично разцепване (MC – micromechanical cleavage), известно също като микромеханична ексфолиация, е било използван в продължение на десетилетия при израстването на кристали и от кристалографи. През 1999г., [ Lu, X., et al., Nanotechnology, (1999) 10, 269.] докладва контролиран метод за разцепване на графит, получавайки филми, състоящи се от няколко слоя от графен, също предлага че: " при триене на повърхността на графит с други плоски повърхности може да бъде начин да се получи многослоен или дори единичен слой атомна слоеве на графитни плочи". Това е и което е демонстрирано, постигане на единичен слой от графен (SLG) с помощта на самозалепваща се лента, от Новоселов и колектив, както е показано на фиг . 2а.
Микромеханичното разцепване сега е оптимизирано до получаване на високо качествени слоеве, с размер ограничен от единичните кристални зърна в изходния графит, от порядъка на милиметри. Броят на слоевете могат да бъдат лесно идентифицирани чрез еластично и нееластично разсейване на светлината. Рамановата спектроскопия също позволява бърз и неразрушаващ контрол над допанти, дефекти, деформации, неподреденост, химични модификации и ръбове. Въпреки че MC е непрактично за мащабни приложения, все пак е предпочитан за фундаментални изследвания. Наистина, по-голямата част от основните резултати и прототипни устройства са получени с помощта на MC люспи. По този начин, MC остава образец за изследване както за нова физика така и за нови концептуални устройства.
Фигура 2. Схематична илюстрация на основните техники за получаване на графен.
1.1.2 Анодно лепене/свързване
Анодно свързване се използва широко в производството на микроелектроника при свързване на Si пластини за стъкло, за да ги предпази от влага или замърсявания. При използване на тази техника, за получаване на SLGs, графита се притиска първо върху стъклена подложка, прилага се високо напрежение от няколко kVs (0,5 - 2 кВ) между графита и металния гръб ( Виж фиг 2б), след това стъклената подложка се нагрява (~ 200 ° С в продължение на 10 - 20 минути). Ако положително напрежение се прилага отгоре на пакета то отрицателен заряд се натрупва в стъклената страна обърната към положителния електрод, което води до разграждане на Na2O примеси в стъклото на Na+ и O2- йони. Na+ се движи към задниата контактна плоскост, а O2- остава на границата графит-стъкло, образувайки силно електрическо поле на границата. Няколко слоя графит, включително единични слоеве графен (SLGs) се захващат към стъклото чрез електростатично взаимодействие и след това може да се отцепят. Температура и/или приложено напрежение може да се използват за контрол на броя на слоевете и размер им. Докладвани са получени люспи с размер до около 1mm ширина.
1.1.3 Лазерна аблация и фотоексфолиация
Лазерна аблация е процес при който се използва лазерен лъч за отстраняване на материал чрез изпаряване или сублимация. При слоистите материали, какъвто е графита, облъчването с лазер не води до изпарение или сублимация на въглеродните атоми, а до отделяне на цял или частичен слой, този процес се нарича фотоексфолиация.
Лазерните импулси може по принцип да бъдат използвани за аблация/ексфолиация на графитни люспи, фиг. 2(в). Всъщност , настройването на енергийната плътност на лазера позволява точното моделиране на графена. Процесът се осъществява най-добре в инертни или вакуумни условия, тъй като при работа на въздух се окисляват графеновите слоеве. Обещаващи резултати са демонстрирани и в течности.
1.2 Ексфолиация в течна фаза (LPE)
Продължението следва....