Более перспективными для промышленных приложений являются эпитаксиальное изготовление графена на поверхности карбида кремния, позволяющее получать большие образцы графена с контролируемым числом атомных слоев. Также очень перспективен метод газофазного осаждения графена на поверхность металла, позволяющий получить образцы графена размерами до десятков сантиметров (приведённые способы получения графена рассмотрены во 2 главе работы).
Рассмотрим основные сферы использования графена уже широко исследуемые и начинающие внедряться в нанотехнологиях и смежных областях новой техники.
Новая графеновая бумага (graphene paper — GP), по толщине сравнимая с плотным листом целлюлозной бумаги, по прочности превосходит сталь. новый материал в два раза тверже и в десять раз прочнее при растяжении, нежели углеродистая сталь. А модуль упругости при изгибе оказался выше в 13 раз. Исследователи полагают, что графеновая бумага окажется великолепным конструкционным материалом, востребованным в авиационной и автомобильной отраслях, да еще — дружественным природе и экономически оправданным.
Лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новоселов и их коллеги из Великобритании, Нидерландов, Японии, США и России обнаружили неожиданный эффект в опытах с графеном, помещенным в магнитное поле. Новое явление повышает шансы на то, что графен будет применяться в спинтронных устройствах, использующих для представления информации не только заряд, но и спин частиц, таких как спиновые клапаны. Вследствие пренебрежимо малого спин-орбитального взаимодействия поляризация спинов в графене сохраняется на субмикронных расстояниях. Сейчас ученым, занимающимся спинтроникой, приходится экспериментировать с довольно сложными двухэлементными структурами, одна часть которых — магнитный материал — играет роль источника поляризованных по спину электронов.
Исследователи из группы Сейлора организовали нановолокна углерода в организованные структуры — фотонные кристаллы, отражающие свет с определенной длинной волны. Полученные в результате сенсоры могут переливаться всеми цветами радуги, при этом цвет фотонного кристалла изменяется при насыщении углерода токсинами, что позволяет визуально контролировать степень насыщения фильтра токсинами. Новые сенсоры отличаются крайне небольшими размерами и высокой чувствительностью, что, как признают, производители средств защиты органов дыхания, позволит использовать их для интеграции в противогазы и респираторы.
Продолжаются эффективные разработки военных нанотехнологий.
Химик Майкл Страно (Michael Strano) из Массачусетского технологического института достиг предела чувствительности датчиков взрывчатых веществ — его сенсор способен обнаружить даже одну молекулу взрывчатки. Дело в том, что пчелиный яд содержит небольшое количества белка, пептида, который обладает уникальными свойствами. Если поместить его на поверхность углеродной нанотрубки и посмотреть в инфракрасный микроскоп, то можно увидеть, как пептид реагирует на присутствие молекул нитратных взрывчатых веществ — нанотрубка начинает светиться. Таким образом, сенсор, представляющий собой проводок толщиной в один атом, способен регистрировать присутствие одной молекулы взрывчатки.
Наночастицы, в частности графеносодержащие соединения, используют интенсивно и в продуктах питания, особенно в США. Наночастицы применяют для улучшения свойств пищевых добавок, усиления ароматизаторов и красителей, а также как антибактериальные средства при упаковке пищевых продуктов и посуды. Между тем, научное сообщество высказывает серьезную озабоченность по поводу безопасности применения нанотехнологий. Нанотехнологии позволяют манипулировать материей на наноуровне (как правило, определяемом размером в 100 нанометров и меньше), и используются для создания новых продуктов. При таком малом масштабе, химические и физические свойства этих материалов изменяются и становятся гораздо более химически активными, чем их нормальные масштаба аналоги. Их размер позволяет им с большей вероятностью проходить через биологические мембраны, циркулировать по телу, и проникать в клетки. Это сочетание повышенной реактивности и биодоступность наночастиц, особенно тех, которые используются в пищевой и сельскохозяйственной продукции, создает риски для здоровья человека и окружающей среды, и эти риски до сих пор не полностью изучены.
Необычные электронные свойства этого нового материала делают его многообещающим кандидатом для будущей микроэлектроники. Ведь подвижность электронов, которая легко достигается даже при современном состоянии технологии, на порядок выше, чем в имеющихся кремниевых транзисторах. И она продолжает расти по мере улучшения качества образцов. Это обеспечивает баллистический транспорт на субмикронных расстояниях — «голубая мечта» любого инженера по электронике. Вероятно, наилучшими вариантами для полевых транзисторов, базированных на графене, окажутся устройства на квантовых ямах и те, которые будут использовать p-n переход в двухслойном графене.
И если вышеупомянутые приложения — предмет будущих исследований, то есть ряд областей, где графен может быть использован уже сегодня. Одна из них — газовые датчики. Было показано, что графен абсорбирует молекулы газа из окружающей атмосферы, которые образуют примеси в слое графена, при этом свойства электронов и дырок зависят от природы газа. Следя за изменениями сопротивления, можно в считанные минуты определить концентрации определенных газов в окружающей среде.
Чудо-материал графен появится в первом коммерческом продукте, созданном компанией California Lithium Battery (CalBattery) в сотрудничестве с Аргоннской национальной лабораторией (Argonne National Laboratory, ANL). Литий-ионные батареи третьего поколения содержат анод из покрытого графеном карбида кремния, что позволило вдвое увеличить емкость батарей по сравнению с обычными, с графитовыми анодом.
Помимо прямого увеличения емкости, использование анода из графенизированного карбида кремния снижает вес батареи на 16% уже сейчас, и до 50% в будущем, что также позволит увеличить емкость в том же объеме батареи. К сожалению, появления новых аккумуляторов для мобильной электроники придется подождать — пока что CalBattery собирается производить лишь элементы для промышленных накопителей энергии и автомобильные аккумуляторы. Основным продуктом компании будут батареи VLF (Very Large Format), емкость которых планируется довести как минимум до 400 А•ч, начало их выпуска намечено на 2014 год.
Тем не менее, есть информация, что ANL собирается лицензировать свою технологию и другим компаниям, включая производителей электронных гаджетов. В сочетании с увеличенной долговечностью и снижением веса, появление батарей GEN3 обещает быть первым успешным применением графена.
И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения. Мы стоим еще в самом начале длинного пути. Представьте себе последствия хотя бы только компьютерной революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1THz. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он вероятно станет для нас обычным материалом, подобно пластику в наши дни. Успехи и перспективы нанотехнологий в изготовлении наноэлектронных приборов предъявляют новые требования к методам компьютерного моделирования и теоретического расчета свойств наносистем. Для моделирования электронных свойств графена в сложном электростатическом окружении требуется разработка новых методов, адекватно учитывающие особенности графена — в частности, эффективно безмассовую природу электронов.
Еще один интересный факт. Исследовательская группа нобелевского лауреата Андрея Гейма из университета Манчестера создала мембрану из нескольких слоёв оксида графена. Каждый этаж в новом композите представляет собой плоскую решётку углеродных атомов, с которыми соединён ряд других атомов и молекул, в частности гидроксильная группа OH. Конечный материал по толщине насчитывал доли микрометра, но был прочным и гибким. Когда учёные запечатали такой мембраной металлический контейнер, они обнаружили удивительный эффект. В контейнере могли без проблем удерживаться разные газы и жидкости, начиная с простого воздуха.
Тонкая плёнка останавливала даже гелий, который умеет замечательно просачиваться через целый ряд материалов. Но при этом вода, помещённая в контейнер, быстро улетучивалась из него. Она проходила сквозь многослойную графеновую мембрану в 1010 раз быстрее, чем гелий, сообщают экспериментаторы. «Никакой материал не мог бы вести себя страннее», — прокомментировал опыт профессор Гейм.
Авторы работы полагают, что секрет материала заключается в промежутках между графеновыми листами, которые словно подстраиваются точно под размер водяных молекул. Другие молекулы обнаруживают либо то, что имеющиеся капилляры для них слишком малы (когда воды нет, пространство меж листами графена сужается), либо тот факт, что все имеющиеся пути на свободу уже заняты водой. Причём последняя в межграфеновом пространстве, предположительно, формирует слой льда толщиной в одну молекулу, который почти без трения передвигается между листов. Молекулы H2O пополняют и покидают эти слои, постепенно перебираясь из замкнутого объёма наружу. Учёные отмечают, что новая мембрана пригодилась бы для разделения самых разнообразных водных смесей.
Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.
Заключение
В данной работе рассмотрен относительно новый, но названый самым перспективным открытием в науке за последние десятилетия, материал, названый графен. История изучения двумерных структур берет свое начало в 1947 году с работ П. Воллесома. Однако 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. Однако в 2004 году группа ученых совместными усилиями физиков из Манчестерского университета (Британия) под руководством Андре Гейма и российского Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых металлов в Черноголовке под руководством Константина Новоселова графен удалось получить именно с помощью стабилизации монослоев подложками.
На современном этапе изучения существуют и более быстрые способы поучения графена и менее энергоемкие, но единый промышленный способ еще окончательно не выведен, все новые и новые способы получения графена обнаруживаются ежедневно.
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку. Благодаря расширенным свойствам, все из которых так же не изучены полностью на сегодняшний день, графен называют не просто перспективным материалом для продвижения и применения в нанотехнологиях, спинтронике и всей физике в общем, но и «голубой мечтой» любого инженера по электронике.
Графен немедленно проявил себя в качестве реального кандидата на роль одного из основных материалов микроэлектроники в посткремниевую эпоху. Достаточно упомянуть первые реализованные прототипы будущих устройств на его основе. Это полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи (в качестве прозрачного проводящего электрода), спиновый транзистор и многое другое.
Поставленные цели и задачи в дипломной работе выполнены и достигнуты, изученный материал дает полное право назвать графен материалом нового поколения и возможно в скором будущем он начнет вытеснять кремний из электронной промышленности.
Список литературы
Агеев О. А., Варзарев Ю. Н., Смирнов В. А., Сюрик Ю. В., Сербу Н. И. Исследование электрических свойств полимерных нанокомпозитов на основе графена // Известия Южного федерального университета. Технические науки. — 2011. Т. 117.
№ 4. — С. 77−85.
Булатова И. М. Графен: свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологии и нанокомпозитах // Вестник Казанского технологического университета. — 2011. № 10. — С. 45−48.
Гутман В. Химия координационных соединений в неводных растворах. — М.: Мир, 1971. — 220 с;
Зиатдинов А. М. Нанографены и нанографиты: синтез, строение и электронные свойства // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. — 2006. № 5. — С. 57−64.
Котов О.В., Лозовик Ю. Е. Новый материал — графен: свойства и возможные применения // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. — 2009. Т. 9. №
2. — С. 33−34.
Лозовик Ю.Е., Меркулова С. П., Соколик А. А., Коллективные электронные явления в графене, УФН 178, 757 (2008);
Лозовик Ю.Е., Огарков С., Соколик А. А., «Электрон-электронных и электрон-дырочной пары в графеновых структур», Философские труды Королевского общества, 368: 1932, Специальный выпуск «Графен» (2010), 5417−5429;
Попова А.А., Шикин A.M., Рыбкин А. Г., Марченко Д. Е., Вилков О. Ю., Макарова А. А., Варыхалов А. Ю., Rader О. Роль ковалентного взаимодействия в формировании электронной структуры графена на поверхности Ni (111) с интеркалированными слоями Аu и Сu // Физика твердого тела. — 2011, том 53, вып. 12 — С. 2409 — 2413
Фиговский О. Л. От нано-науки к нано-будущему // Инженерный вестник Дона. — 2010. Т. 13.
№ 3. — С.
1−12.
Юдинцев В. В. Графен. наноэлектроника стремительно набирает силы // Электроника: Наука, технология, бизнес. — 2009. №
6. — С. 82−89.
Юрков А.Н., Мельник Н. Н., Сычев В. В., Савранский В. В., Власов Д. В., Конов В. И. Синтез углеродных пленок магнетронным распылением графитовой мишени с использованием водорода в качестве плазмообразующего газа // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2011. № 9. — С. 28−34.
Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40, 228 (2007);
Geim A.K., «Graphene: Status and Prospects,» Science 324, 1530 (2009);
Stander N., Huard B., and Goldhaber D. — Gordon, «Evidence for Klein Tunneling in Graphene p — n Junctions,» Phys. Rev. Lett. 102, 26 807 (2009);
Alaghemandi M. et al. Nanotechnology 21 75 704 (2010);
D reyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The Chemistry of Graphene Oxide // Chem. S oc. R ev.
2010. V. 39. № 1.
P. 228−240;
Сайт «Мембрана» Режим доступа:
http://www.membrana.ru
Сайт «ITC.ua» Режим доступа
http://itc.ua/
Сайт «ImagineNano 2013» Режим доступа
http://www.imaginenano.com/
Сайт «Электронный web-журнал Physics.com.ua» Режим доступа:
http://physics.com.ua/
