Grafen | |
To-dimensjonalt grafengitter | |
Identifikasjon | |
---|---|
N o CAS | |
N o ECHA | 100 227 924 |
Utseende | Massiv matt svart (grafitt) |
Kjemiske egenskaper | |
Formel | (C) n |
Elektroniske egenskaper | |
Elektronisk mobilitet | 200 000 - 250 000 cm 2 · V -1 · s -1 |
Krystallografi | |
Krystallsystem | Sekskantet plan |
Enheter av SI og STP med mindre annet er oppgitt. | |
Den graphene er en to-dimensjonal materiale krystallinsk , formen allotrope av karbon som stabelen er av grafitt .
Teoretisert i 1947 av Philip R. Wallace (i) , kunne den ikke syntetiseres før i 2004 av Andre Geim , fra fysikkavdelingen ved University of Manchester , som mottok for dette, med Konstantin Novoselov , prisen. Nobelpris i fysikk i 2010 . Grafen er en krystallinsk allotropisk form for karbon og er den grunnleggende strukturelle byggesteinen til andre allotropiske former, som grafitt, karbonnanorør (sylindrisk form) og fullerener (sfærisk form). Dette materialet har rekorden for varmeledningsevne : opptil 5.300 W m -1 K -1 .
Stabiliteten til grafen skyldes dets meget kompakte karbonatomer og sp 2 orbital hybridisering - en kombinasjon av s, p x og p y t orbitaler som utgjør σ-bindingen. Elektronen p z elektron utgjør π bindingen. Π-bindingene hybridiserer sammen for å danne π-båndet og π ∗-båndet. Disse båndene er ansvarlige for de fleste av de bemerkelsesverdige elektroniske egenskapene til grafen, via det halvfylte båndet som gjør at elektroner kan bevege seg fritt.
Den kan produseres på flere måter, inkludert av:
Det kan bli et ideelt materiale for energilagring og er gjenstand for et europeisk flaggskipprosjekt ( Future and Emerging Technologies Flagship ).
Graphene ble først hentet ut i 2004 av Andre Geims team ved University of Manchester i England . Hvis strukturen til grafen utgjør en "lærebok" i beregningen av strukturen til elektroniske bånd , ble det lenge antatt at en slik struktur ikke kunne eksistere.
Grafen finnes naturlig i grafittkrystaller (definert som en stabel med grafenark). Flere teknikker rettet mot å gjøre grafen utnyttbar har dukket opp de siste årene.
Siden 2009, da bare to selskaper (Graphene Industries og Graphene Works) klarte å produsere den, har mange offentlige og private prosjekter dukket opp med sikte på å redusere kostnadene, hittil uoverkommelig, for materialet. Blant disse programmene kan vi sitere et første forsøk fra Ningbo Moxi Co. Ltd, som i juli 2011 startet studiet og konstruksjonen av en produksjonslinje som kan produsere tretti tonn grafen per år til en kostnad som kan være mindre enn en dollar et gram.
Prinsippet består i å rive et veldig tynt lag av grafitt fra krystallet ved hjelp av en tape , og deretter gjenta operasjonen ti ganger på prøvene som er produsert slik at de er så tynne som mulig. De blir deretter avsatt på en silisiumdioksidplate hvor en optisk identifikasjon vil gjøre det mulig å velge prøvene som består av et enkelt lag .
Denne metoden har så langt gjort det mulig å oppnå de største graphene krystallene , med en diameter på opptil tjue mikrometer .
Dette innebærer å syntetisere grafen fra silisiumkarbid . En prøve av sistnevnte oppvarmes under vakuum til 1300 ° C slik at silisiumatomene i de ytre lagene fordamper. Etter en bestemt tid, omorganiserer de gjenværende karbonatomer seg i tynne lag med grafen.
Grafen produseres ved katalytisk nedbrytning ved høy temperatur av et karbondioksid ( metan , etylen , etc. ) på et metall, generelt, kobber , nikkel eller til og med iridium . Den optimale reaksjonstemperaturen avhenger av typen gass og metall. Det er to hovedreaksjonsfamilier:
Det kan produsere en gjennomsnittlig mengde grafen av god kvalitet på få sekunder og til lave kostnader, og er også en utmerket måte å redusere plastforurensning.
Imidlertid er produksjonen fortsatt problematisk og veldig dyr: seks hundre milliarder euro per kvadratmeter ifølge Research (2008) (figur satt i perspektiv av fysikeren Jean-Noël Fuchs, som erklærer:
“Vi leser noen ganger at produksjonen av en kvadratmeter grafen ville koste 600 milliarder euro. Dette er en beregning som ble gjort for noen år siden med tanke på det faktum at et veldig lite antall grupper var i stand til å produsere, i svært små mengder, i størrelsesorden en kvadratmillimeter. I virkeligheten er grunnmaterialet ikke annet enn karbon, som ikke koster mye! "
Nyere vitenskapelige publikasjoner om dette materialet antyder mange mulige bruksområder.
Grafen ville være et steg i produksjonen av en ny generasjon ultrahurtige transistorer , med nanometrisk dimensjon . I tillegg har den utmerket mekanisk styrke, i henhold til mekanikkens tilnærming på denne skalaen , på 42 GPa eller 42 x 10 9 (42 milliarder) newton per kvadratmeter .
I 2009 lyktes vi i en reversibel operasjon å omdanne grafen (elektrisk leder) til grafan (hydrogenert form, isolering av grafen). Andre anvendelser for produksjon av fleksible skjermer (in) er også tenkt.
I 2010 foreslås det å produsere gjennomsiktige elektroder .
Tidlig i 2014 viste britiske forskere ( Scientific journal ) at et lag med grafen kan absorbere 90% av elektromagnetisk energi (visse frekvensbånd). Et tynt lag kan derfor blokkere forplantningen av et trådløst nettverk , for eksempel for å sikre eller begrense radioforplantningen av Wi-Fi .
I april 2016, foreslår forskere fra fakultetet for medisin og kirurgi ved det katolske universitetet i det hellige hjertet i Milano og ISC-CNR i Roma en medisinsk applikasjon for å bekjempe sopp og bakterier på sykehus.
På slutten av 2016 utførte et team av forskere fra University of Arkansas , ledet av den amerikanske fysikeren Paul Thibado, forskning på bevegelsene til dette materialet før de publiserte sine funn i tidsskriftet Physical Review letters . Disse forskerne lyktes i å skape en krets som var i stand til å fange opp den termiske bevegelsen av grafen og transformere den til elektrisk strøm , som da ville bane vei for ren og uendelig gjenbrukbar energi.
Imidlertid er ideen om å høste energi på denne måten kontroversiell, den tilbakeviser Richard Feynmans påstand med Brownian-bevegelse fordi den demonstrerer at grafens termiske bevegelse induserer en vekselstrøm i en krets. Dette eksperimentet tillot forskere å produsere 10 µW energi kontinuerlig, uten tap, med et grafenark på bare 10 µm per µm.
Graphene er dirigent . Den elektroniske båndstrukturen er laget av en halvleder med gap null.
En av dens spektakulære egenskaper er å ha elektroner på Fermi-nivå hvis tilsynelatende masse er null; det er således det eneste fysiske systemet som viser fermioner med null masse, som er av stor interesse for grunnleggende fysikk . En av de mest slående effektene er utseendet under et magnetfelt av en kvante Hall-effekt ved romtemperatur.
Den teoretiske elektronmobiliteten er 200.000 cm 2 V −1 s −1 , noe som gjør dette materialet spesielt attraktivt for høyfrekvent og terahertz elektronikk .
Elektroner beveger seg på grafen, en todimensjonal krystall, med en hastighet på 1000 km / s , nesten 150 ganger hastigheten til elektroner i silisium ( 7 km / s ). Igjen, takket være sine to-dimensjonale krystallegenskaper og en nylig oppdaget evnen til selv-cool svært raskt, en graphene transistor varmer opp svært lite.
Dobbelt lagDobbeltlags grafen finnes vanligvis enten i offsetkonfigurasjoner der de to lagene er feiljustert i forhold til hverandre, eller i konfigurasjoner med en såkalt Bernal- type stabel hvor halvparten av atomene i et lag er nederst. atomene til den andre som for grafitt.
Overstillingen av to lag grafen forskjøvet med en vinkel på 1,1 ° utgjør en Mott-isolator der ledningsbåndet bare er halvfylt, men er veldig smalt, slik at den elektrostatiske frastøtingen mellom elektronene forhindrer strømmen av en elektrisk strøm . Under 1,7 K blir dette dobbeltlaget tvert imot superledende dvs. av null motstand.
De to lagene med dobbeltlags grafen tåler en betydelig mekanisk spenningsforskjell som må kulminere med peeling.
Grafen kan være nøkkelen til elektrifisering av biler . Faktisk gjør de unike egenskapene det til en ideell støtte for elektroder av batterier .
Perforert og silisium- dopede graphene ark er blitt testet for å erstatte tradisjonelle grafittanoder SiNode Systems har med hell skaffet $ 1,5 millioner til et litium-ion- grafenbatteriprosjekt med en kapasitet tilsvarende 10 ganger et konvensjonelt batteri. For å gjøre dette kombinerte forskerne grafen med silisiumpartikler, noe som øker energilagringskapasiteten ti ganger : 3200 mAh / g mot 300 mAh / g for konvensjonelle litiumionbatterier .
Den andre måten å bruke energi er utformingen av super kondensatorer graphene. Disse elektriske komponentene har en beskjeden lagringskapasitet, men kan lades raskere enn "tradisjonelle" komponenter. Strukturen til grafen er veldig effektiv og oppnår mengder energi utenfor rekkevidden til andre materialer.
De 18. oktober 2017, et patent, innlevert av den sørkoreanske produsenten Samsung , har blitt akseptert i USA og Sør-Korea for et grafenbatteri som gir dobbelt så høy autonomi som dagens smarttelefoner, uten oppvarming og med en ladning beregnet til 15 minutter.
Dens egenskaper kan være preget av synkrotronstråling .
Dens strekkfasthet er to hundre ganger større enn stål (som samtidig er seks ganger lettere) .
En tilsetning av graphene i en polymer som gjør det mulig å øke hardheten og den termostabiliteten av polymeren.
I følge Michio Kaku , fysiker og futurolog i USA , kan det til slutt tillate bygging av en romheis å erstatte romfergene USA (pensjoner i 2011).
Grafen er helt gassgjennomtrengelig, men likevel lett og fleksibel.
Periodisk stablet grafen og dets isolerende isomorf gir et fascinerende strukturelt element i implementeringen av meget funksjonelle supergitter i atomskala, som åpner for muligheter i utformingen av nanoelektroniske og fotoniske enheter. Ulike typer supergitter kan oppnås ved å stable grafen og tilhørende former. Energibåndet i lagdelte supergitter er funnet å være mer følsomme for bredden på barrieren enn for konvensjonelle III - V halvleder supergitter. Når du legger til mer enn ett atomlag til barrieren i hver periode, kan koblingen av elektroniske bølgefunksjoner i nærliggende potensielle brønner reduseres drastisk, noe som fører til degenerering av kontinuerlige underbånd til kvantifiserte energinivåer. Ved å variere bredden på brønnen oppfører seg energinivåene i de potensielle brønnene langs LM-retningen tydelig fra de langs KH-retningen.
Et supergitter tilsvarer et periodisk eller kvasi-periodisk arrangement av forskjellige materialer, og kan beskrives av en supergitterperiode som gir systemet en ny translasjonell symmetri, som påvirker deres fonon-dispersjoner og deretter deres egenskaper ved termisk transport. Nylig har ensartede strukturer av enkeltlags grafen-hBN blitt syntetisert med litografi kombinert med kjemisk dampavsetning (CVD). I tillegg er supergitter av grafen-hBN ideelle modellsystemer for realisering og forståelse av koherent (bølgeform) og usammenhengende (partikkelform) termisk transport av fononer.
Som en del av kampen mot pandemien , har masker som inneholder grafen, et materiale kjent for dets virucidale egenskaper, blitt trukket fra det kanadiske markedet fordi de kan være giftige.