Графен

  • Страниц:41
  • Куплено:0 раз
Дипломная работа по материаловедению
  • Введение
  • Содержание
  • Список литературы
  • Выдержка из работы
  • В 2010 году лауреатами нобелевской премии по физике с формулировкой «за инновационные эксперименты с двухмерным материалом графен», стали Андрей Гейм и Константин Новоселов. За шесть лет до этого, в 2004 году ими экспериментально был получен графен. Прорыв исследователей состоит во впервые на опыте наблюдаемом чисто двумерном кристалле. При этом обнаружено что носители заряда, в данном кристалле имеют линейный по модулю квазиимпульса закон дисперсии. Кроме чисто теоретического интереса, связанного с необычностью свойств носителей заряда в графене, внимание исследователей обращено к созданию …

    Читать подробнее

    В 2010 году лауреатами нобелевской премии по физике с формулировкой «за инновационные эксперименты с двухмерным материалом графен», стали Андрей Гейм и Константин Новоселов. За шесть лет до этого, в 2004 году ими экспериментально был получен графен. Прорыв исследователей состоит во впервые на опыте наблюдаемом чисто двумерном кристалле. При этом обнаружено что носители заряда, в данном кристалле имеют линейный по модулю квазиимпульса закон дисперсии. Кроме чисто теоретического интереса, связанного с необычностью свойств носителей заряда в графене, внимание исследователей обращено к созданию различного рода электронных и оптоэлектронных устройств на основе этого материала. Дираковские фермионы в графене обладают высокой подвижностью носителей заряда (~2?105 см2 В-1 с-1), и баллистический транспорт доступен вплоть до микрометровых размеров устройств. Особое значение для наноэлектроники приобретают модификации графена, имеющие в своем энергетическом спектре запрещенную зону, что позволяет строить на базе этого материала полевые транзисторы. Одной из интересных особенностей электронного спектра графена является закон дисперсии, имеющий вид двуполостного конуса вблизи критических точек в зоне Бриллюэна, характерный для бесщельевых полупроводников первого рода. Это позволяет описывать соответствующие электронные состояния с помощью двухзонного уравнения, математически эквивалентного уравнению Дирака для двухкомпонентного спинора. Однако, некоторые особенности электронных состояний графена не могут быть описаны уравнением Дирака и требуют явного учета кристаллической структуры объекта [1].
    Предполагается, что в перспективе следующих десятилетий графен станет одним из основных материалов микроэлектроники. Кроме прототипов транзисторов, на основе графена уже созданы первые образцы выпрямителей, умножителей частоты, высокочувствительных фотодетекторов. Активно исследуются графеновые наноленты, квантовые точки, сверхрешетки на основе графена [1, 2]. Графен и наноструктуры на его основе в последние годы являются одними из наиболее изучаемых объектов физики твердого тела. Интерес обусловлен необычностью и красотой эффектов, имеющих место для этого материала, а также широкими перспективами использования его в электронике. Поэтому теоретическое исследование кинетических явлений, происходящих в графене в условиях воздействия внешних электрических и магнитных полей различных конфигураций представляется актуальным.
    В последние годы графен приобретает всё большую популярность среди инженеров и исследователей благодаря своим необычным механическим, термическим, электрическим и оптическим свойствам. Так, если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, в 2008 году их число составило 801 публикацию, то в 2011 году их количество перевалило далеко за 1000 наименований [2, 5].
    Целью работы является изучение графена, а именно свойств, структуры и способов получения.
    Задачи, поставленные в курсовой работе, состоят в изучении методов получения графена, изучении его структуры и свойств, и, на основании этого, рассмотрении областей возможного применения.

  • Введение - 3
    Глава 1. Получение графена - 5
    1.1 От графита к графену - 5
    1.2 Модификации углерода - 10
    1.3 Углеродные нанотрубки - 13
    1.2 Методы получения графена - 18
    1.2.1 Механические методы - 18
    1.2.2 Химические методы - 19
    1.2.3 Осаждение на подложке - 22
    Глава 2. Структура углеродных материалов - 25
    2.1 Структура углерода - 25
    2.2 Изучение структуры углеродных материалов с помощью ПЭМ - 31
    2.3 Изучение углеродных материалов с помощью ПЭМ - 46
    2.3 Структура кристаллической решетки графена - 56
    Глава 3. Свойства графена - 59
    3.1 Электропроводность - 63
    3.2 Квантование - …

    Читать подробнее

    Введение - 3
    Глава 1. Получение графена - 5
    1.1 От графита к графену - 5
    1.2 Модификации углерода - 10
    1.3 Углеродные нанотрубки - 13
    1.2 Методы получения графена - 18
    1.2.1 Механические методы - 18
    1.2.2 Химические методы - 19
    1.2.3 Осаждение на подложке - 22
    Глава 2. Структура углеродных материалов - 25
    2.1 Структура углерода - 25
    2.2 Изучение структуры углеродных материалов с помощью ПЭМ - 31
    2.3 Изучение углеродных материалов с помощью ПЭМ - 46
    2.3 Структура кристаллической решетки графена - 56
    Глава 3. Свойства графена - 59
    3.1 Электропроводность - 63
    3.2 Квантование - 70
    3.3 Теплопроводность - 72
    Глава 4. Перспективы применения графена - 74
    4.1 Графеновая бумага. - 75
    4.2 Устройства памяти. - 75
    4.3 Пищевые добавки - 75
    4.4 Газовый аккумулятор. - 76
    4.5 Микро и нано электроника - 76
    4.6 Химические сенсоры и светодиоды - 78
    4.7 Элементы питания - 79
    Заключение - 82
    Список литературы - 85

  • 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 // …

    Читать подробнее

    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, 026807 (2009);
    Alaghemandi M. et al. Nanotechnology 21 075704 (2010);
    Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The Chemistry of Graphene Oxide // Chem. Soc. Rev. 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/
    Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. [Электронный ресурс], режим доступа http://www.portalnano.ru/db/library
    Углеродные нанотрубки. [Электронный ресурс], режим доступа http://ru.wikipedia.org
    Елецкий А.В. Транспортные свойства углеродных нанотрубок./ А.В. Елецкий//Успехи физических наук. -2009. – Т. 179, № 3. – М. 401-438.
    Дунаев А., Шапорев А., под рук. Авдеева А.А. Богатое семейство углеродных материалов // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2008 - Режим доступа: http://www.nanometer.ru
    Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века/П. Харрис - М.: Техносфера, 2003. – 336 с.
    Борщевский А.Я. Фуллерены / Борщевский А.Я., Иоффе И.Н., Сидоров Л.Н., Троянов С.И., Юровская М.А. // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2007
    Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2008 - Режим доступа: http://www.nanometer.ru
    Углеродные нанотрубки. [Электронный ресурс], режим доступа http://ru.wikipedia.org
    Лобач А.С. Буравов Л.И., Спицына Н.Г. Электропроводность наноматериалов на основе одностенных углеродных нанотрубок.
    Хайманн Р.Б., Евсюков С.Е. Аллотропия углерода. Природа. – 2003. - № 8, с. 66.
    Сладков А.М. Карбин - третья аллотропная форма углерода: Монография (под ред. Бубнов Ю.Н.)
    Сладков А.М., Кудрявцев Ю.П. Алмаз, графит, карбин - аллотропные формы углерода // Природа. 1969.№5. С.37-44.
    Д. Синдо. Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. ISBN 5-94836-064-4
    Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии: Пер. с англ./Под ред. Ю. И. Головина. – М.: Техносфера, 2005. – 336 C.
    Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века Москва:Техносфера, 2003. - 336 с. ISBN 5-94836-013-Х
    F. Banhart, T. Fuller, Ph. Redlich, P.M. Ajayan. Chem. Phys.Lett. 269, 349 (1997)
    T. Cabioch, J.P. Riviere, J. Delafond. J. Mater. Sci. 30, 4787 (1995)
    V.L. Kuznetsov, A.L. Chuvili, E.M. Moroz, V.N. Kolomiichuk, Sh.K. Shaikhutdinov, Yu.V. Butenko, I.Yu. Mal’kov. Carbon 32, 873 (1994).
    Shtansky D. V., Kaneko K., Ikuhara Y., Levashov E. A. Surf. Coat. Technol., 2001, v. 148, p. 206.].
    Zhang Y., Ichihashi T., Landree E. e. a. Ibid., 1999, v. 285, p. 1719.
    Parilla P. A., Dillon A.C., Jones K.M. e. a. Nature (London), 1999, v. 397, p. 114.
    Muhr H-J., Krumeich F., Schцnholzer U. P. e. a. Adv. Mater., 2000, v. 12, p. 231.
    Golberg D., Bando Y., Kurashima K., Sato T. Solid State Commun., 2000, v. 116, p. 1.
    Practical Electron Microscopy and Its Application to Materials (Supervisor K. Maruyama, Editor-in-chief K. Nakai), Iron Steel Institute of Japan and Japan Institute of Metals, 2002.
    Thomas J., Weston N. E., O’Connor T. E. J. Am.Chem. Soc., 03, v. 84, p. 4619.
    McKenzie D.R., Sainty W.G., Green D. Mater. Sci. Forum, 1990, v. 54–55, p. 193.
    Medlin D. L., Friedman T. A., Mirkarimi P. B. e. a. Phys. Rev. B: Condens Matter, 1994, v. 50, p. 7884
    Shtansky D. V., Tsuda O., Ikuhara Y., Yoshida T. Acta Mater.,2000, v. 48, p. 3745.
    Shtansky D. V., Yamada-Takamura Y., Yoshida T., Ikuhara Y. Sci.Technol. Adv. Mater., 2000, v. 1, p. 219.
    Williams D. B., Carter C. B. Transmission Electron Microscopy (I Basic, II Diffraction, III Imaging, IV Spectrometry). N.Y.: Plenum Press, 1996.
    Melinon P., Keghelian P., Perez A. e. a. Philos. Mag. A, 2000,v. 80, p. 143.

  • При этой реакции аммиакат натрия и сольватированные электроны внедряются в межслоевое пространство графита, образуя соединение внедрения. Следует отметить, что ни металлический натрий при нормальных условиях, ни жидкий аммиак в отдельности не реагируют с графитом с образованием соединений внедрения. Образование интеркалата графита осуществляется только при совместном действии этих двух компонентов. Образовавшееся соединение энергично взаимодействует с водой. Реакция сопровождается большим выделением тепла и газообразных продуктов:Na(NH3)4 + H2O = NaOH + NH3 (v) + H2 (v).Созданное …

    Читать подробнее

    При этой реакции аммиакат натрия и сольватированные электроны внедряются в межслоевое пространство графита, образуя соединение внедрения. Следует отметить, что ни металлический натрий при нормальных условиях, ни жидкий аммиак в отдельности не реагируют с графитом с образованием соединений внедрения. Образование интеркалата графита осуществляется только при совместном действии этих двух компонентов. Образовавшееся соединение энергично взаимодействует с водой. Реакция сопровождается большим выделением тепла и газообразных продуктов:Na(NH3)4 + H2O = NaOH + NH3 (v) + H2 (v).Созданное газообразными продуктами давление расщепляет структуру графита на отдельные слои (в пределе на графеновые листы). Реакция заканчивается образованием водной суспензии расширенного графита. После многократной промывки и вакуумной фильтрации образец представлял собой пористую массу с насыпной плотностью 0.01?0.03 g/cm3.Согласно данным сканирующей микроскопии, материал состоял в массе своей из тонких слоев толщиной от единиц до десятков нанометров, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (рис. 2.6).Рис. 2.6 – СЕМ изображение углерода[8]Полученный материал легко структурируется, переходя из аморфного состояния в частично упорядоченное в мягких условиях: при длительном хранении при комнатной температуре, высушивании коллоидных растворов и суспензий. Процесс структурирования ускоряется при обработке ультразвуком. Это проявляется в появлении узких линий на рентгенограмме и исчезновении гало, связанного с аморфной компонентой.Таким образом, описанный метод получения графена сочетает в себе высокую производительность, характерную для иных методов получения, и выгодно отличается от них тем, что обеспечивает высокую чистоту и структурное совершенство продукта, обусловленное проведением реакции в восстановительной среде. Кроме того, низкая температура протекания всех стадий получения графена и использование жидкой среды создает возможности допирования наночастицами или функциализации этого материала в процессе синтеза.Глава 2. Структура графена2.1 Различные состояния углеродаУглерод (Carboneum) является элементом № 6 и находится в 4-й группе периодической системы элементов. Свойства углеродных материалов обусловлены наличием на внешней электронной оболочке четырех электронов, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей. Атом углерода может образовать четыре одинарные связи, т.е иметь валентность четыре. При этом внешняя электронная оболочка углерода очень устойчива, поэтому углерод не способен образовывать ионные связи [б 1,2].Рис. Б 1.1. Электронное строение атома углерода [1]Углерод образует ковалентную химическую связь двумя электронами, которые перераспределяются между атомами и соединяют их. Углерод имеет несколько аллотропных модификаций, различающихся физическими и химическими свойствами. Разнообразие модификаций углерода обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. У атома углерода электронные орбитали имеют различную геометрию, которая определяется гибридизацией электронных орбиталей, Существует три основных геометрических состояния атома углерода – тетраэдическое, тригональное и диагональное. Тетраэдрическое состояние характерно при sp3-гибридизации, когда происходит смешение одного s- и трех p-электронов. В этом случае атом углерода находится в центре тетраэдра и связан четырьмя эквивалентными ?-связями с атомами углерода в вершинах тетраэдра. В тетраэдрической координации атома углерод наблюдают в алмазе и лонсдейлите и углерод в углеводородах[б 1].Тригональное состояние характерно для графита и углеводородов группы фенолов. В тригональном состоянии атом углерода находится в sp2-гибридизации, когда происходит смешение одной s- и двух p-электронных орбиталей. Атом углерода в этом случае имеет три равноценные ?-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу, p-орбиталь не участвует в гибридизации и расположена перпендикулярно плоскости ?-связей, она может образовывать ?-связи с другими атомами углерода. Дигональное состояние образует sp-гибридизацию, которое характерно при смешении одного s- и одного p-электронов. В этом состоянии два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона участвуют в образовании ?-связи. Такое состояние углерода для аллотропной модификации, которая получена искусственно и носит название карбин [б 3]. 5461057785Рис. б 1.2 Схематическое изображение структуры карбина[б 3]00Рис. б 1.2 Схематическое изображение структуры карбина[б 3]Структуру карбина образуют атомы углерода, собранные в полимерные цепочки двойными связями или чередующимися одинарными и тройными связями (рис. б 1.2). Полимерные цепочки имеют химически активные концы и несут отрицательный заряд, они также имеют изгибы с цепочечными вакансиями, где цепочки соединяются между собой и могут иметь зигзагообразное строение. Авторы открытия карбина считали, что карбин имеет кристаллическую структуру в виде совокупности цепочек кумуленового или полиинового типа, упакованных в кристаллы за счет вандерваальсовых сил. Цепочки предполагали прямолинейными, т.к. каждый атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации [б 3]. Для карбина характерно линейное расположение атомов, в виде цепочек. Он подразделяется на две модификации: с кумулированными связями =С=С=С= и полииновыми -С?С-С?С- связями. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, а под воздействием света проводимость его увеличивается, что позволило рекомендовать материал со структурой карбина для использования в фотоэлементах.Для описания аллотропных модификаций углерода проведены исследования углерода в широком диапазоне изменения температур и давления.Основные аллотропные модификации углерода представлены на упрощенной фазовой диаграмме состояния углерода (рис. Б 1.3). Диаграммы состояния углерода исследовали для установления условий перехода одной кристаллической модификации углерода в другую, например, с целью определения условий получения искусственных алмазов из порошков углеродного материала. Сейчас в литературе представлено несколько вариантов диаграмм состояния углерода.Рис. б 1.3. Упрощенная фазовая диаграмма состояния углерода. Заштрихованы области соответствуют аллотропным метастабильным модификациям: diamond -алмаз, graphite - графит, liquid – жидкая фаза, vapor – газообразная фаза [б 3].а бРис. б 1.4. Диаграмма состояния углерода . а - построена по данным Бунди б – БСЭ. 1 - жидкость; 2 - стабильный алмаз; 3 - стабильный графит; 4 - стабильный алмаз и метастабильный графит; 5 - стабильный графит и метастабильный алмаз; 6 - гипотетическая область существования иных твёрдых состояний углерода; 7 - точки, соответствующие условиям опытов по прямому превращению графита в алмаз; 8 - область образования алмаза с использованием металлов; 9 - область экспериментов по образованию алмазов при низком давлении.Установлено, что при нормальных условиях термодинамически устойчивым является только графит. Алмаз и другие формы углерода являются метастабильными. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается уже за секунды. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройная точка графит-жидкость-пар установлена при Т = 4130 K и давлении р = 12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит в жестких условиях высокой температуры и давления при 3000 K и давлении 11-12 ГПа. Точка равновесия между графитом, алмазом и расплавом находится в области Т = 4000-4200К и давлении р =12,5-13,5ГПа.В структуре алмаза каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями с sp3-гибридизацией, что обуславливает свойства алмаза как самого твердого вещества. Рис.б Элементарная ячейка (углерода) алмазаАтомы углерода в кристаллической структуре графита связаны прочными ковалентными связями с sp2-гибридизацией и формируют шестиугольные кольца, образующие также прочную и стабильную структуру в виде сетки. Сетки атомов углерода располагаются друг над другом слоями, установленые расстояния между атомами, расположенными в вершинах правильных шестиугольников, равны 0,142 нм., а между слоями расстояния равны 0,335 нм. Слои в графите относительно слабо связаны между собой. Именно такая структура графита, в которой прочные слои углерода слабо связаны между собой, определяет низкую твёрдость графита и его способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки. Различают две модификации графита - ?-графит (гексагональный) и ?-графит (ромбоэдрический), которые различны по упаковке слоев. В ?-графите половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника, а в ?-графите каждый четвёртый слой повторяет первый, ромбоэдрический графит представляют обычно в гексагональных осях, что позволяет показать его слоистую структуру. ?-графит является метастабильной фазой и в чистом виде не встречается, но в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может составлять около 30 %. Установлено, что при температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.а бРис. Б 1.5 Строение графита а. ?-графит; б. ?-графит [б 3,4]По современным представлениям углеродные материалы по типу графита состоят из множества областей упорядоченности углеродных атомов, имеющих конечные размеры, отличающиеся на несколько порядков для различных образцов углеродистых тел графитоподобной структуры. Структура областей может приближаться к идеальной решетке графита, но также могут быть отличия из-за искажений внутри слоев или за счет неправильности чередования слоев. Области упорядоченности называются кристаллитами, которые характеризуют геометрическими характеристиками. Определение размера кристаллитов проводят с помощью рентгенографического анализа. Установлено также, что в реальных графитовых телах могут находиться и неупорядоченные атомы углерода, которые располагаются между кристаллитами, также установлено, что неупорядоченные атомы могут находиться в sp, sp2 или sp3-гибридном состоянии.Из диаграммы состояния углерода (рис. 1.3-1.5.), очевидно, следует, что при атмосферном давлении и высоких температурах графит сублимирует, не переходя в жидкое состояние. А в области высоких давлений и температур графит плавится. Это было установлено при измерении электропроводности образцов. Так при Т=4000К и р=10МПа наблюдали скачок электросопротивления. Каждый атом углерода в графите ковалентно связан с тремя соседними атомами. При связывании друг с другом нескольких атомов углерода возможно образование и ковалентных связей, в которых один электрон поровну распределен между 3 и более атомами, т.е. электрон делокализован. При этом образуются связи промежуточной кратности, а делокализованные электроны находятся по всей молекуле. Наличие делокализованных электронов обуславливает хорошую проводимость графита, поскольку электроны могут легко перемещаться под действием внешнего электрического поля. Характерным свойством различных видов графитовых материалов, является анизотропия свойств. Это проявляется в различии значений физических свойств, если их измерять в направлениях параллельном и перпендикулярном слоям. Например, отношение коэффициентов расширения образца в параллельном и перпендикулярном направлениях меняется для различных графитов от 1 до 30. Пластическая деформация кристаллитов графитов сопровождается появлением линий сдвигов и следов скольжения, т.к. деформация осуществляется в плоскостях и направлениях с наименьшим сопротивлением сдвигу, то есть по плоскостям, образованным гексагонально связанными атомами углерода, в направлении параллельном этим плоскостям. Поскольку особенностью кристаллической структуры графита является малая величина сил связи между его слоями, что обусловливает скольжение слоев относительно друг друга уже при незначительных напряжениях сдвига в направлении скольжения, это дает возможность использовать углеграфитовые материалы как антифрикционные.В направлении перпендикулярном слоям графит ведет себя как полупроводник с дырочной проводимостью, поэтому электропроводность графита в параллельном слоям направлении примерно на два-три порядка превышает проводимость в направлении перпендикулярном слоям углерода. Исследованиями электрических свойств поликристаллических углеродных материалов установлено, что общая проводимость определяется двумя составляющими: электропроводностью кристаллитов по металлическому типу и проводимостью углерода как полупроводника. Это обуславливает экстремальную зависимость электропроводности многих известных сейчас углеграфитовых материалов от температуры. Известно, что электрическое сопротивление полупроводника с ростом температуры падает, а металла растет, этим объясняется и то, что существует минимум температурной зависимости сопротивления, положение которого смещается в область более низких температур при совершенствовании кристаллической структуры образца. Установленные зависимости изменения электрических свойств позволяют по положению экстремума судить о степени приближения структуры к идеальной графитовой. В последнее время открыты новые формы организации углерода. Это фуллерены, нанотрубки и графен. Все новые модификации можно рассматривать как гигантские молекулы, состоящие из атомов углерода. Их относят к наноматериалам. Исходным для получения наноматериалов является графит.2.2 Структура кристаллической решетки графенаКристаллическая решетка графена (рис. 3.1) представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решеткой. Для такой решетки известно, что ее обратная решетка тоже будет гексагональной.Рис. 3.1 – Изображение гексагональной решетки графена[14]В элементарной ячейке кристалла находятся два атома, обозначенные A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге на вектора трансляций (любой вектор вида rA = me1 + ne2 , где m и n – любые целые числа) образует подрешетку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. На рис. 3.1 представлены две подрешетки атомов, закрашенные разными цветами: зеленым и красным. Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках, обозначенное ?0, составляет 0,142 нм. Постоянную решетки (?) можно получить из простых геометрических соображений. Она равна ? = ? ?0 , то есть 0,246 нм [14].Если определить за начало координат точку, соответствующую узлу кристаллической решетки (подрешетка A), из которой начинаются векторы трансляций:e1 , e2 с длиной векторов, равной ? и ввести двумерную декартову систему координат в плоскости графена с осью ординат, направленной вверх, и осью абсцисс, направленной по отрезку, соединяющему соседние узлы A и B, то тогда координаты концов векторов трансляций, начинающихся из начала координат, запишутся в виде: (3.1)а соответствующие им вектора обратной решетки: (3.2)(без множителя 2?).В декартовых координатах положение ближайших к узлу подрешетки A (все атомы которой на рисунке 3 показаны красным) в начале координат, атомов из подрешетки B (показаны соответственно зеленым цветом) задается в виде(3.3)Кристаллическая структура материала находит отражение во всех его физических свойствах. В особенности сильно от порядка, в котором расположены атомы в кристаллической решетке, зависит зонная структура кристалла [16].Рис. 3.2 - Зонная структура графена[7]На рисунке 3.2 ближайшие атомы в окружении центрального узла (A) решетки. Красная пунктирная окружность соответствует ближайшим соседям из той же самой подрешетки кристалла (A), а зеленая окружность соответствует атомам из второй подрешетки кристалла (B).Зонная структура графена рассчитана в приближении сильно связанных электронов. На внешней оболочке атома углерода находится 4 электрона, три из которых образуют связи с соседними атомами в решетки при перекрывании sp?-гибридизированных орбиталей, а оставшийся электрон находится в 2pz-состоянии (именно это состояние отвечает в графите за образование межплоскостных связей, а в графене — за образование энергетических зон). В приближении сильно связанных электронов полная волновая функция всех электронов кристалла записывается в виде суммы волновых функций электронов из разных подрешеток [7]. (3.4)где коэффициент ? – некий неизвестный (вариационный) параметр, который определяется из минимума энергии. Входящие в уравнение волновые функции ?1 и ?2 записываются в виде суммы волновых функций отдельных электронов в различных подрешетках кристалла.В приближении сильно связанных электронов интеграл перекрытия (?0), то есть сила взаимодействия, быстро спадает на межатомных расстояниях. Другими словами — взаимодействие волновой функции центрального атома с волновыми функциями атомов, расположенных на зеленой окружности (рис. 3.2), вносит основной вклад в формирование зонной структуры графена.Глава 3. Свойства графенаВ настоящее время происходит все большая миниатюризация элементной базы электроники, возникают новые технологии получения и исследования физических объектов нанометрового размера. Интенсивное развитие нанотехнологий обуславливает современные успехи в наноэлектронике и в создании наноэлектромеханических систем. Новые возможности современных нанотехнологий привели к открытию и разработке методов получения новых нанообъектов - углеродных нанотрубок и недавно графена. Эти объекты, обладающие уникальными электронными и механическими свойствами, многими считаются перспективными для применения в наноэлектронных приборах.Графен представляет собой двумерную структуру, состоящую из атомов углерода, выстроенных в кристаллическую решетку типа «пчелиные соты» (рис. 4.1(а)). Наиболее распространенная форма углерода - графит - может рассматриваться как стопка листов графена, относительно слабо связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса. Широко известные углеродные наноструктуры - нанотрубки и фуллерены - можно рассматривать как свернутый в трубку лист графена или, соответственно, как замощение сферы решеткой графена. Таким образом, графен, как ключевая квазидвумерная углеродная наноструктура, с точки зрения классификации является основой трехмерного графита, квазиодномерных нанотрубок и квазинульмерных фуллеренов.Соответственно, теоретическое изучение графита, нанотрубок и фуллеренов всегда отправлялось от рассмотрения их основы - изолированного листа графена. Каждый атом углерода в графене окружен тремя ближайшими соседями и обладает четырьмя валентными электронами, из которых три образуют sp2-гибридизованные орбитали, расположенные в одной плоскости под углами 120? и формирующие ковалентные связи с соседними атомами (рис. 4.1(б)). За низкоэнергетические электронные свойства графена отвечает четвертый электрон, представленный ориентированной перпендикулярно этой плоскости 2pz-орбиталью [1].Рис. 4.1 – Кристаллическая решетка графена[1]Первым к теоретическому изучению электронных свойств графена и графита обратился П.Р. Уоллес в 1947 г. В простом приближении сильной связи с учетом взаимодействия ближайших соседей он показал, что углы первой зоны Бриллюэна графена, имеющей форму шестиугольника, являются точками, в которых происходит касание валентной зоны и зоны проводимости 2pz-электрона и вблизи которых дисперсия электронов является линейной (рис. 4.2(а), 4.2(б)). Уровень Ферми химически чистого графена находится в точке касания зон, в связи с чем графен может быть назван квазидвумерным полупроводником с нулевой щелью [20].Рис. 4.2 - Энергетические зоны 2pz-электрона в графене[20]Поскольку кристаллическая решетка графена не является решеткой Бравэ, но может рассматриваться как совокупность двух взаимопроникающих треугольных подрешеток (рис. 4.

Эта работа вам не подошла?
У наших авторов вы можете заказать любую учебную работу от 200 руб. Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 10 минут!
Заказать работу
Похожие работы
Совершить оплату можно с помощью:
  • webmoney
  • yandex
  • mastercard
  • visa
  • qiwi