Графен
Графен
.doc
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Введение
Графен — это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp2-связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань.
Актуальность темы реферата заключается в том, что открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.
Цель работы – более полное изучение графена.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть историю открытия графена, его описание, свойства, получение и производство, применение и перспективы, а также графен с физической точки зрения.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (три главы), заключение и библиографический список, состоящий из семи источников литературы.
1. Графен – инновационный материал
1.1 История открытия
Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, которая состоит из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, т.к. данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.
Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме. 1
1.2 Описание
Графен (Рисунок 1.1) — это двумерная аллотропная форма углерода. В ней атомы образуют слой толщиной в один атом, так как эти атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp2-связями. В прямом смысле графен представляет собой ткань, либо материю.
Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые открыты недавно, например, углеродные нанотрубки и фуллерены (несколько лет назад), а такие как графит и алмаз, известны уже очень давно. Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.
Рисунок 1.1 – Графен
Получены новые вещества, основой которых является графен – это флюорографен, гидрид графена (либо графан) и оксид графена, о нем более подробная речь пойдет ниже. Флюорографен итог реакции фтора и графена.
Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах.2
1.3 Свойства графена
Изучаемому наноматериалу присущи нижеперечисленные свойства:
• графен является самым прочным материалом на Земле. В триста раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой четыре килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,
• благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,
• в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, позволющаят ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,
• графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в семьдесят раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Скорость электронов в графене составляет десять тысяч километров в секунду, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка ста метров в секунду.
• обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в сорок семь раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы,
• обладает высокой теплопроводностью. Он в десять раз теплопроводнее меди,
• характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3 процента света,
• графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,
• самый легкий материал. В шесть раз легче пера,
• инертность к окружающей среде,
• впитывает радиоактивные отходы.
В Таблице 1.1 указаны физические свойства графена.
Таблица 1.1 – Физические свойства графена при комнатной температуре
1.4 Получение
Начиная с 2004 года, когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Однако самыми основными из них считаются способы:
• механической эксфолиации (Рисунок 1.2);
• эпитаксиального роста в вакууме;
• химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).
Самым простым методом из вышеперечисленных трех является механическая эксфолиация. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. Далее, отделяя необходимый материал, основу начинают разгибать и сгибать, как листок бумаги. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Все же данная процедура не подходит для массового получения графена. 3
Рисунок 1.2 – Механическая эксфолиация
При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до тысячи кельвинов). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Необходимость использования довольно высоких температур в данном методе, является его минусом и недостатком. Кстати, может случиться сгорание атомов углерода.
Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.
1.5 Получение графена в домашних условиях
Необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее четырехсот ватт. В чашу блендера выливают пятьсот миллилитров воды, добавляя в жидкость 10-25 мл любого моющего вещества и двадцать-пятьдесят грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от десяти минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.4
1.6 Оксиды наноматериала
Есть структуры графена, в котором по краям, либо внутри углеродной сетки есть присоединенные молекулы или функциональные кислородосодержащие группы. Они очень активно изучаются учеными и исследователями в данной области. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из микро- и наночастиц данной структуры были изготовлены учеными сантиметровые образцы.
Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Сантиметровый кубик данного наноматериалы спокойно удерживается на лепестках цветка, что говорит о легкости данного материала (Рисунок 1.3). Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.
Рисунок 1.3 – Сантиметровый кубик оксида графена на лепестках цветка
1.7 Производство графена
В настоящее время самая крупная компания, которая изготавливает и разрабатывает графен, располагается в китае. Название этого производителя - Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.
Компания Chongqing Morsh Technology – главный потребитель графена. Данный наноматериал используется этой кампанией для производства проводящих прозрачных пленок, вставляющихся в сенсорные дисплеи.
Сравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. Этот элемент очень важен для оптических приборов, он содержит в себе несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до тысячи раз). При этом процессе существенно снижается потребление электрической энергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.
2. Применение и перспективы
2.1 Применение
Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте две тысячи шестого года группа исследователей из технологического института штата Джорджия Соединенных Штатов Америки сделала заявление, что ими был получен полевой транзистор на графене.
Для создания полевого транзистора применять графен напрямую без токов утечки практически невозможно. Это объясняется отсутствием запрещённой зоны в изучаемом наноматериале, так как нет возможности добиться весомой разности в сопротивлении при любых приложенных к затвору напряжениях. Другими словами, не получается задать два состояния, которые пригодны для двоичной логики: непроводящее, либо проводящее.
На Рисунке 2.1 изображены области применения графена.
Рисунок 2.1 – Применение графена
Другая область применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
