Инновационные конструкционные материалы

Введение

в полимеры

Получение материалов из чешуек графена, ГрО или RGO может быть осуществлено путем введения их в матрицы полимеров разного состава. В этой работе для создания таких композитных материалов чешуйки ГрО гомогенно распределяли в матрице ПВА, дальнейшее превращение привело к восстановлению ГрО до восГрО внутри матрицы. Показано, чтоВведение

лишь 1.8% объемных восГрО в полимер привело к 150% увеличению предела его прочности на разрыв. Аналогично, добавление небольших количеств графена в эпоксидную смолу действует намного сильнее на увеличение (~ на 1 порядок) прочности и механических свойств композита, чемВведение

утлеродсодержащих нанотрубок в тот же полимер.
Было ясно, что такой «нежный» объект не может остаться безучастным к структуре и дефектам той поверхности, на которую его переносят. Так, в работе обнаружены структурные искажения, образующиеся при фиксации одно- или многослойного графена на поверхности полимерной пленки полиметилметакрилата (ПММА). Обнаружено, что многослойный графен на гладкой поверхности полимера может создавать стопки из нескольких слоев. Авторы полагают, что образование наноискажений может существенно влиять на свойства графена на поверхности.
Для использования уникальных электрофизических свойств графена его вводят в электропроводящие полимеры. Наиболее часто в качестве проводящего полимера используют полианилин, известный своей доступностью и низкой стоимостью. В работе получены механически устойчивые, гибкие пленки слоистого строения, в которых чередуются слои PANI и восГрО. Показано, что электропроводность таких пленок на порядок выше пленки исходного PANI. Композиты PANI и RGO показывают хорошие свойства в качестве материалов в суперконденсаторах и литиевых батареях.
Создание новых углеродных композитов на основе Г (например, 1сГрО/полианилин и др.) вызывает большой интерес, как с фундаментальной точки зрения, так и с практической. В настоящее время сообщается о создании нового углеродного нанокомпозита «нанотрубки + графен», состоящего из самоорганизованной структуры нанотрубок и Г. Г имеет форму листа из одного слоя атомов углерода, а нанотрубка может быть описана как 1сГ, свернутый в цилиндр. Несмотря на то, что они состоят из одних и тех же структурных фрагментов, их характеристики существенно отличаются. Из всех известных в природе материалов углеродные нанотрубки имеют самую высокую теплопроводность и механическую прочность, а Г имеет высокую подвижность электронов. Объединить эти свойства удалось, используя метод химического осаждения из пара в вакуумной камере. Созданный таким путём материал состоял из слоя многостенных нанотрубок, расположенных между несколькими слоями Г.
Проведенные эксперименты показали, что можно с успехом использовать традиционные пути создания материалов из нанообъектов для получения материалов на основе графена. Вопрос о том, в какой мере при этом сохраняются уникальные свойства однослойного графена остается открытым.


5. Устройства на основе графена

В результате открытия Новосёлова и Гейма исследователи получили в свое распоряжение семейство новых углеродных наноструктур с необычным комплексом свойств. Наряду со стремительным исследованием физико-химических свойств, стал проводиться активный поиск возможного прикладного использования этих уникальных нанообъектов. Как было показано в предыдущих разделах, сочетание физических и химических свойств Г поистине уникально. При толщине в один атом, этот материал один из самых прочных, прозрачен и является отличным проводником при комнатной температуре. Однако всё это относится только к 1сГ, свойства всех остальных модификаций мало изучены и не достигают тех значений, которые приводятся для подвешенного однослойного графена.

5.1 Углеродная электроника

Таким образом, из изложенного выше видно, что графен является самым тонким материалом и при этом, наиболее прочным, он совершенно прозрачен и является отличным проводником с высокой подвижностью носителей тока при комнатной температуре. Графен устойчив при нагревании до довольно высоких температур. Так, при нагреве в аргоне до 400°С структура графена остаётся неизменной, в то время как физические характеристики плавно меняются в соответствии с известными законами.
Вследствие этого имеется множество идей изготовления прозрачных графеновых электродов для светодиодов и солнечных батарей, а также ряд других интересных областей применения.
Однако наиболее революционной является идея создания полностью углеродной высокоскоростной электроники, где все элементы (элементная база) будут изготовлены на основе графена и его производных: активные и пассивные элементы, интегральные схемы, теплоотводящие подложки, проводники, полупроводники различных типов, транзисторы, переключатели и т.п. Считается, что дешевые и гибкие полностью углеродные интегральные схемы на основе графена можно будет производить с помощью интенсивно разрабатываемой в настоящее время нанолитографии и принтерной технологии

. В то же время, на пути создания безкремниевой полностью углеродной электроники стоит ряд проблем. Необходимо научиться делать протяжённые бездефектные плёнки однослойного графена на гибких полимерных подложках. Имеющиеся экспериментальные результаты показывают, что сделать это не просто. Например, на сегодняшний день можно получить устойчивую дисперсию однослойного графена в ряде растворителей и использовать её в качестве чернил для печати наноэлектронных устройств. Однако проводимость и подвижность зарядов таких материалов будет на порядки ниже, чем у подвешенного однослойного графена. Несмотря на это, многие авторы выражают уверенность в возможности создания полностью углеродной наноэлектроники. Как шаг в этом направлении учёные сообщают о разработанной ими технологии формирования электронных схем с использованием протяжённой графеновой плёнки, полученной методом spin-coating дисперсии графена в растворителях с последующей лазерной печатью без использования каких-либо масок. Для демонстрации возможностей этой технологии авторы создали работающий прототип гибкой ячейки памяти типа WORM (многократной записи и считывания); плотность записи 500000 бит/см2 и это не предел + высокое быстродействие.

5.2 Полевые транзисторы на основе графена

Хотя проблема получения значительных количеств 1сГ пока ещё не решена, но тем не менее исследования в области построения электронных устройств на основе такого материала уже ведутся. Процессоры на кремниевых транзисторах выполняют определенное количество операций в секунду, сопровождающееся выделением большого количества тепла. В Г электроны перемещаются практически без сопротивления, выделяя при этом очень мало тепла. Помимо этого, Г - хороший тепловой проводник, что позволяет быстро рассеивать избыточное тепло. Из-за этих и других факторов электроника на основе Г, может работать на гораздо более высоких
частотах. Поэтому графен рассматривается как перспективный материал для наноэлектроники несмотря на то, что у него ширина запрещенной зоны Eg = 0 и поэтому он не может использоваться впрямую, например, для создания биполярных транзисторов с комнатной рабочей температурой; это ограничение, как будет показано ниже, не распространяется на полевые и одноэлектронные транзисторы.
На основе Г созданы первые лабораторные полевые транзисторы, которые, как предполагается, могут совершить прорыв в наноэлектронике. Для изготовления транзистора несколько капель дисперсии, содержащей графеновые листы, наносили на кремниевую подложку, покрытую слоем SiO2 толщиной 200 нм, а также тонкими золотыми полосками, отстоящими друг от друга на расстоянии около 1 мкм. В результате испарения растворителя отдельные чешуйки графена попадали в промежуток между электродами, что приводило к образованию двухконтактного либо трехконтактного полевого транзистора; в качестве запирающего электрода использовалась тыльная сторона кремниевой пластины. Сообщается о создании действующего транзистрора на основе бислойного графена с высокими параметрами. Более того, в дальнейшем было показано, что графен может быть использован для решения проблем терагерцевой электроники; так, сконструированный на основе графена прибор представлял собой высокоскоростной (120-200 fs) транзистор, работающий с частотой 700-1400 GHZ.
Показано, что можно использовать графеновые островки небольших размеров в качестве основы одноэлектронных транзисторов, что открывает возможности для создания электронных устройств с использованием «квантовых точек» на основе графена.
Таким образом, изложенные выше теоретические и экспериментальные результаты с несомненностью демонстрируют, что не существует принципиальных препятствий для создания полностью углеродной электроники. Особенности строения и свойств графенового листа открывают перед конструкторами электронных устройств такие возможности, которые невозможно было решать с использованием традиционных материалов современной электроники.

5.3 Сенсоры

Предложено использовать Г в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул в газовой фазе. Решению этой задачи способствуют такие привлекательные характеристики графенов, как термическая, механическая и химическая стабильность, а также высокая чувствительность электронных параметров к наличию молекул различного сорта, сорбированных на поверхности графенов. Как было показано в предыдущих разделах, принцип действия такого сенсора основан на изменении проводимости 1сГ при сорбции на его поверхности
примесных молекул анализируемого газа. Указанная чувствительность определяет возможность разработки на основе графенов нового типа сенсоров, представляющих собой высокочувствительные датчики, способные регистрировать малейшие примеси определенных газов в атмосфере. Установлено, что электрические характеристики плёнок графена, подвергнутых термообработке при температуре 200°С и выше, оказались весьма чувствительными к присутствию в атмосфере примесей NO2 на уровне нескольких десятков ррт