Наукове

Графен та інші матеріали двовимірні

Графен – дивовижний матеріал, який представляє з себе “тканина” з вуглецю товщиною всього в один атом. Така конфігурація має багато незвичайних властивостей, які відрізняються не тільки від властивостей об’ємних модифікацій карбону (графіт, алмаз), але й взагалі від усіх відомих матеріалів. Матеріали, товщина яких обмежена одним або декількома атомами отримали назву двовимірні або 2D.

Графен – перший і найвідоміший представник цього нового класу матеріалів, але не єдиний. З цієї статті ви дізнаєтеся які ще бувають двовимірні матеріали і яку користь вони можуть принести людству.Історія та отримання графенаВсе почалося в 2004 році з моменту виходу статті вчених російського походження А.

К. Гейма і К. С.

Новосьолова. У цій статті вони перші в світі запропонували спосіб отримання графена – двовимірного вуглецю. До речі, за цю і наступні роботи по вивченню властивостей графену вони в подальшому були удостоєні Нобелівської премії з фізики.

До цього часу такий матеріал досліджували тільки теоретично, отримати його на практиці не представлялося можливим. Гейм і Новосьолов запропонували дуже простий і в той же час елегантний спосіб одержання двовимірного вуглецю, який назвали механічне розщеплення. У загальних рисах це виглядає так: на шматок грфита наклеюють клейку стрічку, відривають її, а прилиплий шар осаджують на спеціальну підкладку.

Якщо повторювати цей процес багато разів, то серед отриманих шарів графіту можуть виявитися ті самі бажані одношарові. Такий шар приблизно в 300 тисяч разів тонше звичайного аркуша паперу. Зараз існують і інші методи отримання графена, наприклад за рахунок певних хімічних реакцій, осадження з газової фази та інші.

Але саме метод механічного розщеплення свого часу привів до революції. Хоч він і не дозволяє виробляти великі шматки графена для промислових цілей, його простота і доступність дозволили отримувати і досліджувати двовимірний вуглець сотням лабораторій по всьому світу. Після цього графен став по справжньому “хайповой” темою в науці і фізики зокрема.

Схематичне зображення структури графенаСхематическое зображення структури графенаКоличество наукових публікацій на тему одного тільки графена давно вже перевалиливает за 10-15 тисяч на рік, не кажучи вже про двовимірних матеріалах в цілому. Такий підвищений інтерес показує наскільки значущими є ці матеріали. Властивості і застосування графена Причиною такого підвищеного інтересу до графену яаляются його унікальні властивості і перспективи, які вони відкривають.

Вуглець у двовимірному стані володіє рекордною рухливістю носіїв зараяда при кімнатній температурі, що дає йому дуже добру електро – і теплопровідність. Це відкриває перед графеном великі перспективи використання в електроніці. Унікальні оптичні властивості графену – він на 97.

7% прозорий. З точки зору механічних властивостей знову рекорди – величезна міцність на розрив і механічна жорсткість. Хімічні властивості теж досить цікаві: графен не реагує з кислотами і лугами при кімнатній температурі, але добре реагує з деякими окремими елементами, що дозволяє робити чутливі сенсори – детектори певних речовин.

Загалом з якого боку не подивитися – матеріал унікальний. Єдиний нюанс – у графена відсутня так звана “заборонена зона” – область енергій, якими не можуть мати електрони в матеріалі. Іншими словами, на відміну від стандартних напівпровідників він проводить струм завжди і не можна шляхом зміни вхідних параметрів створити два стани, на яких будується вся двійкова логіка в електроніці – проводить і не проводить.

Але це не заважає графену вже зараз знаходить ряд застосувань, а в майбутньому очікується, що їх кількість буде тільки зростати. В першу чергу це електроніка, тут найбільшу активність виявляють такі великі фірми, як Samsung, Apple та інші, які є правовласниками великої кількості патентів за графену і впроваджують його розробки. На основі графену планують робити ефективні сонячні батареї, балістичні транзистори, акумулятори та ще багато чого корисного.

Є і більш екзотичні варіанти застосування, такі як розумна одяг і гнучкі дисплеї. Іншими словами із застосуванням графена проблем немає, але, на жаль, наразі є проблема з його виробництвом. Сьогодні ще немає оптимальної технології масового виробництва графена в масштабах, достатніх для всіх потреб.

З цієї причини той графен, який вдається зробити, залишається шалено дорогим, що багато в чому обмежує практичне застосування. Не тільки графен. Успіх графена спродвиг дослідників на розробку інших двовимірних матеріалів.

Борофен. Як зрозуміло з назви це двовимірний бор, який багато хто вважає головним конкурентом графена. Він теж володіє хорошою електропровідністю, а також високою питомою ємністю, що робить його відмінним кандидатом для застосування в батареях нового покоління.

Залежно від структурних особливостей борофен може бути як звичайним провідником так і надпровідником. Борофен міцніше свого вуглецевого побратима і більш гнучкий. Крім того, він може застосовуватися для зберігання водню – ще однієї важливої проблеми сучасності.

Борофен здатний утримувати на собі масу водню дорівнює приблизно 1/8 власної маси, що є хорошим показником. Цей матеріал був отриманий значно пізніше графена – тільки в 2015 році, але головна проблема та ж, що і у першого – дороге виробництво. Ще одним недоліком борофена є його схильність до окислення і взамодействию з різними хімічними елементами, що поки обмежує можливості його зберігання і застосування.

Силицен. Двовимірний кремній. Як відомо, кремній все ще беззаперечний лідер по застосуванню в електроніці.

Природно, силицен, який сам є кремнієм добре сумісний з існуючою напівпровідникової та іншою технікою. Це і вважається його головною перевагою. Ще однією фішкою силицена є можливість значної зміни його електроопору шляхом механічного розтягування.

Порівняно з графеном він більш гнучкий, але на два порядки програє тому в рухливості носіїв заряду. Крім електроніки, так само як і інші представники класу двовимірних матеріалів може застосовуватися в акумуляторах і високочутливих молекулярних сенсорах. Проблеми ті ж що і у борофена.

Фосфорен. Одношаровий фосфор подібний графену в тому розумінні, що він теж може бути отриманий шляхом звичайного механічного розшарування (скотч і шматок чорного фосфору). Він має меншу електропровідність ніж графен і силицен, але на відміну від них має заборонену зону.

Тобто він може проводити електричний струм, то немає, що дає йому можливість застосування в основі транзисторів. Теоретично фосфорен повинен бути більш стійким до окислення ніж його побратими, але як отримувати великі шматки такого матеріалу теж поки що не придумали. Германен.

Одношаровий германій – ще один двовимірний матеріал із забороненою зоною, яка може бути створена шляхом прикладання електричного поля, перпендикулярного поверхні матеріалу. За рахунок цього на його основі можна створювати польові транзистори. Передбачається, що германен буде використовуватися не тільки в напівпровідникової промисловості, але і в модному сьогодні напрямку – квантових комп’ютерах.

Ну і по традиції за рахунок хороших показників рухливості зарядів германен може застосовуватися в акумуляторах. Крім цих матеріалів існує ще різні двовимірні модифікації окремих елементів (плюмбен-свинець, висмутен-вісмут і ін) так і цілі з’єднання, яких вже отримано досить велика кількість.
Безумовно, двовимірні матеріали поки мають свої проблеми, найголовніша з яких дорожнеча отримання. Але за науковим мірками це дуже молодий напрям досліджень, тому хочеться вірити, що унікальні властивості 2D матеріалів ще знайдуть своє широке застосування в нашому житті.

Related posts

Leave a Comment