Графен — двуизмерен въглероден материал: структура, свойства, приложения

Графен — двуизмерен въглерод с пчелна-питa структура, изключителни електрични и механични свойства и широки приложения в електроника, енергетика и нанотехнологии.

Графенът е една от формите на въглерода. Подобно на диамантите и графита, формите (или "алотропите") на въглерода имат различна кристална структура и това им придава различни свойства. Графенът е основната 2D (двуизмерна) форма на редица 3D алотропи, като графит, въглен, фулерен и въглеродни нанотръби.

Терминът графен е създаден като комбинация от графит и наставката "-ен" от Ханс-Петер Бьом, който през 1962 г. описва еднослойно въглеродно фолио. Графенът прилича на структура на пчелна пита или "пилешка тел", изградена от въглеродни атоми и техните връзки. Графитът представлява много графенови листове, подредени един върху друг.

Дебелината на три милиона графенови листа, подредени така, че да образуват графит, е само един милиметър.

Нобеловата награда за физика за 2010 г. е присъдена на сър Андре Гейм и сър Константин Новоселов "за новаторски експерименти, свързани с двуизмерния материал графен".

Графеновите суперкондензатори са сред възможните приложения.

Каква е структурата на графена?

Графенът е еднослоен мрежест материал, в който въглеродните атоми са свързани в плоска шестстенна (хексагонална) решетка, наподобяваща пчелна пита. Всяко въглеродно атом има три σ-връзки с първите съседни атоми и една необвързана p-орбитална електронна облачност, която образува делокализирана π-система над и под плоскостта. Тази делокализация дава възможност за високата електропроводимост и необичайни електронни свойства на графена.

Ключови свойства

• Електронни свойства: Графенът е полу-метал (нулева ширина на забранената зона) — електроните се движат като масово-нулеви фермиони и показват линейна дисперсия (наречени "дирaкови фермиони"). Това води до много висока електронна подвижност (стандартно над 15 000 cm2/V·s, а в чисти и суспендирани образци стойностите могат да достигнат и над 100 000 cm2/V·s).
• Механични свойства: Графенът е изключително здрав и твърд — модул на Юнг около 1 TPa и пределна якост на опън ~130 GPa за идеален еднослоен лист.
• Топлинни свойства: Много висока топлопроводимост — експериментални стойности в диапазона ~2000–5000 W/m·K, което го прави отличен топлопроводник за приложения като разсейване на топлина.
• Оптически свойства: Еднослойният графен абсорбира около 2.3% от видимата светлина, което го прави почти прозрачен и полезен за прозрачни електроди.
• Площ и газонепроницаемост: Теоретичната специфична повърхност е много висока (до ~2630 m2/g); монопластови листове са практически непропускливи за газове и течности, ако нямат дефекти.
• Повърхностна химия: Лесно подлежи на химическа функционализация — възможно е да се свързват различни групи или да се образува графенова оксидна форма (graphene oxide), която е разтворима във вода и удобна за обработка.

Как се получава графен?

Има няколко основни метода за производство на графен, всеки със своите предимства и ограничения:

• Механично обелване (exfoliation): Познатият „Scotch tape“ метод, използван от Гейм и Новоселов, позволява получаване на високо качество еднослойни листове, но е непрактичен за масово производство.
• Химическо възстановяване на графенов оксид (reduced graphene oxide): Производство чрез окисляване на графит до графенов оксид, последвано от възстановяване. Подходящ за мащабни и евтини приложения, но получените листове често имат дефекти и остатъчни функционални групи.
• Кемикал вейпър депозишън (CVD): Растеж на графен върху метали (напр. мед, никел) от газообразни прекурсори. Позволява производство на големи еднослойни филми, подходящи за електроника и прозрачни електроди, но изисква прехвърляне върху други подкори (substrates).
• Епитаксиален растеж върху SiC: Термично разлагане на въглеродни слоеве от повърхността на кремний карбид, използван за получаване на големи монослойни области с добра кохерентност.
• Лиkвидно фазово разслояване: Разслояване в течности (с помощта на ултразвук и повърхностноактивни вещества) за производство на суспензии и пасти, полезни за композиционни материали и мастила.

Приложения

Благодарение на уникалните си свойства, графенът намира широк спектър приложения — както във възникващи, така и в утвърдени технологии:

• Електроника и оптоелектроника: Висока подвижност и прозрачност правят графена подходящ за бързи транзистори, прозрачни електроди за дисплеи, OLED и фотоволтаични клетки.
• Енергийни съхранения: Графенови суперкондензатори (висока мощност и добър цикличен живот), анодни материали за литиево-йонни и други батерии, подобряване на проводимостта в електродите.
• Композиции и материали: Добавяне в полимери, метали и керамики за увеличаване на механичната якост, проводимост и топлопроводимост при ниска добавка (малки проценти).
• Сензори: Газови и биосензори с висока чувствителност поради голямата специфична площ и променливи електронни свойства при адсорбция на молекули.
• Филтри и мембрани: Слоеве и модифицирани графенови структури за пречистване на вода, десалинизация и селективна пречка на йони и молекули.
• Термични мениджмънт решения: Топлоразпределящи слоеве и интерфейси в електроника и LED устройства.
• Медицински приложения (в проучване): Доставяне на лекарства, биосензори и тъканно инженерство — но тези приложения изискват обстойни изследвания за биосъвместимост и безопасност.

Проблеми и предизвикателства

• Контрол на качеството: Масовото производство често води до дефекти, зърнени граници и замърсявания, които променят желаните свойства.
• Цена и мащабируемост: Висококачественият монослоен графен все още е скъп и трудно се произвежда в големи площи.
• Интеграция в устройства: Прехвърляне върху различни подложки, свързване с други материали и мащабна обработваемост са технически предизвикателства.
• Безопасност и екология: Потенциална токсичност на наноматериалите и въздействието им върху околната среда изискват регулаторни стандарти и изчерпателни изследвания.
• Отсъствие на енергиен бандгеп: Нулевата ширина на забранената зона прави графена неудобен за някои полупроводникови приложения без допълнителна модификация (напр. структурно нарушаване, рязане в ленти, химическа функционализация или създаване на хетероструктури).

Бъдещи перспективи

Графенът е материал с голям потенциал и вече доведе до множество иновации в лабораторни и индустриални приложения. Комбинацията му с други двумерни материали (като бор-нитрид, молибденов дисулфид и др.) създава възможности за нови хетероструктури с проектирани свойства. Очаква се развитието на по-евтини и надеждни методи за производство, стандарти за качество и регулации по безопасност, което ще ускори преминаването от проучвания към масови приложения.

Кратко резюме

Графенът е уникален двумерен въглероден материал с изключителни механични, електрични и термични свойства, чийто потенциал вече се използва в редица технологии — от енергетика до електроника и материали. Въпреки предизвикателствата при производството и безопасността, интензивните изследвания и новите производствени методи постепенно премахват бариерите пред широкото му приложение.

Въпроси и отговори

В: Какво е графен?

В: Как графенът е свързан с графита?

В: Кой е автор на термина "графен"?

В: За какво сър Андре Гейм и сър Константин Новоселов получиха Нобелова награда за физика за 2010 г.?

В: Какви са някои от възможните приложения на графена?

В: Какви други форми или алотропи има въглеродът освен графена?

Търсене по буква