Графен и графеновая революция

Опубликовано: Автор: admin

За прошедшие пара десятилетий был совершен громадный рывок в электронике и вычислительных мощностях. Но на данный момент вычислительные скорости неспешно исчерпали собственные возможности, в том числе и потому, что кремний, применяемый в большинстве современных микросхем и транзисторов, достиг предела собственных физико-химических особенностей. Но на смену ему уже приходит новый, революционный материал.

Это графен, владеющий высокой тепло- и электропроводностью. Поразительно прочный, и одновременно с этим, фактически незаметный для людской глаза. Многие исследователи и учёные уже говорят о графеновой революции, ожидающей нас в самом ближайшем будущем.

Что такое графен

Углерод есть одним из тех неповторимых элементов, что способен вырабатывать разные структуры в виде одномерных пространственных цепочек. Благодаря этим особенностям поддерживается, например, и развитие генетического кода живых существ на отечественной планете. В течение продолжительного времени ученым было известно о существовании лишь трех аллотропных модификаций углерода. Это графит, бриллиант и сажа.

Но приблизительно с 60-х годов прошлого столетия семейство модификаций углерода начало скоро пополняться. В частности, была обнаружена одномерная модификация углерода карбин.

Графен и графеновая революцияИсточник: modificator.ru

Но в 2004 году произошло по-настоящему революционное открытие. Исследователи из университета Манчестера, уроженцы России, Андрей Константин и Гейм Новоселов, в лабораторных условиях сумели взять на данный момент форму углерода – тот самый графен. Через шесть лет они удостоились Нобелевской премии за собственный открытие и совершённые опыты.

Источник: technologyreview.com

Что же является графен? Это на сегодня самый узкий материал в мире, состоящий только из одного слоя атомов углерода. Взять его возможно из графита, что прекрасно знаком нам по карандашным стержням.

По собственной структуре графен напоминает пчелиные соты, другими словами атомы тут организованы в гексагональную кристаллическую решетку, которая «упакована» максимально хорошо. Ранее исследователи полагали, что таких однослойных кристаллов с  совершенной структурой, в принципе, не должно существовать. Но выходцам из России при помощи простой скотч-ленты удалось «отщепить» от кристалла графита одну атомарную плоскость.

Так оказался материал, наделенный неповторимыми особенностями.

Открытие стало причиной огромную волну экспериментов и исследований. Было совершено всестороннее изучение физико-химических черт нового материала, что превзошел все ожидания ученых. Так как свойства двумерной аллотропной формы углерода, другими словами графена, быстро отличались от черт известных нам трехмерных веществ.

Сходу выяснилось, например, что электроны в графене не владеют массой, что делает их похожими на фотоны света. Но наряду с этим они двигаются в много раз медленнее и имеют не нулевой заряд.

Кроме этого оказалось, что электроны владеют высокой чувствительностью внешнего электрического поля. В данной связи подвижность электронов в графене в сто раз выше, чем в простом кремнии. Последний, как мы знаем, активно используется сейчас при создании микросхем.

Но чем больше подвижность электронов, тем вычислительной скоростью и большей производительностью владеют устройства. Соответственно, в этом замысле графен имеет огромное преимущество перед другими материалами и кремнием.

Коротко возможно перечислить следующие особенности графена:

  • Высокая электропроводность. Графен проводит электричество так же прекрасно, как и простая медь, исходя из этого на его базе возможно создавать различные электрические устройства;
  • Хорошая механическая прочность. По прочности графен превосходит бриллиант;
  • Хорошая оптическая чистота. Графенспособен поглощать только чуть более двух процентов видимого света независимо от черт излучения. Именно поэтому неповторимый материал фактически бесцветен и для стороннего наблюдателя он по большому счету может показаться невидимым;
  • Рекордная теплопроводность. У графена она в десять раза выше, чем у меди, которая есть отличным проводником тепла.
  • Гибкость. Графен более эластичный, чем кремний. По этому параметру он кроме того превосходит резину. Однослойная структура разрешает растягивать и изменять форму графена так, как это нужно;
  • Свойство противостоять внешним действиям.

На сегодня существует пара способов получения графена:

— Механическое отщепление

Это самый распространенный метод получения графена в условиях научно-исследовательских лабораторий. Является ручную процедуру, которая дает возможность приобрести самые качественные образцы графена с высокой подвижностью электронов. Сам способ достаточно несложен: скотч-лента наклеивается на графит и отделяется. Потом ленту соединяют с другой и опять разделяют, дабы минимизировать слой графита.

Наконец, ленту с весьма узким слоем прижимают к какой-либо идеально ровной поверхности и, так, оставляют на ней чистый графен. Очевидно, данный способ не через чур подходит для промышленного выпуска графена.

— Химическое отслаивание

Следующий вариант – использование особенный растворителей, талантливых при взаимодействии с графитом и активном применении ультразвука расщеплять данный материал на однослойные пластинки. Таким методом возможно дробить графит пара раз, получая получения все более качественного графена. Потом отдельные кусочки соединяют при помощи особенной центрифуги.

Полученныйграфен возможно использовать в проводящих биомедицине и материалах.

— Отслаивание с применением оксида графена

Способ схож с прошлым, лишь отличие в том, что графит подвергают окислению. В следствии некоторых реакций образуется оксид графена. Потом снова задействуется центрифуга, и на полученный материал воздействуют термическими и химическими методами для возвращения его к состоянию графена.

Достигнутые образцы в большинстве случаев лучше тех, что образуются при помощи стандартного химического отслаивания.

— Осаждение

Уголь разогревают в особой печи под низким давлением до температуры тысяча градусов. После этого через печь пропускают водород и метан, благодаря чего атомы метана оседают на закаленном угле и формируется графен. Размеры приобретаемых таким методом образцов не весьма велики, но их в полной мере возможно использовать при создании разнообразных миниатюрных сенсоров и датчиков.

— Карбид кремния

Мелкий кусок карбида кремния кладут в коробочку с маленьким отверстием, которую заполняют аргоном либо из нее целый воздушное пространство. Потом коробку нагревают до больших температур, и в следствии сложных химических процессов формируется графеновый лист.

Возможности графена

Разнообразные опыты с графеном очень популярны у исследователей сейчас – каждый год выходят в свет тысячи научных работ и публикаций, посвященных данной тематике. Область применения графена очень широка. Но, само собой разумеется, прежде всего графен рассматривается как замена кремнию в микроэлектронике.

Он владеет красивой совместимостью с другими материалами (с тем же кремнием), исходя из этого может использоваться и при создании гибридных устройств. Высокая подвижность электронов и другие неповторимые физико-химические особенности графена делают его фактически совершенным материалом для миниатюрных, стремительных и производительных транзисторов – фундамента микроэлектроники.

Тут его превосходство перед простым кремнием, употребляющимся в современных компьютерах и мобильных гаджетах, разумеется. Транзисторы на графене теоретически должны трудиться на высоких частотах. Вдобавок, размеры таких транзисторов будут меньше простых, соответственно в одном устройстве возможно будет разместить большее их количество.

Все это приведет к мощности и значительному повышению производительности электронных устройств.

Кроме этого к преимуществам графена, с позиций применения в микроэлектронике, стоит отнести то, что он, в отличие от кремния, выделяет мало тепла. В теории графеновые транзисторы должны будут функционировать на терагерцовых диапазонах. Тогда как кремний уже безнадежно «застрял» на гигагерцах.

Исходя из этого графен способен обеспечить настоящую революцию. Данный материал будет задействован везде, где нужна компактная и замечательная электронная начинка.

Кроме транзисторов и всех других элементов электронных совокупностей, графен может обнаружить использование в самых различных областях. К примеру, употребляться для высокочувствительных сенсоров для фото- и камер. Графен способен решить извечную проблему современного фото- и видеооборудования – низкое уровень качества съемки в условиях недостаточного освещения.

Применение датчиков на базе графена может расширить чувствительность сенсоров к свету в много раз, наряду с этим будут задействоваться намного меньшие количества электричества. Именно поэтому возможно будет получать весьма качественные и детализированные снимки в условиях недостатка света. Графен может употребляться не только в простых бытовых камерах, но и в устройствах ночного видения, аппаратах и инфракрасных камерах спутников, делающих детализированные фотографии земной поверхности.

Графен кроме этого возможно использовать в биомедицине. В частности, на его базе были совершены изучения по определению последовательности нуклеотидов в генах.

В завершение, справедливости для, необходимо поведать и о проблемах, мешающих так называемой графеновой революции. Главная трудность пребывает в том, дабы приобретать графен громадной площади с заданными высоко-химическими чертями в промышленных масштабах. До тех пор пока посредством промышленных способов производства удается взять маленькие по своим размерам страницы графена.

К тому же, промышленный графен обычно проигрывает по своим особенностям тому, что исследователи приобретают в собственных научных лабораториях. Так как в лабораториях образцы графена добывают фактически ручными методами. Достигнуть подобных черт при применении промышленных средств пока не удается, не обращая внимания на постоянное совершенствование разработок.

Но, эти трудности, "Наверное," в полной мере преодолимы. Достаточно сообщить о том, что южнокорейская компания Samsung в текущем году уже публично заявила о начале производства графена в промышленных масштабах. Материал будет использоваться для эластичных и весьма узких гаджетов.

Правда, пока производство графеновых чипов получается достаточно дорогостоящим, но в будущем Samsung обещает удешевить его.

Уже известно хватает материалов, талантливых заменить кремний в микроэлектронике. Но самым перспективным и занимательным из них есть графен. Поле для применения этого неповторимого материала воистину громадно.

Графеновые транзисторы смогут стать настоящей заменой классическим кремниевым и обеспечить громадный прорыв в вычислительных мощностях на десятилетия вперед.

Графеновый конденсатор собственными руками Ч II


Интересно почитать:

Самые интересный результаты подобранные по Вашим интересам:

Related posts