Графен

В главе 1 были кратко рассмотрены некоторые аллотропные модификации углерода, среди которых выделяются алмаз, графит, углеродные нанотрубки и фул- лерены. Еще одной модификацией, которой будет посвящено данное приложение, является сравнительно недавно обнаруженная кристаллическая форма углерода — графен. Этот материал представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой, как и в графите, в виде шестичленных колец (рис. Г.1). Таким образом, в отличие от обычных кристаллов, имеющих трехмерную (3D) кристаллическую решетку, графен является двухмерной (2D) структурой. Атомы углерода находятся здесь в состоянии .s/г-гибридизации и соединены посредством а- и тг-связей. Благодаря тому, что графен практически представляет 20-кристалл, он проявляет совершенно особые уникальные свойства.

Хотя представление о графене сложилось уже достаточно давно, однако получить его впервые удалось только в 2004 году. К настоящему времени появилось уже достаточно много работ по изучению физических свойств этого материала, на его основе были созданы и продолжают появляться новые устройства, характеристики которых иногда на несколько порядков превышают те, которые имеют уже существовавшие аналоги. Одни из первых революционных открытий, связанных с получением и исследованием электрофизических свойств графена, были сделаны Геймом и Новоселовым, за что в 2010 году им была присуждена Нобелевская премия (приложение В).

Г.1. Модель структуры графена (сферы — атомы углерода)

Рис. Г.1. Модель структуры графена (сферы — атомы углерода)

Небольшие фрагменты графеновых слоев впервые удалось получить при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит [122]. Сначала образец пиролитического графита со слоями «параллельными поверхности» помещают между липкими лентами и отщеп.ляют раз за разом тонкие слои графита до тех пор, пока не будет получен достаточно тонкий слой. Среди получаемых при этом тонких пленок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес. После отшелушивания тонкие пленки графена размещают к подложке из оксида кремния. Таким способом оказывается достаточно трудно получить пленку определенного размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры пленок составляют обычно около 10 мкм). Вид и размеры получившихся пленок можно оценить даже с помощью оптического микроскопа. После отделения получившиеся пленки готовят для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину пленки (для графена она должна составлять около 1 нм). Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму образца для электрофизических измерений.

Листы графена также можно приготовить из графита, используя химические методы [123]. В этом случае микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидро- фурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Меняя органические растворители и другие реактивы, можно получить нанометровые слои графита.

Существуют и другие химические методы получения графена. В работе [124] описан еще один химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу.

Следует упомянуть и другие два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы [125] и рост при высоком давлении и температуре [126]. Из этих методов только последний реализует получение пленок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, как показано в работе [127], можно добиться того, чтобы слои графита с поверхности, среди которых оказываются пленки атомарной толщины, под действием электрического поля перемещались на подложку из оксида кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

В работах [128, 129] описано получение графена, выращенного на подложках из карбида кремния SiC. Графеновый слой формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC. Этот метод получения графена оказался гораздо более подходящим для промышленного производства. Было показано, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >