Grafeen: 2D-süsiniku definitsioon, omadused ja rakendused

Avasta grafeen — 2D-süsiniku definitsioon, unikaalsed omadused ja laialdased rakendused elektroonikas, energiasalvestuses ja nanotehnoloogias.

Grafeen on üks süsiniku vormidest. Sarnaselt teemantidele ja grafiidile on süsiniku eri vormidel (või "allotroopidel") erinev kristallstruktuur, mis annab neile erinevad omadused. Grafeen on mitmete 3D-allotroopide, nagu grafiit, süsi, fullereen ja süsiniknanotorud, 2D (kahe mõõtmega) põhivorm: see on üheaatomiline kiht süsinikuaatomeid, mis on paigutunud kuusnurkseks määratuks võrgustikuks (honeycomb lattice).

Struktuur ja põhiolemus

Mõiste "grafeen" sai alguse Hanns-Peter Boehmi poolt, kes kirjeldas 1962. aastal ühekihilisi süsinikkilede, mis on kombinatsioon grafiidist ja järelliitest "-ene". Grafeen on nagu meekärg- või "kanatraadist" koosnev struktuur, mis koosneb süsinikuaatomitest ja nende sidemetest. Grafiit koosneb paljudest grafeenilehtedest, mis on üksteise peale laotud.

Kõige olulisemad struktuuri- ja füüsikalised tunnused:

• Üheaatomiline kiht süsinikuaatomeid paigutuses sp2-hübriidiseeritud sidemetega.
• Interatomaarne kaugus ja grafeeni efektiivne paksus — ühe grafiini kihi "tõlgenduslik" paksus on ~0,335 nm (grafiidi kihtide vahe).
• Elektroniline struktuur, kus elektroni- ja augusalad kohtuvad Diraci punktis — grafeenil on lineaarne energiast sõltuvus elektronide jaoks ja väga kõrge elektronenliikuvus.

Olulised omadused

• Mehaaniline tugevus: grafeen on erakordselt tugev ja jäik: Youngi moodul ~1 TPa ja tõmbetugevus hinnanguliselt kuni ~130 GPa.
• Elektrilised omadused: väga kõrge elektronliikuvus (tublisti üle 15 000 cm²/Vs toatemperatuuril ja mõnel puhtal proovilt isegi palju kõrgemad väärtused), mis teeb grafeenist potentsiaalselt suurepärase materjali kiireteks elektronseadmeteks.
• Termalne juhtivus: väga hea soojusejuhtivus (mõõdetud väärtused ulatuvad umbes 2000–5000 W/m·K), mis teeb grafeenist hea soojuslevikuks ja jahutamiseks sobiva materjali.
• Optilised omadused: üksikiht grafeeni neelab ~2,3% nähtavast valgusest, olles samal ajal väga läbipaistev — seetõttu sobib see läbipaistvate elektrijuhtvate katete ja fleksibitehnoloogiate jaoks.
• Keemiline ja funktsionaalne mitmekülgsus: grafeeni pinda saab keemiliselt modifitseerida (dopisatsioon, funktsionalisatsioon), et reguleerida selle elektrilisi ja keemilisi omadusi.
• Puudus/bändstruktuur: puhtal monolayer grafeenil on nullpõiki bandgap (semimetal), mis piirab selle otstarvet traditsioonilistes loogikalülitustes ilma bändide avamiseta; bändi saab mõnikord avada bilayeri, nanoribade või keemilise modifikatsiooni abil.

Kolm miljonit grafeenilehte, mis on kokku pandud grafiidiks, oleksid vaid ühe millimeetri paksused — see näitab, kui õhukesed ja üheaatomilised need kihid tegelikult on.

Tootmismeetodid

Grafeeni valmistamiseks on välja töötatud mitu meetodit, millel on erinevad eelised ja piirangud:

• Mehaaniline koorimine (Scotch tape ehk mikromehaaniline exfoliatsioon): lihtne laborimeetod, mida kasutasid ka Geim ja Novoselov grafeeni avastamisel. Annab kõrge kvaliteediga monokihte, kuid on ebaefektiivne tööstuslikuks tootmiseks.
• Keemiline aurusadestus (CVD) metallpindadele (nt vask): võimaldab toota suurt pinnakatteid kvaliteetse grafeeni jaoks ja on tööstuslikult ühe peamise meetodina kasutusel, kuid nõuab paljudel juhtudel keerukat ülekandmist (transfer) tahkele alusmaterjalile.
• Epiteetiline kasv SiC peal: kõrgel temperatuuril kuumutades SiC kristalli saab pinnale tekkinud süsinikukihist grafeeni; kasutatakse kvantsüsteemides ja kõrgkvaliteetse grafeeni saamiseks, kuid on kallim meetod.
• Vedela faasi eksfoliatsioon ja keemiline redutseerimine (graphene oxide → reduced graphene oxide): sobib suuremahuliste komposiitide ja printimise rakenduste jaoks, kuid toodetava grafeeni kvaliteet (südamiku defektid, oksügeenisisaldus) võib olla madalam.

Rakendused

Grafeeni omadused avavad laia rakenduste spektri. Mõned tähtsamad valdkonnad:

• Elektroonika ja optoelektroonika: kõrgsageduslikud transistorid, painduvad ja läbipaistvad elektrijuhtvad katted, fotodetektorid.
• Energiasalvestus: superkondensaatorid (grafeen parandab elektroodide pinna- ja juhtivusomadusi), aku elektrodid, kütuseelemendid.
• Komposiitmaterjalid: grafeeniga tugevdatud polümeerid, metallsulamitest komposiidid, mis saavutavad väiksema massi juures parema tugevuse ja juhtivuse.
• Sensoortehnoloogia: gaasi- ja biokeemilised sensorid tänu suurele pinna-ruumala suhtele ja tundlikkusele keemilistele muutustele.
• Termalised juhtimissüsteemid: soojuse hajutid ja soojusvahetid elektroonikas, kus on vaja efektiivset kuumuse eemaldamist.
• Filtreerimine ja eraldamine: grafeeni- ja grafeenioksiidi membraanid vee puhastamisel, desalinatsioonis ja molekulaarfiltreerimises.
• Biomeditsiin: biosensorid, ravimite siirdesüsteemid ja kudede inseneria, kuid see valdkond nõuab põhjalikku toksikoloogilist hindamist.

Piirangud ja väljakutsed

• Suure mahu ja ühtlase kvaliteediga grafeeni tööstuslik tootmine on endiselt keeruline ja kulukas.
• Grafeeni sihipärane integreerimine olemasolevatesse pooljuhtprotsessidesse ning usaldusväärne ülekanne ühest aluspinnast teisele on tehniline väljakutse.
• Puhaste monokihiliste omaduste säilitamine massitootmisel on raskendatud defektide ja reostuse tekkega.
• Tervisekaitse ja keskkonnamõjud: grafeeni ja grafeeni osakeste toksikoloogia ei ole veel täielikult kaardistatud, seega on vaja ettevaatlikkust ja regulatsioone.

Ajalooline taust ja tunnustused

Nobeli füüsikapreemia 2010. aastal anti Sir Andre Geimile ja Sir Konstantin Novoselovile "teedrajavate katsete eest seoses kahemõõtmelise materjali grafeeniga". Just mikromehaaniline koorimine ja selle kaasnev uurimine tõid grafeeni tähelepanu keskmesse ning käivitasid laialdase uurimis- ja arendustegevuse.

Kuigi grafeenil on erakordsed labori- ja näidisnäitajad, on selle põhirakenduste laialdane kommertsialiseerimine alles arenemas. Teadus- ja tööstusringkondades jätkuvad pingutused, et lahendada tootmise, standardiseerimise ja integreerimise probleeme ning realiseerida grafeeni täielik potentsiaal mitmes valdkonnas.

Küsimused ja vastused

K: Mis on grafeen?

K: Kuidas on grafeen seotud grafiidiga?

K: Kes lõi termini "grafeen"?

K: Mille eest said Sir Andre Geim ja Sir Konstantin Novoselov 2010. aasta Nobeli füüsikapreemia?

K: Millised on grafeeni võimalikud rakendused?

K: Milliseid muid vorme või allotroope on süsinikul peale grafeeni veel?

Otsing