Графен и его свойства

Графен представляет собой двумерный углеродный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной (шестиугольной) решётке. Каждому атому углерода соответствует три ближайших соседа, что формирует структуру, аналогичную сотам. Связи между атомами углерода типа sp²-гибридизации обеспечивают сильные ковалентные σ-связи в плоскости листа и делокализованные π-электроны, распространяющиеся над и под плоскостью. Эта уникальная структура определяет исключительные механические, электрические и тепловые свойства графена.

Ключевые моменты:

• Расстояние между соседними атомами углерода в графене составляет примерно 0,142 нм.
• Углы между связями близки к 120°, что характерно для идеальной шестиугольной структуры.
• Делокализованные π-электроны отвечают за высокую проводимость и оптические свойства материала.

Электронные свойства графена

Графен обладает уникальной электронной структурой, описываемой моделью Дирака для фермионов с нулевой массой покоя. В окрестности точек K и K’ зоны Бриллюэна энергия электронов линейно зависит от волнового вектора, что приводит к формированию дируковских конусов. Вследствие этого электроны в графене ведут себя как релятивистские частицы, что объясняет аномально высокую подвижность носителей заряда.

Ключевые моменты:

• Подвижность электронов при комнатной температуре может достигать 200 000 см²/(В·с), что превышает показатели кремния более чем в десять раз.
• Электропроводность графена может оставаться практически без потерь на расстояниях до микрометров.
• Нулевая ширина запрещённой зоны делает графен полуметаллом или полупроводником с линейной дисперсией.

Механические свойства

Графен демонстрирует рекордную прочность при растяжении благодаря своей ковалентной решётке:

• Модуль Юнга: около 1 TPa, что делает графен одним из самых жёстких известных материалов.
• Прочность на разрыв: до 130 GPa.
• Лист графена толщиной одного атома способен выдерживать нагрузки, на порядок превышающие нагрузки на сталь при аналогичной толщине.

Эти свойства открывают возможности для применения графена в композитных материалах и микроэлектромеханических системах (MEMS).

Тепловые свойства

Графен обладает выдающейся теплопроводностью, достигающей ~5000 Вт/(м·К) в идеальном образце при комнатной температуре. Высокая теплопроводность обусловлена:

• Колебаниями атомной решётки (фононами), передающими тепло по двумерной структуре.
• Минимальными рассеяниями из-за отсутствия дефектов и сильных ковалентных связей.

Эти свойства делают графен перспективным для тепловых интерфейсов, радиаторов и систем охлаждения микроэлектроники.

Оптические свойства

Графен проявляет необычную оптическую прозрачность при сохранении высокой проводимости:

• Один слой графена поглощает примерно 2,3% видимого света.
• Возможность модификации оптических свойств через химическое допирование или слоистые структуры.
• Применение в прозрачных электродах для дисплеев, солнечных элементов и сенсорных устройств.

Химическая активность и функционализация

Хотя графен сам по себе химически стабилен, его поверхность может быть модифицирована для различных приложений:

• Окисление и восстановление позволяют получать графеновые оксиды, используемые в сенсорах и катализаторах.
• Допирование атомами азота, бора или фтора меняет проводимость и химическую реактивность.
• Функционализация графена открывает возможности для применения в энергетических системах, суперконденсаторах и биомедицинских устройствах.

Методы получения графена

Основные методы производства графена включают:

1. Механическое расщепление графита — получение высококачественных монолистовых кристаллов (метод «скотча»).
2. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — позволяет выращивать большие листы графена на металлических подложках.
3. Химическое восстановление графенового оксида — масштабируемый способ получения графеноподобных материалов для композитов и электроники.
4. Эпитаксиальный рост на SiC — получение графена высокой кристаллической чистоты при нагреве кремния карбида.

Каждый метод имеет свои преимущества и ограничения в зависимости от требуемого качества, размера и применений.

Применение графена

Благодаря уникальной комбинации свойств графен находит применение в различных областях:

• Электроника: высокопроизводительные транзисторы, прозрачные электроды, сенсоры.
• Композитные материалы: усиление механических и тепловых характеристик полимеров и металлов.
• Энергетика: суперконденсаторы, аккумуляторы с высокой плотностью энергии.
• Биомедицина: доставка лекарств, биосенсоры и устройства для иммуноанализа.
• Фильтрация и адсорбция: мембраны для воды и газов, каталитические поверхности.

Графен остаётся объектом активных исследований из-за возможности модификации свойств через слоистые структуры, химическое функционализирование и сочетание с другими двумерными материалами, что открывает перспективы для создания нового поколения функциональных материалов.