Структура и базовые свойства
Графен — это однослойный слой углерода, расположенный в форме шестиугольной решетки с ковалентными связями sp2. Благодаря двумерной природе он демонстрирует уникальные физические свойства, отличающиеся от объемного графита.
Электронная структура графена
Электронный спектр графена характеризуется наличием точек Дирака, в которых валентная и проводящая зоны касаются, создавая линейную дисперсию энергии E(k) около этих точек. Электроны в графене ведут себя как безмассовые фермионы с релятивистской скоростью порядка 106 м/с.
Это приводит к высокой подвижности носителей заряда и аномальным квантовым эффектам, например, квантовому эффекту Холла с полуцелыми квантами.
Механические свойства
Графен обладает исключительно высокой прочностью и жесткостью — модуль Юнга достигает около 1 ТПа, при толщине слоя всего около 0.34 нм. Это делает его идеальным материалом для создания композитов и гибкой электроники.
Теплопроводность
Графен демонстрирует высокую теплопроводность (до 5000 Вт/(м·К)), что связано с эффективной передачей фононов по двумерной решетке и низкой рассеянностью.
Оптические свойства
Графен пропускает около 97.7% падающего света, несмотря на атомарную толщину. Это обусловлено его уникальной электронной структурой и возможностями взаимодействия света с электронными возбуждениями.
Методы получения графена
Механическое расщепление: метод «скотча» позволяет получить высококачественные монолайеры.
Химический осаждение из паровой фазы (CVD): метод масштабируемого производства больших пленок.
Химическое восстановление оксида графена: для массового производства, однако с более низкими качественными характеристиками.
Применение графена
Электроника: транзисторы, сенсоры, гибкая электроника.
Композиты: усиление механических и электропроводящих свойств материалов.
Энергетика: материалы для аккумуляторов, суперконденсаторов.
Взаимодействие графена с другими материалами
Сочетание графена с металлическими наночастицами позволяет создавать гибридные материалы с новыми функциональными возможностями — например, улучшенная каталитическая активность или сенсорные свойства.