Graphene: Von Physik zu Anwendungen

Dr. Kostya S. Novoselov, Schule von Physik u. von Astronomie, Universität von Manchester
Entsprechender Autor: kostya@manchester.ac.uk

Graphene - eine Schicht Kohlenstoffatome angeordnet in einem sechseckigen Gitter - ist das neueste Bauteil in der Familie von Kohlenstoffallotropen. Obgleich getrenntes graphene zum ersten Mal nur im Jahre 2004 berichtet wurde1, ist der Fortschritt, den es in diesen Jahren machte, enorm, und es mit Recht ist „dem Wundermaterial“ zurichtet worden.

Es gibt drei bedeutende Bereiche der Aufregung über graphene. Erstens ist es das erste Beispiel des zweidimensionalen Atomkristalles, dem bloße Existenz unser Verständnis über thermodynamische Stabilität von niedrig-Maßanlagen verbessert. Zweitens sind die elektronischen Eigenschaften von graphene sehr eigenartig: Elektronen im graphene befolgen lineare Streuungsbeziehung (gerade wie Photonen) und so ahmen massless relativistische Partikel2nach. Und nicht zuletzt, sind viele Eigenschaften von graphene denen in allen weiteren Materialien überlegen, also ist sie sehr verlockend, sie in einer Vielzahl von Anwendungen zu verwenden und reicht von Elektronik zu Verbundwerkstoffe.

Historisch ist es die elektronischen Eigenschaften, die die meisten von Aufmerksamkeit erregten. Elektronen im graphene benehmen sich wie massless relativistische Partikel, das die meisten seiner elektronischen Eigenschaften regelt. Vermutlich eins der großartigsten Konsequenzen solcher ungewöhnlichen Streuungsbeziehung ist die Beobachtung der Halbganzer Zahl Quantum Halleffekt und des Fehlens der Lokolisierung2. Möchte das später sein sehr wichtig für graphene-basierte Bereicheffekttransistoren.

Im Allgemeinen konnten Kristalle von graphene mit wenigen Defekten (Konsequenz von ultra starken Kohlenstoffkohlenstoff Anleihen) sehr vorbereitet werden, die, in Verbindung mit dem Fehlen der Lokolisierung und der hohen Fermi-Geschwindigkeit sehr hohe Mobilität der Ladungsträger und kurze Zeit des Fluges in der ballistischen Einfuhrüberwachung sicherstellt. Erste Prototypen von Hochfrequenztransistoren sind neuentwickelte und demonstrierte sehr aufmunternde Eigenschaften gewesen3.

Auch sind die optischen Eigenschaften der graphenes eigenartig. Es ist gemessen worden, dass graphene 2,3% von leicht- durchaus4 ein beträchtlicher Bruch für ein schließlich dünnes Material absorbiert. Was sogar aufregend ist, ist die Tatsache, dass diese Zahl nur durch die Kombination von grundlegenden Konstanten gegeben wird4: πα (π=e/hc≈1/1372 ist die Feinstrukturkonstante). Tun Sie sie zu Hause, multiplizieren Sie 3,14… mit 1/137 und Sie erhalten etwas nah an 0,023.

Solche Kombination der hohen Leitfähigkeit (Schichtwiderstand des lackierten graphene kann wie 10 Ohm so niedrig sein) und der Restlichtaufnahme macht dieses Material einen idealen Kandidaten für transparente leitfähige Beschichtung. Graphene-Nutzung für dieses Baumuster von Anwendungen ist vor kurzem gezeigt worden, indem man graphene-basierten Flüssigkristall und5 Solarzellen konstruierte6.

Außerdem ist der allgemeine Punkt von graphene Großserienfertigung (bis vor kurzem nur Forschunggröße graphene Proben sind erhältlich gewesen), für diese Sortierung von Anwendungen mit der Einleitung einer neuen Technik gelöst worden: Dünnfilme des großen Gebiets von Mikrometergröße graphene Flocken können durch chemische Abblätterung des Graphits produziert werden5.

Er ist sehr verlockend, die eindeutigen Eigenschaften von graphene für Anwendungen zu verwenden. Die bereits erwähnten Beispiele nicht einmal erschöpfen fast die Liste von Technologien, die von der Anwendung von graphene profitieren würden. Verbundwerkstoffe und Fotodetektoren, Halterung für Bio-nachrichten in TEM und Modusschließfächer für die ultraschnellen alle Laser - würden die und viele mehr Bereiche stark von der Anwendung von graphene gewinnen.

Der Punkt war jedoch immer die Großserienfertigung dieses Materials. Seit den allerersten Experimenten1 war die Technik der Wahl für graphene Produktion für viele Forscher das naïve „einfache Schale -1,2 der Methode des Durchsichtigen Klebestreifens“ von graphene monomolekularen Schichten vom Massengraphit mit einem Klebstreifen. Jedoch neue Monate wirklich gesehen einem drastischen Fortschritt in der Entwicklung von Großserienfertigungstechniken für graphene Synthese. Reichend von oben erwähnter chemischer Abblätterung bis zu Epitaxie (für eine Zusammenfassung sehen Sie7), geben diese Techniken uns eine realistische Hoffnung, dass bald wir die Produkte sehen, die auf diesem aufregenden zweidimensionalen Material basieren.


Bezug

1. Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morosow, S.V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S.V., Grigorieva, I.V. u. Firsov, Kohlenstoff-Film-“ Wissenschaft 306, 666-669 A.A. „Elektrischer Bereich-Effekt in Atomar Verdünnen (2004).
2. Geim, A.K. u. Novoselov, K.S. „der Anstieg von Graphene“ Natur Mater. 6, 183-191 (2007).
3. Yu-Ming Lin, Keith A. Jenkins, Alberto Valdes-Garcia, Joshua P. Small, Damon B. Farmer u. Phaedon Avouris, „Operation von Graphene-Transistoren bei Gigahertz-Frequenzen“ Nano--Lett., 9 (1), 422-426 (2009).
4. R. Definiert R. Nair, P. Blake, A.N. Grigorenko, K.S. Novoselov, T.J. Booth, T. Stauber, N.M.R. Peres u. Wissenschaft 320, 1308 A.K. Geim „Feinstruktur-Konstante SichtTransparenz von Graphene“ (2008).
5. Peter Blake, Paul D. Brimicombe, Rahul R. Nair, Tim J. Booth, DA Jiang, Fred Schedin, Leonid A. Ponomarenko, Sergey V. Morosow, Helen F. Gleeson, Ernie W. Hill, Andre K. Geim u. „Graphene-Basierte Flüssigkristall-Einheits-“ Nano-Schreiben Kostya S. Novoselov 8(6) 1704 - 1708 (2008).
6. X. Wang, L. Zhi u. K. Mullen, „Transparente, leitfähige graphene Elektroden für Farbstoffsolarzellen“ Nano-Schreiben 8(1), 323-327 (2008)
7. A.K. Geim „Graphene: Status und Aussicht-“ Wissenschaft 324, 1530-1534 (2009).

Copyright AZoNano.com, Dr. Kostya Novoselov (Universität von Manchester)

Date Added: Nov 29, 2009 | Updated: Aug 6, 2014

Last Update: 6. August 2014 07:59

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