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Grafeen
Graphen
Graphit kann als Stapel von Graphenschichten betrachtet werden.
Vortrag über Graphen - Universität Flandern

Graphen ist ein zweidimensionales Material, das aus einer einzigen Schicht besteht Kohlenstoffatome auf einem Raster angeordnet mit a sechseckig (Bienenwabe)Struktur. Es ist das Grundelement von anderem KohlenstoffAllotrope. So existiert Graphit überlagerter Graphenschichten und seiner Kohlenstoff-Nanoröhren Graphen-Zylinder.[1]

Graphen ist mehr als 200-mal stärker als Stahl, ein ausgezeichneter thermischer und elektrischer Leiter, flexibel, sehr dünn und transparent. Dies macht es potenziell für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.

Erfolgreich im Jahr 2004 André Geim und Konstantin Novoselov der erste, der es in einer Graphenschicht isoliert. Dafür und für ihre Erforschung der Eigenschaften von Graphen erhielten sie 2010 den Nobelpreis für Physik.[2][3]

Eigenschaften

Struktur

Graphen ist eine einatomige Kohlenstoffschicht, die in a angeordnet ist sechseckiges Gitter. Jedes Atom auf dem Gitter stellt vier Verbindungen her, von denen drei Sigma-Anleihen mit den benachbarten Atomen und einem außerhalb der Ebene Pi-Bindung. Alle Atome in Graphen sind sp2-hybridisiert, also ist es ein aromatische Verbindung.[4]

Die Bindungslänge zwischen den Kohlenstoffatomen beträgt 0,142 nm. Die Länge zwischen den verschiedenen Graphenschichten, die zusammen Graphit bilden, beträgt 0,335 nm.A Einheitszelle Graphen enthält zwei Kohlenstoffatome und hat eine Oberfläche von 0,052 nm2. Daraus folgt, dass die Dichte gleich 0,77 mg/m . ist2.[5]

Optisch

Graphen absorbiert 2,3% der Lichtintensität, unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Dies ist äquivalent zu π·α, wobei α de Feinstrukturkonstante ist.Dieser niedrige Grad an Opazität von Graphen ist auf seine ungewöhnliche elektrische Struktur zurückzuführen.[6]

mechanisch

Mit einer Zugfestigkeit von 1,25×1011 Papa und Elastizitätsmodul ab 1 TPa[7] ist Graphen das stärkste Material, das jemals getestet wurde[8], mehr als 100-mal stärker als der stärkste Stahl. Graphen ist elastischer als jeder andere Kristall und kann bis zu 20% gedehnt werden.[9] Es schrumpft mit steigender Temperatur unabhängig von der Anfangstemperatur und schließlich ist Graphen sowohl biegsam als auch spröde, ein scheinbarer Widerspruch, doch diese Eigenschaften sind in Graphen irgendwie vereint.

Elektrisch

Graphen ist ein Halbleiter ohne Bandabstand. Dies bedeutet, dass die Wertigkeit und leitfähig Energiebänder berühre es Fermi-Niveau. Dies geschieht an sechs verschiedenen Punkten, die sich an der Grenze des Brillouin-Zone.Das Dichte der Staaten auf dem Fermi-Niveau gleich Null ist.[5] Als Ergebnis ist die elektrische Leitfähigkeit von intrinsischem (unmodifiziertem) Graphen ziemlich gering. Diese Leitfähigkeit kann jedoch eingestellt werden durch Spenden. Dies kann durch Adsorption oder mittels eines elektrischen Feldes. Die Leitfähigkeit von dotiertem Graphen ist um ein Vielfaches höher als die von intrinsischem Graphen.[4]Graphen ist eines der schnellsten Halbleiter: etwa hundertmal schneller als Silizium.[10] Bestätigt und analysiert im Jahr 2017, im Jahr 2020[11]haben Forscher gezeigt, dass Graphen sogar zu a . modifiziert werden kann Supraleiter bei Raumtemperatur.[12]

Dispersionsverhältnis

An den Punkten, an denen sich Valenz- und leitfähiges Band treffen, wird ein lineares Dispersionsrelation. Weil die effektive Masse von Löchern und Elektronen wird durch die Krümmung der Dispersionsrelation bestimmt, sie verhalten sich hier wie masselose Teilchen, die nicht durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben, aber durch ein zweidimensionales Analogon der Dirac-Gleichung für masseloses Fermionen.[4] Daher werden diese Punkte auch Dirac-Punkte genannt.Diese besondere Dispersionsrelation ist auch für die ungewöhnlichen Quanten-Hall-Effekt in Graphen, das bereits bei Raumtemperatur sichtbar ist.[1]

Thermal

Graphen ist ein sehr guter Wärmeleiter, obwohl die Messwerte für die Leitfähigkeit variieren. Die ersten Messungen von Graphen ergaben den extrem hohen Wert von 5000 W m−1·K−1 auf für die Wärmeleitfähigkeit. Weitere Untersuchungen ließen dies jedoch in Zweifel ziehen, und jetzt[(seit wann?] Werte im Bereich von 2000-4000 W m−1·K−1 bei Raumtemperatur gemessen.[13] Damit ist Graphen immer noch eines der besten wärmeleitenden Materialien. Höhere Werte werden für reineres Graphen gemessen, während Werte am unteren Ende des Spektrums bedeuten, dass mehr Verunreinigungen im Material vorhanden sind.

Produktion

Die beiden Hauptwege zur Herstellung von Graphen sind die mechanische Spaltung von Graphit, sodass schließlich eine einzige Graphenschicht übrig bleibt, und die epitaktisch Wachsen von Graphen auf einem Substrat.

Peeling

2004 gelang es Geim und Novoselov mit dieser Technik erstmals, eine einzelne Graphenschicht zu isolieren. Sie verwendeten Abdeckband, um Graphenschichten aus Graphit zu entfernen. Um schließlich eine einzige Graphenschicht zu haben, muss dieser Vorgang mehrmals wiederholt werden. Wenn der Prozess abgeschlossen ist, werden die Stücke des extrahierten Graphens auf Silikon gelegt. Obwohl diese Methode sehr zeitaufwändig ist, wird sie immer noch häufig verwendet, da sie eine relativ einfache Möglichkeit ist, qualitativ hochwertiges Graphen zu erhalten. Damit eignet es sich besonders für die Grundlagenforschung, wo Graphenstücke von wenigen Millimetern ausreichen und es auf die Qualität ankommt.[9] Auf industrieller Ebene kann diese Methode nicht angewendet werden, da sie zu intensiv ist.

CVD

CVD, chemische Gasphasenabscheidung, ist ein Prozess, bei dem eine dünne Materialschicht auf einem Substrat durch einen Aufdampfprozess abgeschieden wird. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Graphen mit diesem Verfahren herzustellen. Einer von ihnen ist von Siliziumkarbid (SiC) bis etwa 1300 Grad Celsius. Auf diese Weise wird das Silizium verbrannt und eine dünne Kohlenstoffschicht bleibt zurück. An der TU Delft wurde ein anderes Verfahren entwickelt, bei dem Methan wurde in Kontakt gebracht mit Kupfer bei einer Temperatur von 1000 Grad Celsius.[14] Das Methan wird dann gelöst in Kohlenstoff und Wasserstoffgas. Dies hinterlässt eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen auf dem Kupfer: Graphen. Dies ist eine wirtschaftlich um ein Vielfaches vorteilhaftere Methode zur Herstellung von Graphen als das zuvor beschriebene Abblättern.

Andere Techniken

Neben Peeling und CVD gibt es viele andere Techniken zur Herstellung von Graphen. Welche Methode am besten zu verwenden ist, hängt vom Verwendungszweck des Graphens ab. Einige dieser Techniken sind hydrothermale Selbstorganisation, Nanotube-Slicing, Kohlendioxidreduktion, Spincoating und Ionenimplantation.

Geschichte

Die theoretische Erforschung von Graphen begann 1947, als Philip Russell Wallace benutzte das Material als Beispiel für Berechnungen im Festkörperphysik. Er hat bereits die elektronische Struktur und die lineare Dispersionsbeziehung vorhergesagt, diese aber nur als theoretisches Modell verwendet, um die Eigenschaften von Graphit besser zu beschreiben. Es wurde dann erwartet, dass die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen so stark sind, dass eine zweidimensionale Schicht nicht stabil existieren kann und sich daher immer zu einem dreidimensionalen Objekt verformt.

Das Wellengleichung wurde 1956 bestimmt und die Ähnlichkeit der Dispersionsrelation mit der Dirac-Gleichung wurde 1984 gezogen. Damit war damals bekannt, dass die Ladungsträger im Graphen keine effektive Masse haben würden.[5]In den 1970er Jahren war es möglich, eine einzelne Graphenschicht epitaktisch zu züchten. Aufgrund der starken Wechselwirkung mit dem Substrat war es jedoch nicht möglich, die besonderen elektrischen Eigenschaften von Graphen zu bestimmen.Der Name Graphen stammt aus dem Jahr 1987 und wurde verwendet, um die Graphitschichten zu beschreiben, zwischen denen verschiedene Materialien eingelagert sind. Es wurde auch häufig in Bezug auf . verwendet Kohlenstoff-Nanoröhren, das sind gewickelte Graphenschichten.[15]In den Jahren zwischen der ersten theoretischen Beschreibung und 2004, dem Jahr, in dem das Material erstmals isoliert wurde, wurden bereits sehr dünne Graphitschichten, bestehend aus mehreren Dutzend Graphenschichten, hergestellt und untersucht.Seit dem Erscheinen des Artikels von Andre Geim und Konstantin Novoselov 2004 hat die Graphenforschung richtig Fahrt aufgenommen. Sowohl Universitäten als auch Unternehmen interessieren sich für das Potenzial des Materials sowohl für die praktische Anwendung als auch für die Grundlagenforschung. Die Zahl der Patentanmeldungen und veröffentlichten Artikel nimmt jedes Jahr exponentiell zu.[16]

Mögliche Anwendungen

Graphen hat eine Reihe besonderer Eigenschaften, die es für eine Vielzahl von Anwendungen interessant machen. Es ist sehr dünn, extrem stark, transparent, flexibel und leitfähig. Diese Leitfähigkeit kann modifiziert werden durch Spenden oder Anlegen eines elektrischen Feldes. Die hohe Mobilität der Elektronen macht Graphen wahrscheinlich auch für Anwendungen mit sehr hoher elektrischer Frequenz geeignet. Durch die zunehmende Fähigkeit, größere Mengen an Graphen herzustellen, rückt die Implementierung von Graphen in den Alltag immer näher.

Elektronik

Die am häufigsten genannte potenzielle Anwendung von Graphen liegt in der Elektronik. So könnte es evtl Silizium kann in ersetzen Transistoren.[17] Seine Kombination aus Transparenz und Leitfähigkeit würde es auch zu einem geeigneten Material für die Herstellung von Voor Touchscreen. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Flexibilität; Auf diese Weise könnten flexible Touchscreens hergestellt werden.

Wasserreinigung

Durch Manipulation von Graphen, um Löcher in der Größe von Wassermolekülen zu erzeugen, wäre es möglich, Salz aus Wasser herauszufiltern. Dies wäre eine viel wirtschaftlichere Methode als die derzeitigen Entsalzungstechniken, die viel Energie verbrauchen.

Textil

Durch die elektrische Leitfähigkeit und gute Haftung auf Baumwolle Derzeit wird an den Möglichkeiten geforscht, aus Graphen sogenannte Wearables herzustellen. Es ist beispielsweise möglich, leitfähige Tinte herzustellen, die auf Kleidung aufgetragen werden kann die Seide durch Fütterung von Seidenraupen mit geringen Konzentrationen von Graphen. Obwohl mehr Forschung erforderlich ist, um zu zeigen, wie effizient dieser Prozess ist, hat sich herausgestellt, dass die Seidenraupen durch Zugabe einer Konzentration von 2% Graphen zu Wasser Seide produzieren, die doppelt so stark ist wie normale Seide und daher widerstandsfähiger gegen Abrieb.[18]

Medizin

Anwendungen für Graphen wurden auch in der medizinischen Welt entwickelt. Da es ungiftig ist, kann es im Körper unter anderem für den Medikamententransport verwendet werden. Dank der relativ großen Oberfläche von Graphen können (Krebs-)Arzneimittel daran befestigt und dann vom Graphen durch den Körper transportiert werden.[19]

Externe Links