Морфология графена
Морфология графена — это любая из структур, связанных с отдельными листами графена и образованных из них . «Графен» обычно используется для обозначения кристаллического монослоя встречающегося в природе материала графита . Из-за квантового ограничения электронов внутри материала при таких малых размерах небольшие различия в морфологии графена могут сильно повлиять на физические и химические свойства этих материалов. Обычно изучаемые морфологии графена включают монослойные листы, двухслойные листы, графеновые наноленты и другие трехмерные структуры, образованные в результате укладки однослойных листов.
Однослойные листы
[ редактировать ]В 2013 году исследователи разработали производственную установку, которая производит непрерывные монослойные листы высокопрочного монослойного графена ( HSMG ). [ 1 ] Процесс основан на выращивании графена на жидкометаллической матрице. [ 2 ]
двухслойный
[ редактировать ]Двухслойный графен демонстрирует аномальный квантовый эффект Холла — настраиваемую запрещенную зону. [ 3 ] и потенциал экситонной конденсации . [ 4 ] Двухслойный графен обычно можно найти либо в скрученной конфигурации, где два слоя повернуты относительно друг друга, либо в графитовой многослойной конфигурации Бернала, где половина атомов в одном слое лежит поверх половины атомов в другом. [ 5 ] Порядок и ориентация укладки определяют его оптические и электронные свойства.
Одним из методов синтеза является химическое осаждение из паровой фазы , которое позволяет создавать большие двухслойные области, которые почти исключительно соответствуют геометрии стопки Бернала. [ 5 ]
Сверхрешетки
[ редактировать ]Периодически сложенный графен и его изолирующая изоморфная модификация представляют собой интересный структурный элемент для создания высокофункциональных сверхрешеток на атомном уровне, что открывает возможности для проектирования наноэлектронных и фотонных устройств. Различные типы сверхрешеток можно получить путем объединения графена и родственных ему форм. [ 6 ] [ 7 ] Энергетическая зона в многослойных сверхрешетках более чувствительна к ширине барьера, чем в обычных полупроводниковых сверхрешетках AIIIBV. При добавлении к барьеру более одного атомного слоя в каждом периоде связь электронных волновых функций в соседних потенциальных ямах может существенно уменьшиться, что приводит к вырождению непрерывных подзон в квантованные уровни энергии. При изменении ширины ямы уровни энергии в потенциальных ямах вдоль направления L–M ведут себя иначе, чем в направлении K–H.
Точно выровненный графен на h-BN всегда образует гигантскую сверхрешетку, известную как муаровый узор . [ 8 ] Наблюдаются муаровые узоры, а чувствительность муаровой интерферометрии доказывает, что зерна графена могут точно совмещаться с основной решеткой h-BN с погрешностью менее 0,05 °. Появление муарового рисунка ясно указывает на то, что графен фиксируется в h-BN посредством ван-дер-ваальсовой эпитаксии, при этом его межфазное напряжение значительно снимается.
Существование гигантского муара в графеновой наноленте (GNR), встроенной в hBN, указывает на то, что графен был высококристаллическим и точно совпадал с h-BN под ним. Было замечено, что муаровый узор выглядит растянутым вдоль GNR и расслабленным в поперечном направлении. [ 9 ] Эта тенденция отличается от правильных шестиугольников с периодичностью ~14 нм, которые всегда наблюдались при хорошо выровненных графеновых доменах на h-BN. Это наблюдение дает убедительное свидетельство плоскостной эпитаксии между графеном и h-BN на краях канавки, где графен растягивается под действием растяжения вдоль ленты из-за несоответствия решеток между графеном и h-. БН.
Наноленты
[ редактировать ]Графеновые наноленты («нанополоски» в «зигзагообразной» ориентации) при низких температурах демонстрируют спин-поляризованные металлические краевые токи, что предполагает применение спинтроники . (В «кресельной» ориентации края ведут себя как полупроводники. [ 10 ] )
Волокно
[ редактировать ]В 2011 году исследователи сообщили о создании волокон с использованием графеновых пленок, выращенных методом химического осаждения из паровой фазы. [ 11 ] Этот метод был масштабируемым и контролируемым, обеспечивая настраиваемую морфологию и структуру пор путем контроля испарения растворителей с подходящим поверхностным натяжением. Гибкие твердотельные суперконденсаторы на основе таких волокон были продемонстрированы в 2013 году. [ 12 ]
В 2015 году внедрение небольших фрагментов графена в зазоры, образованные более крупными, свернутыми в спираль графеновыми листами после отжига, обеспечило пути проводимости, а фрагменты помогли укрепить волокна. [ фрагмент предложения ] Полученные волокна обладали лучшей теплопроводностью и электропроводностью, а также механической прочностью. Теплопроводность достигала 1290 Вт на метр на кельвин, а предел прочности достигал 1080 мегапаскалей. [ 13 ]
В 2016 году непрерывные графеновые волокна километрового масштаба с выдающимися механическими свойствами и превосходной электропроводностью были произведены путем высокопроизводительного мокрого формования жидких кристаллов оксида графена с последующей графитизацией в рамках полномасштабной синергетической стратегии устранения дефектов. [ 14 ]
3D
[ редактировать ]О трехмерном двухслойном графене сообщалось в 2012 году. [ 15 ] и 2014. [ 16 ]
В 2013 году трехмерные соты из гексагонально расположенного углерода были названы 3D-графеном. В этом же году был произведен самонесущий 3D-графен. [ 17 ] Исследователи из Университета Стоуни-Брук сообщили о новом методе радикально-инициируемой сшивки для изготовления пористых трехмерных автономных архитектур из графена и углеродных нанотрубок с использованием наноматериалов в качестве строительных блоков без какой-либо полимерной матрицы в качестве основы. [ 18 ] 3D-структуры могут быть изготовлены с использованием методов CVD или методов, основанных на растворе. В обзоре 2016 года обобщены методы изготовления трехмерного графена и других родственных двумерных материалов. [ 19 ] Эти трехмерные графеновые (полностью углеродные) каркасы/пены имеют потенциальное применение в таких областях, как хранение энергии, фильтрация, управление температурным режимом, а также биомедицинские устройства и имплантаты. [ 19 ] [ 20 ]
коробчатой наноструктуре графена (BSG) , образовавшейся в результате механического расщепления пиролитического графита . В 2016 году сообщалось о [ 21 ] Обнаруженная наноструктура представляет собой многослойную систему параллельных полых наноканалов, расположенных вдоль поверхности и имеющих четырехугольное поперечное сечение. Толщина стенок канала примерно равна 1 нм, типичная ширина граней канала составляет около 25 нм. Потенциальные области применения включают: сверхчувствительные детекторы , высокопроизводительные каталитические ячейки, наноканалы для и манипулирования ДНК секвенирования , высокопроизводительные теплоотводящие поверхности, перезаряжаемые батареи повышенной производительности, наномеханические резонаторы , каналы умножения электронов в эмиссионных наноэлектронных высокой емкости. устройствах, сорбенты для безопасного хранения водорода .
В 2017 году исследователи смоделировали графеновый гироид , плотность которого составляет пять процентов от плотности стали, но при этом в десять раз прочнее и имеет огромное соотношение площади поверхности к объему. Они сжимали нагретые чешуйки графена. Затем они сконструировали напечатанные на 3D-принтере модели с высоким разрешением из пластика различных конфигураций — похожие на гироиды, которые естественным образом образуются из графена, но в тысячи раз больше. Затем эти формы были протестированы на прочность на растяжение и сжатие и сравнены с компьютерным моделированием. Когда графен был заменен на полимеры или металлы, наблюдался аналогичный прирост прочности. [ 22 ] [ 23 ]
Пленка графена, пропитанная растворителем, чтобы она набухла и стала пластичной, была наложена на нижележащую «форму» подложки. Растворитель испарился, оставив после себя слой графена, принявший форму основной структуры. Таким образом команда [ ВОЗ? ] смог создать ряд относительно сложных микроструктурированных форм. [ 24 ] Характеристики варьируются от 3,5 до 50 мкм. Чистый графен и графен, украшенный золотом, были успешно интегрированы в подложку. [ 25 ]
, Содержание аэрогеля состоящего из слоев графена, разделенных углеродными нанотрубками, составило 0,16 миллиграмм на кубический сантиметр. Раствор графена и углеродных нанотрубок в форме подвергают сублимационной сушке для обезвоживания раствора, оставляя аэрогель. Материал обладает превосходной эластичностью и впитываемостью. Он может полностью восстановиться после сжатия более чем на 90% и поглощать масло, в 900 раз превышающее его собственный вес, со скоростью 68,8 грамма в секунду. [ 26 ]
В конце 2017 года о производстве отдельно стоящих графеновых гироидов с элементарными ячейками 35 и 60 нм. сообщалось [ 27 ] Гироиды были изготовлены методом контролируемого прямого химического осаждения из паровой фазы , являются самонесущими и могут быть перенесены на различные подложки. Кроме того, они представляют собой наименьшие из когда-либо созданных отдельно стоящих периодических графеновых 3D-структур с размером пор в десятки нанометров. Благодаря своей высокой механической прочности, хорошей проводимости ( поверхностное сопротивление : 240 Ом/кв.) и огромному соотношению площади поверхности к объему графеновые гироиды могут найти применение в различных приложениях, начиная от батарей и суперконденсаторов и заканчивая фильтрацией и оптоэлектроникой .
Столбчатый
[ редактировать ]Столбчатый графен представляет собой гибридную углеродную структуру, состоящую из ориентированного массива углеродных нанотрубок, соединенных на каждом конце с листом графена. Впервые он был теоретически описан в 2008 году. Столбчатый графен в лаборатории не синтезирован.
Усиленный
[ редактировать ]Листы графена, армированные встроенными углеродными нанотрубками (« арматурой »), с ними легче манипулировать, при этом улучшаются электрические и механические свойства обоих материалов. [ 28 ] [ 29 ]
Функционализированные одно- или многостенные углеродные нанотрубки наносятся методом центрифугирования на медную фольгу, а затем нагреваются и охлаждаются, используя нанотрубки в качестве источника углерода. При нагревании функциональные углеродные группы разлагаются на графен, а нанотрубки частично расщепляются и образуют ковалентные связи с графеном в плоскости, увеличивая прочность. Домены укладки π – π добавляют большей прочности. Нанотрубки могут перекрываться, что делает материал лучшим проводником, чем стандартный графен, выращенный методом CVD. Нанотрубки эффективно перекрывают границы зерен , присутствующие в обычном графене. Методика устраняет следы подложки, на которую с помощью эпитаксии были нанесены впоследствии разделенные листы. [ 28 ]
Пакеты из нескольких слоев были предложены в качестве экономически эффективной и физически гибкой замены оксида индия и олова (ITO), используемого в дисплеях и фотоэлектрических элементах . [ 28 ]
Нанокойл
[ редактировать ]В 2015 году в графитовом углероде (угле) была обнаружена спиральная форма графена. Эффект спирали создается дефектами в гексагональной сетке материала, которые заставляют его скручиваться по спирали вдоль края, имитируя риманову поверхность , при этом поверхность графена приблизительно перпендикулярна оси. Когда на такую катушку подается напряжение, ток течет по спирали, создавая магнитное поле. Это явление применимо к спиралям либо с зигзагообразной, либо с ориентацией кресла, хотя и с различным распределением тока. Компьютерное моделирование показало, что обычному спиральному индуктору диаметром 205 микрон можно сопоставить нанокатушку шириной всего 70 нанометров с напряженностью поля, достигающей 1 тесла , что примерно соответствует катушкам в типичных громкоговорителях с примерно таким же полем. сила, как у некоторых аппаратов МРТ . Они обнаружили, что магнитное поле будет самым сильным в полой полости шириной в нанометр в центре спирали. [ 30 ]
Соленоид , изготовленный с такой катушкой, ведет себя как квантовый проводник, распределение тока которого между ядром и внешней частью меняется в зависимости от приложенного напряжения, что приводит к нелинейной индуктивности . [ 31 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кула, Петр; Пьетрасик, Роберт; Дыбовский, Конрад; Атрашкевич, Радомир; Шиманский, Витольд; Колодзейчик, Лукаш; Недзельский, Петр; Новак, Дорота (2014). «Одно- и многослойный рост графена из жидкой фазы». Прикладная механика и материалы . 510 :8–12. дои : 10.4028/www.scientific.net/AMM.510.8 . S2CID 93345920 .
- ^ «Польские учёные нашли способ делать сверхпрочные листы графена | Графен-Инфо» . www.graphene-info.com . Проверено 1 июля 2015 г.
- ^ Мин, Хонки; Саху, Бхагаван; Банерджи, Санджай; Макдональд, А. (2007). «Ab initio теория зазоров, индуцированных затворами в бислоях графена». Физический обзор B . 75 (15): 155115. arXiv : cond-mat/0612236 . Бибкод : 2007PhRvB..75o5115M . дои : 10.1103/PhysRevB.75.155115 . S2CID 119443126 .
- ^ Барлас, Яфис; Коте, Р.; Ламберт, Дж.; Макдональд, АХ (2010). «Аномальная конденсация экситонов в бислоях графена». Письма о физических отзывах . 104 (9): 96802. arXiv : 0909.1502 . Бибкод : 2010PhRvL.104i6802B . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.096802 . ПМИД 20367001 . S2CID 33249360 .
- ^ Перейти обратно: а б Мин, Лола; Ховден, Роберт; Хуанг, Пиншейн; Войчик, Михал; Мюллер, Дэвид А.; Пак, Джиун (2012). «Двойникование и скручивание трех- и двухслойного графена». Нано-буквы . 12 (3): 1609–1615. Бибкод : 2012NanoL..12.1609B . дои : 10.1021/nl204547v . ПМИД 22329410 .
- ^ Нандвана, Динкар; Эртекин, Элиф (11 марта 2015 г.). «Рябь, деформация и дислокации несоответствия: структура границ раздела сверхрешеток графен-нитрид бора». Нано-буквы . 15 (3): 1468–1475. Бибкод : 2015NanoL..15.1468N . дои : 10.1021/nl505005t . ПМИД 25647719 .
- ^ Сюй, Ян; Лю, Юньлун; Чен, Хуабин; Линь, Сяо; Линь, Шишэн; Ю, Бин; Ло, Дзикуй (2012). «Ab initio исследование модуляции энергетических зон в двумерных слоистых сверхрешетках на основе графена». Журнал химии материалов . 22 (45): 23821. doi : 10.1039/C2JM35652J .
- ^ Тан, Шуцзе; Ван, Хаоминь, Ю; Ли, Се, Хун; Лю, Ляньцин; Хуан, Фуцян; Се, Цзян, Мяньхэн» . Точно выровненный графен, выращенный на гексагональном нитриде бора методом химического осаждения из паровой фазы без катализатора» . Scientific Reports . 3 (1): 2666. arXiv : 1309.0172 . Бибкод : 2013NatSR... . doi : 10.1038 . PMC 3773621 . / srep02666 3E2666T
- ^ Чен, Линсю; Он, Ли; Ван, Хуэйшань (2017). «Ориентированные графеновые наноленты, внедренные в гексагональные канавки нитрида бора» . Природные коммуникации . 8 : 14703. arXiv : 1703.03145 . Бибкод : 2017NatCo...814703C . дои : 10.1038/ncomms14703 . ПМК 5347129 . ПМИД 28276532 .
- ^ Нето, Кастро; Перес, ЯМР; Новоселов К.С.; Гейм, АК; Гейм, АК (2009). «Электронные свойства графена» (PDF) . Ред. Мод Физ . 81 (1): 109–162. arXiv : 0709.1163 . Бибкод : 2009РвМП...81..109С . дои : 10.1103/RevModPhys.81.109 . hdl : 10261/18097 . S2CID 5650871 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 ноября 2010 г.
- ^ Ли, Синьмин; Чжао, Тяньшо; Ван, Куньлинь; Ян, Ин; Вэй, Цзиньцюань; Канг, Фейю; Ву, Дехай; Чжу, Хунвэй (29 августа 2011 г.). «Непосредственное вытягивание самособранного, пористого и монолитного графенового волокна из графеновой пленки, выращенной химическим осаждением из паровой фазы, и ее электрохимические свойства». Ленгмюр . 27 (19): 12164–71. дои : 10.1021/la202380g . ПМИД 21875131 .
- ^ Ли, Синьмин; Чэнь, Цяо; Ван, Куньлинь; Вэй, Дэхай; Вэй, Чжу, Хунвэй (3 сентября 2013 г.). Государственные суперконденсаторы на основе графеновых волокон, полученных методом химического осаждения из паровой фазы». Физическая химия Химическая физика . 15 (41): 17752–7. Бибкод : 2013PCCP...1517752L . doi : 10.1039/C3CP52908H . PMID 24045695 .
- ^ Синь, Гоцин; Яо, Тянькай; Сунь, Хунтао; Скотт, Спенсер Майкл; Шао, Дали; Ван, Гункай; Лиан, Цзе (4 сентября 2015 г.). «Высокотеплопроводящие и механически прочные графеновые волокна» . Наука . 349 (6252): 1083–1087. Бибкод : 2015Sci...349.1083X . дои : 10.1126/science.aaa6502 . ПМИД 26339027 .
- ^ Сюй, Инцзюнь; Ли, Сунь, Хайян; Цзинь, Чуаньхун; Гао, Чао (2016). Прочные графеновые волокна с помощью полномасштабной синергетической инженерии дефектов». Advanced Materials . 28 (30): 6449–6456. Бибкод : 2016AdM....28.6449X . doi : /adma.201506426 . PMID 27184960. 10.1002 S2CID 31988847 .
- ^ Харрис П.Дж.Ф. (2012). «Полые конструкции со стенками из двухслойного графена» . Карбон . 50 (9): 3195–3199. doi : 10.1016/j.carbon.2011.10.050 .
- ^ Харрис П.Дж., Слейтер Т.Дж., Хей С.Дж., Хейдж Ф.С., Кепапцоглу Д.М., Рамасс К.М., Брайдсон Р. (2014). «Двухслойный графен, образующийся при прохождении тока через графит: свидетельства трехмерной структуры» (PDF) . Нанотехнологии . 25 (46): 465601. Бибкод : 2014Nanot..25.5601H . дои : 10.1088/0957-4484/25/46/465601 . ПМИД 25354780 . S2CID 12995375 .
- ^ Ван, Х.; Сан, К.; Тао, Ф.; Стакчиола, диджей; Ху, Ю.Х. (2013). «3D-сотовый структурированный графен и его высокая эффективность в качестве противоэлектродного катализатора для сенсибилизированных красителем солнечных элементов». Ангеванде Хеми . 125 (35): 9380–9384. дои : 10.1002/ange.201303497 . hdl : 2027.42/99684 .
Ван, Хуэй; Сан, Кай; Тао, Франклин; Стакчиола, Дарио Дж.; Ху, Юн Хан (2013). «3D-графен может заменить дорогую платину в солнечных элементах» . Ангеванде Хеми . 125 (35): 9380–9384. дои : 10.1002/ange.201303497 . hdl : 2027.42/99684 . Проверено 24 августа 2013 г. - ^ Лалвани, Гаурав; Тринуорд Квачала, Андреа; Канакия, Шрути; Патель, Санни К.; Джудекс, Стефан; Ситхараман, Баладжи (2013). «Изготовление и определение характеристик трехмерных макроскопических полностью углеродных каркасов» . Карбон . 53 : 90–100. doi : 10.1016/j.carbon.2012.10.035 . ПМЦ 3578711 . ПМИД 23436939 .
- ^ Перейти обратно: а б Шехзад, Хуррам; Сюй, Ян; Гао, Чао; Сяньфэн, Дуань (2016). «Трехмерные макроструктуры двумерных наноматериалов». Обзоры химического общества . 45 (20): 5541–5588. дои : 10.1039/C6CS00218H . ПМИД 27459895 .
- ^ Лалвани, Гаурав; Гопалан, Ану Гопалан; Д'Агати, Майкл; Шринивас Шанкаран, Джеянт; Джудекс, Стефан; Цинь, И-Сянь; Ситхараман, Баладжи (2015). «Пористые трехмерные каркасы из углеродных нанотрубок для тканевой инженерии» . Журнал исследований биомедицинских материалов, часть A. 103 (10): 3212–3225. дои : 10.1002/jbm.a.35449 . ПМЦ 4552611 . ПМИД 25788440 .
- ^ Р. В. Лапшин (2016). «СТМ-наблюдение коробчатой графеновой наноструктуры, появившейся после механического расщепления пиролитического графита» (PDF) . Прикладная наука о поверхности . 360 : 451–460. arXiv : 1611.04379 . Бибкод : 2016ApSS..360..451L . дои : 10.1016/j.apsusc.2015.09.222 . ISSN 0169-4332 . S2CID 119369379 . ( русский перевод ). есть
- ^ Сонди, Дэвид (9 января 2017 г.). «Новый 3D-графен в десять раз прочнее стали» . newatlas.com . Проверено 17 февраля 2017 г.
- ^ Чжао, Цинь; Банда, Соб Юнг; Мин, Чон Кан; Бюлер, Маркус Дж. (6 января 2017 г.). «Механика и конструкция легкой трехмерной графеновой сборки» . Достижения науки . 3 (1): e1601536. Бибкод : 2017SciA....3E1536Q . дои : 10.1126/sciadv.1601536 . ПМК 5218516 . ПМИД 28070559 .
- ^ Джеффри, Колин (28 июня 2015 г.). «Графен приобретает новое измерение» . www.gizmag.com . Проверено 5 октября 2015 г.
- ^ «Как сформировать трехмерные фигуры из плоских листов графена» . www.kurzweilai.net . 30 июня 2015 года . Проверено 5 октября 2015 г.
- ^ Энтони, Себастьян (10 апреля 2013 г.). «Графеновый аэрогель в семь раз легче воздуха, может балансировать на травинке — Слайдшоу | ExtremeTech» . ЭкстримТех . Проверено 11 октября 2015 г.
- ^ Себо, Т.; Ария, А.И.; Долан, Дж.А.; Уэзерап, РС; Наканиши, К.; Кидамби, PR; Дивитини, Г.; Дукати, К. ; Штайнер, У.; Хофманн, С. (2017). «Химическое осаждение из паровой фазы отдельно стоящих графеновых гироидов толщиной менее 60 нм» . Письма по прикладной физике . 111 (25): 253103. Бибкод : 2017ApPhL.111y3103C . дои : 10.1063/1.4997774 . hdl : 1826/13396 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Углеродные нанотрубки как армирующие стержни для укрепления графена и повышения проводимости» . КурцвейлАИ. 9 апреля 2014 года . Проверено 23 апреля 2014 г.
- ^ Ян, З.; Пэн, З.; Касильяс, Г.; Лин, Дж.; Сян, К.; Чжоу, Х.; Ян, Ю.; Руан, Г.; Раджи, Арканзас; Сэмюэл, ELG; Хауге, Р.Х.; Якаман, MJ; Тур, Дж. М. (2014). «Графеновая арматура» . АСУ Нано . 8 (5): 5061–8. дои : 10.1021/nn501132n . ПМК 4046778 . ПМИД 24694285 .
- ^ «Графеновые нанокатушки оказались мощными природными электромагнитами | KurzweilAI» . www.kurzweilai.net . 16 октября 2015 г. Проверено 18 октября 2015 г.
- ^ Сюй, Фанбо; Ю, Генри; Садрзаде, Арта; Якобсон, Борис И. (14 октября 2015 г.). «Римановы поверхности углерода как графеновые наносоленоиды». Нано-буквы . 16 (1): 34–9. Бибкод : 2016NanoL..16...34X . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b02430 . ПМИД 26452145 .