Графин
 Химическая структура графина-1 | |
| Идентификаторы | |
|---|---|
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Графин — аллотроп углерода . толщиной в один атом. Его структура представляет собой плоские листы sp и sp 2 -связанные атомы углерода расположены в кристаллической решетке. Его можно рассматривать как решетку бензольных колец, соединенных ацетиленовыми связями. Материал называется графином- н , когда бензольные кольца соединены n последовательными молекулами ацетилена, и графдиином для частного случая n = 2 ( диацетиленовые связи).
В зависимости от содержания ацетиленовых групп графен можно рассматривать как смешанную гибридизацию, пр. к , где k может быть 1 или 2, [1] [2] и, таким образом, отличается от гибридизации графена (считающегося чистым sp 2 ) и алмаз (чистый sp 3 ).
Расчеты из первых принципов показали, что периодические структуры графина и его аналогов из нитрида бора устойчивы. В расчетах использовались кривые дисперсии фононов и конечная температура ab-initio , а также моделирование квантово-механической молекулярной динамики. [3]
История
[ редактировать ]Графин был впервые теоретически предложен Baughman et al. в 1987 году. [4] В 2010 году Ли и др. разработал первую успешную методологию создания пленок графдиина с использованием реакции кросс-сочетания Глейзера-Хея с гексаэтинилбензолом. [5] Предложенный подход позволяет синтезировать графдиин и графтетраин нанометрового размера, у которых отсутствует дальний порядок. В 2019 году Кюи и его коллеги сообщили о механохимическом методе получения графина с использованием бензола и карбида кальция . [6] Хотя с помощью этого подхода можно получить графин размером в грамм, графины с дальней кристалличностью на большой площади остаются неуловимыми.
Несмотря на споры, исследователи использовали метатезис алкинов , контролируя термодинамику и кинетику, для синтеза графина в 2022 году. [7] [8] Различные аналитические методы указывают на его превосходную химическую и термическую стабильность. Исследование широкоуглового рентгеновского рассеяния полученного продукта графина позволяет предположить единую кристаллическую структуру. [9]
В 2022 году был успешно осуществлен первый масштабируемый синтез многослойного γ-графина путем полимеризации 1,3,5-трибром-2,4,6-триэтинилбензола в условиях сочетания Соногашира . Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне и циклическая вольтамперометрия материала определили ширину запрещенной зоны 0,48 ± 0,05 эВ, что согласуется с теоретическим предсказанием для материалов на основе графина. [10] [11]
Структура
[ редактировать ]С помощью компьютерных моделей ученые предсказали несколько свойств вещества на основе предполагаемой геометрии решетки. Предлагаемые структуры получены путем внедрения ацетиленовых связей вместо одинарных связей углерод-углерод в решетке графена. [12] Предполагается, что графин существует в различных геометриях. Такое разнообразие обусловлено множественным расположением sp и sp. 2 гибридизированный углерод. Предложенные геометрии включают в себя шестиугольную решетчатую структуру и прямоугольную решетчатую структуру . [13] Из теоретических структур прямоугольная решетка 6,6,12-графина может иметь наибольший потенциал для будущих применений.
Характеристики
[ редактировать ]Модели предсказывают, что у графина есть потенциал для образования конусов Дирака на атомах углерода с двойными и тройными связями. [ нужна ссылка ] Благодаря конусам Дирака зоны проводимости и валентная зона пересекаются линейно в одной точке уровня Ферми . Преимущество этой схемы в том, что электроны ведут себя так, как будто у них нет массы, в результате чего энергии пропорциональны импульсу электронов. Как и графен, гексагональный графин обладает электрическими свойствами, не зависящими от направления. Однако из-за симметрии предлагаемого прямоугольного 6,6,12-графена электрические свойства будут меняться в разных направлениях в плоскости материала. [13] Эта уникальная особенность его симметрии позволяет графину самодопироваться , что означает, что он имеет два разных конуса Дирака, лежащие немного выше и ниже уровня Ферми. [13] Эффект самодопинга 6,6,12-графина можно эффективно регулировать путем приложения внешней деформации в плоскости. [14] Синтезированные к настоящему времени образцы графина имеют температуру плавления 250–300 °C, низкую реакционную способность в реакциях разложения с кислородом, теплом и светом. [12]
Возможные применения
[ редактировать ]Была выдвинута гипотеза, что графен предпочтительнее графена для конкретных применений из-за его особой энергетической структуры, а именно зависящих от направления конусов Дирака. [15] [16] Направленная зависимость 6,6,12-графина может позволить создать электрическую решетку наномасштаба. [17] Это может привести к разработке более быстрых транзисторов и наноразмерных электронных устройств. [13] [18] [19] Недавно было продемонстрировано, что фотоиндуцированный перенос электронов от партнеров-доноров электронов к γ-графину является благоприятным и происходит в масштабе времени от нано до субпикосекунды. [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хейманн, РБ; Евсвуков, С.Э.; Кога, Ю. (1997). «Аллотропы углерода: предлагаемая схема классификации, основанная на гибридизации валентных орбиталей». Карбон . 35 (10–11): 1654–1658. дои : 10.1016/S0008-6223(97)82794-7 .
- ^ Еняшин Андрей Н.; Ивановский, Александр Л. (2011). «Аллотропы графена» . Физический статус Solidi B. 248 (8): 1879–1883. Бибкод : 2011PSSBR.248.1879E . дои : 10.1002/pssb.201046583 . S2CID 125591804 .
- ^ Озчелик, В. Онгун; Чирачи, С. (10 января 2013 г.). «Размерная зависимость стабильности и электронных свойств α-графина и его аналога нитрида бора». Журнал физической химии C. 117 (5): 2175–2182. arXiv : 1301.2593 . дои : 10.1021/jp3111869 . S2CID 44136901 .
- ^ Баугман, Р.Х.; Экхардт, Х.; Кертес, М. (1987). «Прогнозирование свойств структуры новых плоских форм углерода: слоистые фазы, содержащие атомы sp2 и sp». Журнал химической физики . 87 (11): 6687–6699. Бибкод : 1987JChPh..87.6687B . дои : 10.1063/1.453405 .
- ^ Ли, Г.; Ли, Ю.; Луи, Х.; Го, Ю.; Ли, Ю.; Чжу, Д. (2010). «Архитектура графдиевых наноразмерных пленок». Химические коммуникации . 46 (19): 3256–3258. дои : 10.1039/B922733D . ПМИД 20442882 .
- ^ Ли, К.; Ян, К.; Ву, Л.; Ван, Х.; Цюи, X. (2019). «Превращение бензола в γ-графин и повышение его электрохимических характеристик выделения кислорода». Журнал химии материалов А. 7 (11): 5981–5990. дои : 10.1039/C8TA10317H . S2CID 104431102 .
- ^ Ху, Чэньюй; Пан, Цинхуа; Мартинес, Викина; Ву, Цзинъи; Кларк, Ноэль А.; Чжао, Инцзе; Чжан, Вэй (9 мая 2022 г.). «Синтез γ-графина с использованием динамической ковалентной химии» .
- ^ Ху, Ю.; Ву, К.; Пан, К.; Джин, Ю.; Лю, Р.; Мартинес, В.; Хуанг, С.; Ву, Дж.; Веймент, LJ; Кларк, Северная Каролина; Рашке, МБ; Чжао, Ю.; Чжан, В. (2022). «Синтез γ-графина с использованием динамической ковалентной химии». Синтез природы . 1 (6): 449–454. Бибкод : 2022NatSy...1..449H . дои : 10.1038/s44160-022-00068-7 . S2CID 248686420 .
- ^ Лейтам-Пауэлл, Кей; Боулдер, Университет Колорадо. «Впервые создан долгожданный «чудо-материал нового поколения» . физ.орг . Проверено 23 мая 2022 г.
- ^ Десяткин В.Г.; Мартин, Всемирный банк; Алиев А.Е.; Чепмен, штат Невада; Фонсека, AF; Гальвао, Д.С.; Миллер, скорая помощь; Стоун, К.Х.; Ван, З.; Захидов Д.; Лимпоко, штат Форт; Алмахдали, СР; Паркер, С.М.; Баугман, Р.Х.; Родионов, ВО (2022). «Масштабируемый синтез и характеристика многослойного γ-графина, новых кристаллов углерода с малой прямой запрещенной зоной». Журнал Американского химического общества . 144 (39): 17999–18008. arXiv : 2301.05291 . дои : 10.1021/jacs.2c06583 . ПМИД 36130080 . S2CID 252438218 .
- ^ Канг, Джун; Вэй, Чжунмин; Ли, Цзинбо (2019). «Графин и его семейство: последние теоретические достижения». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (3): 2692–2706. дои : 10.1021/acsami.8b03338 . ПМИД 29663794 .
- ^ Jump up to: а б Ким, Бог Г.; Чхве, Хён Джун (2012). «Графин: гексагональная сеть углерода с универсальными конусами Дирака». Физический обзор B . 86 (11): 115435. arXiv : 1112.2932 . Бибкод : 2012PhRvB..86k5435K . дои : 10.1103/PhysRevB.86.115435 . S2CID 119288235 .
- ^ Jump up to: а б с д Дюме, Белль (1 марта 2012 г.). «Могут ли графены быть лучше графена?» . Мир физики . Институт физики .
- ^ Ван, Гаосюэ; Си, Минсу; Кумар, Ашок; Пандей, Равиндра (26 мая 2014 г.). «Деформотехника конусов Дирака в графике». Письма по прикладной физике . 104 (21): 213107. Бибкод : 2014ApPhL.104u3107W . дои : 10.1063/1.4880635 .
- ^ Малко, Дэниел; Нейсс, Кристиан; Виньес, Франческ; Герлинг, Андреас (24 февраля 2012 г.). «Конкуренция за графен: графины с зависящими от направления конусами Дирака» (PDF) . Физ. Преподобный Летт. 108 (8): 086804. Бибкод : 2012PhRvL.108h6804M . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.086804 . hdl : 2445/65316 . ПМИД 22463556 .
- ^ Ширбер, Майкл (24 февраля 2012 г.). «Фокус: графин может быть лучше графена» . Физика . 5 (24): 24. Бибкод : 2012PhyOJ...5...24S . дои : 10.1103/Физика.5.24 .
- ^ Бардхан, Дебджьоти (2 марта 2012 г.). «Новый материал графен может стать серьезным конкурентом графена» . techie-buzz.com .
- ^ Картрайт, Дж. (1 марта 2012 г.). «Графин может быть лучше графена» . news.sciencemag.org . Архивировано из оригинала 2 октября 2012 года.
- ^ «Графин лучше графена?» . Материалы сегодня . 5 марта 2012 г.
- ^ Стасюк О.А.; Стасюк, А.Дж.; Сола, М.; Войтюк, А.А. (2022). «γ-графин: многообещающий акцептор электронов для органических фотоэлектрических систем». Материалы и дизайн . 225 : 111526. doi : 10.1016/j.matdes.2022.111526 . hdl : 10256/22532 . S2CID 254961210 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Рават, Сачин (5 августа 2022 г.). «Графен — это «чудо-материал», получивший Нобелевскую премию. Графин может его заменить» . Большое Думай . Проверено 7 августа 2022 г.
- Ван, Силуань; Ши, Гаокюань (2015). «Введение в химию графена». Физическая химия Химическая физика . 17 (43). Королевское химическое общество (RSC): 28484–28504. Бибкод : 2015PCCP...1728484W . дои : 10.1039/c5cp05212b . ПМИД 26465215 .