Grafen:Singler og de få

(PhysOrg.com) -- En rettidig gennemgang, der analyserer sammenhængen mellem syntesemetoder og fysiske egenskaber af enkeltlags og fålags grafenflager.

En gennemgang af metoder, der bruges til at syntetisere både enkelt- og fålagsgrafen, og de resulterende egenskaber præsenteres af C.N.R. Rao og kolleger ved Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research og Indian Institute of Science, Bangalore. Artiklen blev offentliggjort for nylig i Videnskab og teknologi af avancerede materialer .

Gruppen sammenligner ikke kun det elektriske, magnetiske og overfladeegenskaber af den resulterende grafen [2], men baseret på deres egen forskning, forfatterne beskriver de fysiske egenskaber af grafen-polymer-kompositter og felteffekttransistorer fremstillet ved hjælp af grafen.

Siden den første rapport om den mekaniske isolering af grafen fra grafit, interessen for de fysiske egenskaber og potentielle anvendelser - såsom transparente elektroder til solceller, nanoelektronik og robuste mekaniske strukturer - har ført til en hidtil uset stigning i antallet af publikationer om syntesen, egenskaber og anvendelser af dette unikke 2D-materiale.

Men feltet er stadig i sin vorden, med udfordringer og problemer, der skal løses, især virkningerne af syntesemetoden på egenskaberne af den resulterende grafen.

Nobelprisen i fysik 2010 blev tildelt Andre Geim og Konstantin Novoselov fra University of Manchester "for banebrydende eksperimenter vedrørende det todimensionelle materiale grafen" - en unik struktur af kulstof på kun et atom tyk, der har fanget fantasien hos materialeforskere verden- bred.

Manchester-forskerne rapporterede om udvindingen og egenskaberne af grafen i 2004 [1]. Enkelheden af ​​'syntesen' overraskede mange videnskabsmænd, for hvem havde forestillet sig at kunne isolere et atomlag af kulstof fra en grafitblok med et stykke klæbebånd?

Enkeltlagsgrafen (SLG) fremstilles ved mekanisk at 'afskrælle' et lag kulstof fra højt ordnet pyrolytisk grafit, som derefter overføres til et siliciumsubstrat. Kemisk, SLG fremstilles ved reduktion af en dispersion af enkeltlags grafenoxid med hydrazin. Dette resulterende reducerede grafenoxid (RGO) er en sort suspension, der indeholder resterende oxygen, og dette adskiller det fra SLG opnået ved andre metoder.

Ikke-kemiske metoder til fremstilling af SLG-lag omfatter opvarmning af Si-termineret (0001) enkeltkrystal 6H-SiC i vakuum mellem 1250 og 1450 ºC i nogle få minutter og nedbrydning af kulbrinter - metan, ethylen, acetylen og benzen - på plader af katalytiske overgangsmetaller som Ni. Forfatternes egen forskning i kemisk dampaflejring på nikkel- og koboltfilm viste, at antallet af lag afhænger af valget af kulbrinter og eksperimentelle ledninger, og vigtigst af alt, at grafenlagene var svære at fjerne fra metaloverfladen efter afkøling.

Velkendte metoder til fremstilling af få-lags grafen er termisk eksfoliering af grafitoxid ved 1050 ºC, den kemiske reaktion af en vandig opløsning af SGO med hydrazinhydrat ved tilbagesvalingstemperaturen eller ved mikrobølgeopvarmning, opvarmning af 4-6 nm nanodiamantpartikler i en inert eller reducerende atmosfære over 1500 ºC, og lysbuefordampning af grafit i en hydrogenatmosfære. Holdet fandt ud af, at sidstnævnte metode giver grafen med kun 2-3 lag af 100-200 nm store flager, selvom de bemærker, at det stadig er en udfordring at kontrollere antallet af lag af grafen.

Overfladearealet af grafen er en vigtig parameter for applikationer som gassensing og opbevaring af gasser som brint. I sammenligning med enkeltlags grafen, hvilken teori forudsiger at have et stort overfladeareal på 2600 m ² /g, målinger fra Bangalore-gruppen på få-lags grafen viste, at overfladearealet var 270-1550 m ² /g.

Den elektroniske struktur af grafen bestemmes af grafenflagers 'kanttilstande', med dobbeltlagsgrafen forudsagt at være ferromagnetisk. Rao og kolleger viste, at Curie-Weiss-temperaturerne opnået fra de omvendte modtagelighedsdata for høje temperaturer var negative i alle prøver målt af dem, indikerer antiferromagnetisme. Forfatterne bemærker muligheden for sameksistensen af ​​forskellige typer magnetiske tilstande inden for en enkelt flage af grafen. Ud over, alle grafenprøver viste magnetisk hysterese ved stuetemperatur, med elektronparamagnetiske resonansmålinger, der tyder på, at denne adfærd ikke stammer fra overgangsmetalurenheder.

Elektriske målinger viste halvledende adfærd i få-lags grafener med ledningsevne stigende mellem 35 og 300 K, som er forskellig fra den metalliske natur, der udvises af enkeltlagsgrafen, og den elektriske ledningsevne af grafenprøver faldt med stigende antal lag. Desuden, få-lags grafenprøver var n-type og velegnede til fremstilling af felteffekttransistorer, og de bedste transistorer blev realiseret med få-lags grafen fremstillet ved bueudladning af grafit i brint. Ved målinger på kompositter af en polymer og få-lags grafen (PMMA-RGO, PMMA-HG og PVA-EG), kompositternes elektriske ledningsevne steg med stigende grafenindhold. Termoelektriske målinger afslørede en relativt lille termoeffekt i få-lags grafener sammenlignet med enkeltlags grafen. Interessant nok, få-lags grafener med det største overfladeareal viste den stærkeste interaktion med elektrondonor- og acceptormolekyler via molekylær ladningsoverførsel.

Denne anmeldelse indeholder 68 referencer og 21 figurer og giver en uvurderlig kilde til opdateret information til nytilkomne og eksperter inden for dette spændende forskningsområde.