right|250px|thumb|Графен — гэта асобны атамны слой са структурай графіта Графе́н () — вуглярод у форме слаёў таўшчынёй у адзін атам, размешчаных у выглядзе сота-падобнай рашоткі. Больш дакладна, графен — гэта двухмерная алатропная мадыфікацыя вугляроду, утвораная слоем атамаў вугляроду таўшчынёй у адзін атам, якія знаходзяцца ў і злучаюцца σ- і π-сувязямі ў двухмерную крышталічную рашотку. Яго можна ўявіць як адну плоскасць графіту, аддзеленую ад аб’ёмнага крышталя. Па ацэнках, графен мае вялікую і рэкордна вялікую цеплаправоднасць (~1 ТПаBunch J. S. et. al. Electromechanical Resonators from Graphene Sheets Science 315, 490 (2007) і ~5 Вт·м−1·К−1Balandin A. A. cond-mat/0802.1367 адпаведна). Высокая носьбітаў зараду (максімальная рухомасць электронаў сярод усіх вядомых матэрыялаў) робіць яго перспектыўным матэрыялам для самых розных прымяненняў, у тым ліку, у якасці будучай асновы Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40, 228 (2007) і магчымую замену крэмнію ў інтэгральных мікрасхемах.
Адзін з існуючых у цяперашні час спосабаў атрымання графена ва ўмовах навуковых лабараторыйNovoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666 (2004) Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005) заснаваны на механічным адшчапленні ці адлушчэнні графітных слаёў ад . Ён дазваляе атрымліваць найболей якасныя ўзоры з высокай рухомасцю носьбітаў. Гэты метад не прадугледжвае выкарыстання маштабнай вытворчасці, бо гэта ручная працэдура. Іншы вядомы спосаб — метад тэрмічнага раскладання падложкі Rollings E. et. al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate J. Phys. Chem. Solids 67, 2172 (2006) Hass J. et. al. Highly ordered graphene for two dimensional electronics Applied Physics Letters 89, 143106 (2006) — значна бліжэй да прамысловай вытворчасці. З 2010 года даступныя лісты графена метровага памеру, вырашчаныя метадам .
З-за асаблівасцей носьбітаў графен праяўляе спецыфічныяNovoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438, 197 (2005) , у адрозненне ад іншых , электрафізічныя ўласцівасці. Пазней былі атрыманы аналагічныя двухмерныя крышталі крэмнію (), фосфару (), германію ().
За «перадавыя вопыты з — графенам» А. К. Гейму і К. С. Навасёлаву была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2010 годСтали известны имена лауреатов Нобелевской премии по физике . У 2013 годзе узнагароджаны за распрацоўку базавай канцэпцыі і паняццяў, якімі аперыруе навука ў галіне графенаПремию Спинозы вручили за графен.
Уводзіны Графен — першы вядомы сапраўды . У адрозненне ад ранейшых спроб стварэння двухмерных праводзячых слаёў, напрыклад, (ДЭГ), з паўправаднікоў метадам кіравання шырынёй , электроны ў графене лакалізаваныя ў плоскасці значна мацней.
Разнастайнасць хімічных і фізічных уласцівасцей абумоўлена крышталічнай структурай і π-электронамі атамаў вугляроду, якія складаюць графен. Шырокае вывучэнне матэрыялу ва ўніверсітэтах і даследчых лабараторыях звязана, перш за ўсё, з даступнасцю і прастатой яго прыгатавання шляхам крышталёў графіту. Матэрыялам, які праявіў свае ўнікальныя ўласцівасці: высокую праводнасць і цеплаправоднасць, трываласць, зацікавіліся не толькі навукоўцы, але і тэхнолагі, а таксама звязаныя з вытворчасцю працэсараў карпарацыі IBM, Samsung. Прынцып работы істотна адрозніваецца ад прынцыпу работы традыцыйных палявых крэмніевых транзістараў, бо графен мае забароненую зону нулявой шырыні, і ток у графенавым канале цячэ пры любым прыкладзеным напружанні, таму развіваюцца іншыя падыходы да стварэння транзістараў.
Якасць графена для транспартных вымярэнняў характарызуецца такім параметрам, як , які характарызуе сілу водгуку носьбітаў току на прыкладзенае электрычнае поле. Двухмерны электронны газ у паўправадніковых гетэраструктурах валодае рэкорднымі рухомасцямі пры тэмпературах ніжэй 1 K. Графен саступае ДЭГ у GaAs пры такіх нізкіх тэмпературах, але, паколькі электрон-фаноннае рассеянне ў графене намнога слабейшае, рухомасць дасягае пры пакаёвай тэмпературы. Гэта рухомасць уяўляе сабою адзін з асноўных параметраў, неабходных для стварэння хуткадзейных высокачастотных транзістараў.
Унікальныя электронныя ўласцівасці графена праяўляюцца і ў оптыцы. У прыватнасці, графен дазваляе вокам «убачыць» пастаянную тонкай структуры α, параўноўваючы інтэнсіўнасць святла, якое прайшло скрозь закрытую графенам апертуру, і святла, якое прайшло свабодна. для графена ў вобласці бачнага святла добра апісваецца простай формулай . Пастаянная тонкай структуры аказваецца звязана з велічынёй , якое вымяраецца ў . У гэтым выпадку дакладнасць яе настолькі высокая, што дазваляе выкарыстоўваць графен для стварэння эталона супраціўлення, RK = h/e² = 25 812,807557(18) Ом. Сувязь паміж графенам і пастаяннай тонкай структуры аказваецца нават глыбей, бо дынаміка электроннага газу ў графене вызначаецца рэлятывісцкім ураўненнем квантавай механікі — ураўненнем Дзірака, — і па сутнасці з’яўляецца цвердацельным аналагам (2+1)-мернай квантавай электрадынамікі. Некалькі аналагічных эфектаў, прадказаных для квантавай электрадынамікі, можна назіраць у графене.
Нягледзячы на моцнае ўзаемадзеянне святла з графенам, асаджаныя плёнкі графена на падложцы крэмнію аказваецца складанай задачай. Існуюць найлепшыя таўшчыні аксіду крэмнію (90 нм, 290 нм для даўжынь хваль бачнага святла), якія даюць найбольшы кантраст, што істотна спрашчае пошук плёнак. Хаця натрэніраваны чалавек дастаткова лёгка адрознівае манаслой графена ад двухслойнага графена па кантрасту, добрым доказам служыць таксама , якая выгадна адрозніваецца хуткасцю аналізу і адчувальнасцю да колькасці слаёў. Альтэрнатыўныя метады, такія як вызначэнне таўшчыні і ідэнтыфікацыя па квантаваму эфекту Хола патрабуюць значна большага часу.
Метады вырошчвання графена на вялікіх плошчах адрозніваюцца ад механічных метадаў аднароднасцю і чысцінёй працэсу. Газафазная эпітаксія вугляроду на медную фольгу (CVD-графен) дазваляе ствараць вельмі аднародныя полікрышталічныя плёнкі графена з памерамі парадку метраў. Памер монакрышталёў графена складае сотні мікрон. Меншыя крышталіты атрымліваюцца пры тэрмічным раскладанні карбіду крэмнію.
Самы непрадукцыйны метад механічнага расшчаплення аказваецца найболей прыстасаваным для атрымання высокаякасных крышталёў графена, хоць CVD-графен па якасці прыбліжаецца да яго. Як механічны метад, так і вырошчванне на паверхні іншага матэрыялу валодаюць істотнымі недахопамі, сярод іншага, малою прадукцыйнасцю, таму тэхнолагі распрацоўваюць хімічныя метады атрымання графена з графіту для атрымання з монакрышталя графіту плёнкі, складзенай пераважна з графенавых слаёў, што істотна прасуне графен на рынку.
Дзякуючы моцным вугляродным кавалентным сувязям графен інертны ў адносінах да кіслот і шчолачаў пры пакаёвай тэмпературы. Аднак прысутнасць пэўных хімічных злучэнняў у атмасферы можа прыводзіць да легіравання графена, што знайшло прымяненне ў рэкордна адчувальных сэнсарах — дэтектарах асобных малекул. Для хімічнай мадыфікацыі з утварэннем кавалентных сувязей графена патрэбны павышаныя тэмпературы і рэчывы з моцнай рэакцыйнай здольнасцю. Напрыклад, для стварэння патрэбна наяўнасць пратонаў у плазме газавага разраду, для стварэння фтораграфена — моцнага фтарыруючага агента . Абодва гэтыя матэрыялы паказалі дыэлектрычныя ўласцівасці, то-бок іх супраціўленне расце з паніжэннем тэмпературы. Гэта абумоўлена фарміраваннем забароненай зоны.
Колькасць публікацый, прысвечаных графену, расце год ад года, перавысіўшы 10000 у 2012 годзе. Нягледзячы на тое, што трэць артыкулаў (доля ад агульнага ліку складае 34 %) публікуецца навуковымі ўстановамі і фірмамі з Еўропы, галоўнымі трымальнікамі патэнтаў (з прыблізна 14000 патэнтаў на ліпень 2014 года) выступаюць фірмы і ўніверсітэты Кітая (40 %), ЗША (23 %) і Паўднёвай Карэі (21 %), а еўрапейская доля складае 9 %. Сярод фірм і ўніверсітэтаў Самсунг з’яўляецца лідарам па колькасці патэнтаў.
Гісторыя адкрыцця
Графен з’яўляецца двухмерным крышталём, які складаецца з адзіночнага слоя атамаў вугляроду, сабраных у . Яго тэарэтычнае даследаванне пачалося задоўга да атрымання рэальных узораў матэрыялу, паколькі з графена можна сабраць трохмерны крышталь графіта. Графен з’яўляецца базай для пабудовы тэорыі гэтага крышталя. Графіт з’яўляецца паўметалам, і, як было паказанаWallace P. R. «The Band Theory of Graphite», Phys. Rev. 71, 622 (1947) ў 1947 годзе Ф. Уолесам, у графена таксама адсутнічае забароненая зона, прычым у пунктах судакранання і электронаў і дзірак лінейны як функцыя . Такога роду спектрам валодаюць бязмасавыя фатоны і ультрарэлятывісцкія часціцы, а таксама нейтрына. Таму кажуць, што электронаў і дзірак у графене паблізу пункта судакранання роўная нулю. Але тут трэба адзначыць, што, нягледзячы на падобнасць фатонаў і бязмасавых носьбітаў, у графена ёсць некалькі істотных адрозненняў, якія робяць носьбіты ў ім унікальнымі па сваёй фізічнай прыродзе, а іменна: электроны і дзіркі з’яўляюцца ферміёнамі, і яны зараджаныя. У цяперашні час аналагаў для гэтых бязмасавых зараджаных ферміёнаў сярод вядомых элементарных часціц няма.
Нягледзячы на такія спецыфічныя асаблівасці, да 2005 года эксперыментальнага пацвярджэння гэтыя вывады не атрымалі, бо не ўдавалася атрымаць графен. Акрамя таго, яшчэ раней было тэарэтычна паказана, што свабодную ідэальную двухмерную плёнку атрымаць немагчыма з-за нестабільнасці адносна згортвання ці скручванняShioyama H. Cleavage of graphite to graphene J. Mat. Sci. Lett. 20, 499—500 (2001)Peierls R., Helv. Phys. Acta 7, 81 (1934); Peierls R., Ann. I. H. Poincare 5, 177 (1935); Landau L. D., Phys. Z. Sowjetvunion 11, 26 (1937). Цеплавыя флуктуацыі прыводзяць да плаўлення двухмернага крышталя пры любой канечнай тэмпературы.
Цікавасць да графена паявілася зноў пасля адкрыцця вугляродных нанатрубак, бо ўся першапачатковая тэорыя графена будавалася на простай модэлі разгортвання цыліндра нанатрубкі. Таму тэорыя для графена ў прымяненні да нанатрубак добра прапрацавана.
Спробы атрымання графена, прымацаванага да іншага матэрыялу, пачаліся з эксперыментаў, якія выкарыстоўвалі просты аловак, і працягнуліся з выкарыстаннем Zhang Y. et al. Fabrication and electric-field-dependent transport measurements of mesoscopic graphite devices Appl. Phys. Lett. 86, 073104 (2005) для механічнага выдалення слаёў графіту, але не дасягнулі поспеху. Выкарыстанне графіту з (інтэркаліраваны графіт — злучэнні, падобныя графітыду калію KC8) у міжплоскасную прастору чужароднымі атамамі (выкарыстоўваецца для павелічэння адлегласці паміж суседнімі слаямі і іх расшчаплення) таксама не прывяло да выніку.
У 2004 годзе навукоўцамі Андрэем Геймам і Канстанцінам Навасёлавым з Манчэстэрскага ўніверсітэта была апублікаваная праца ў часопісе Science, дзе паведамлялася аб атрыманні графена на падкладцы акісленага крэмнію. Такім чынам, стабілізацыя двухмернай плёнкі дасягалася дзякуючы наяўнасці сувязі з тонкім слоем дыэлектрыка па аналогіі з тонкімі плёнкамі, вырашчанымі з дапамогай . Упершыню былі вымераныя праводнасць, , эфект Хола для узораў, якія складаліся з плёнак вугляроду атамарнай таўшчыні.
Метад лушчэння з’яўляецца даволі простым і гібкім, бо дазваляе працаваць з усімі слаістымі крышталямі, то-бок тымі матэрыяламі, якія прадстаўляюцца як слабазвязаныя (у параўнанні з сіламі ў плоскасці) слаі двухмерных крышталёў. У наступнай працы аўтары паказалі, што яго можна выкарыстоўваць для атрымання іншых двухмерных крышталёў: , MoS2, , Bi2Sr2CaCu2Ox.
У 2011 годзе навукоўцы з Нацыянальнай радыёастранамічнай абсерваторыі абвясцілі, што ім, верагодна, удалося зарэгістраваць графен ў касмічнай прасторы (планетарныя туманнасці ў Магеланавых аблоках)В Магеллановых облаках нашли следы графена.
Атрыманне