Mis vahe on grafeenil ja grafiidil?
Tähelepanuväärne keemiline element, süsinik, on keemiliste elementide perioodilisuse tabeli teise perioodi neljateistkümnendas rühmas mugavalt 6. kohal. Iidsetest aegadest on inimesed tundnud teemanti ja grafiiti, kahte selle elemendi enam kui üheksast seni avastatud allotroopsest modifikatsioonist. Muide, just süsinikul on võrreldes teiste ainetega tänapäeva teadusele teadaolevalt suurim arv allotroopseid modifikatsioone.
Allotroopia tähendab võimalust, et looduses eksisteerib sama keemiline element kahe või enama lihtsa aine kujul, nn allotroopsete vormide või allotroopsete modifikatsioonidena, mis põhjustavad nende ainete erinevusi nii struktuuris kui ka omadustes. Seega on süsinikul 8 sellist põhivormi: teemant, grafiit, lonsdaleiit, fullereenid (C60, C540 ja C70), amorfne süsinik ja ühe seinaga nanotoru.
Nende süsinikuvormide hulgas on täiesti erinevad omadused ja iseloom: pehmed ja kõvad, läbipaistvad ja läbipaistmatud, odavad ja kallid ained. Võrrelgem aga kahte sarnast süsiniku modifikatsiooni — grafiiti ja grafeeni.
Graffitiga oleme tuttavad juba kooliajast.Tavalise pliiatsi plii on täpselt grafiit. See on katsudes üsna pehme, libe ja rasvane, kristallid on plaadid, aatomite kihid asetsevad üksteise kohal, mistõttu nt paberile hõõrudes kooruvad grafiidi kihilise kristallstruktuuri üksikud helbed kergesti maha. , jättes paberile iseloomuliku tumeda jälje.
Grafiit juhib elektrivoolu hästi, selle takistus on keskmiselt 11 Ohm * mm2 / m, kuid grafiidi juhtivus ei ole selle kristallide loomuliku anisotroopia tõttu sama. Seega on juhtivus piki kristalli tasapinda sadu kordi suurem kui juhtivus neil tasanditel. Grafiidi tihedus on 2,08–2,23 g / cm3.
Looduses tekib grafiit kõrgel temperatuuril tard- ja vulkaanilistes kivimites, skarnides ja pegmatiitides. See esineb kvartsveenides koos mineraalidega hüdrotermilistes keskmise temperatuuriga polümetallide hoiustes. See on laialt levinud moondekivimites.
Nii on alates 1907. aastast Madagaskari saarel välja töötatud maailma suurimad loodusliku helveste grafiidi varud. Saar koosneb eelkambriumi moondekivimitest, mis tõusevad pinnale mägisel maastikul, mille hüpsomeetrilised märgid on 4000–4600 jalga. Grafiiti leidub siin 400 miili pikkuses vöös ja see domineerib saare keskosa idaosas asuvates mägedes.
Erinevalt grafiidist ei ole grafeenil masskristallstruktuuri; sellel on kahemõõtmeline kuusnurkne kristallvõre, mille paksus on ainult üks aatom. Sellise allotroopse modifikatsiooni korral ei esine süsinikku üldse looduslikult, vaid teoreetiliselt saab seda kunstlikult saada. Võime öelda, et grafiidi mitmekihilisest masskristallstruktuurist tahtlikult eraldatud tasapind on just see grafeen.
Teadlastel ei õnnestunud algselt saada grafeeni lihtsa kahemõõtmelise kile kujul, kuna sellel kujul oli aine ebastabiilsus. Ränioksiidsubstraadil (tänu sidemele dielektrilise kihiga) oli aga siiski võimalik saada ühe aatomi paksust grafeeni: 2004. aastal avaldasid Vene teadlased Andrei Geim ja Konstantin Novoselov Manchesteri ülikoolist aruande ajakirjas Science. grafeeni sel viisil saamise kohta.
Ja tänapäevalgi on õigustatud sellised lihtsad meetodid grafeeni saamiseks uurimistööks, nagu süsinikmonokihi mehaaniline koorimine massigrafiidikristallilt kleeplindi (ja sarnaste meetodite) abil.
Teadlased usuvad, et tänu nende edusammudele tekib peagi uus grafeenipõhise nanoelektroonika klass, kus väljatransistorid on alla 10 nm paksused. Fakt on see, et elektronide liikuvus grafeenis on nii suur (10 000 cm2 / V * s), et see tundub tänapäeval kõige lootustandvam alternatiiv tavapärasele ränile.
Suur kandeliikuvus on elektronide ja aukude võime ülikiiresti reageerida rakendatud elektriväljade mõjule ning see on ülimalt oluline tänapäevase elektroonika põhilise tööüksuse väljatransistoride puhul.
Samuti on väljavaateid erinevate bioloogiliste ja keemiliste andurite, samuti õhukeste kilede loomiseks fotogalvaanilistele seadmetele ja puutetundlikele ekraanidele. Kõigest sellest hoolimata on grafeeni soojusjuhtivus 10 korda kõrgem kui vasel ja see kriteerium on elektroonika jaoks alati väga oluline.