Koszyk

Właściwości elektroniczne

Jedną z najbardziej użytecznych właściwości grafenu jest to, że jest on półmetalem o zerowej nakładce (z dziurami i elektronami jako nośnikami ładunku) o bardzo wysokiej przewodności elektrycznej. Atomy węgla posiadają w sumie 6 elektronów; 2 w powłoce wewnętrznej i 4 w powłoce zewnętrznej. 4 elektrony powłoki zewnętrznej w pojedynczym atomie węgla są dostępne dla wiązań chemicznych, ale w grafenie każdy atom jest połączony z 3 innymi atomami węgla na płaszczyźnie dwuwymiarowej, pozostawiając 1 elektron swobodnie dostępny w trzecim wymiarze dla przewodnictwa elektronowego. Te wysoce ruchliwe elektrony nazywane są elektronami pi (π) i znajdują się powyżej i poniżej arkusza grafenu. Te orbitale pi zachodzą na siebie i pomagają wzmocnić wiązania węgiel-węgiel w grafenie. Zasadniczo, właściwości elektroniczne grafenu są dyktowane przez wiązanie i anty-wiązanie (pasma walencyjne i przewodzenia) tych orbitali pi.

Połączone badania z ostatnich 50 lat dowiodły, że w punkcie Diraca w grafenie, elektrony i dziury mają zerową masę efektywną. Dzieje się tak, ponieważ relacja energia – ruch (widmo dla wzbudzeń) jest liniowa dla niskich energii w pobliżu 6 indywidualnych narożników strefy Brillouina. Te elektrony i dziury znane są jako fermiony Diraca, lub grafiny, a 6 narożników strefy Brillouina znanych jest jako punkty Diraca. Ze względu na zerową gęstość stanów w punktach Diraca, przewodnictwo elektroniczne jest w rzeczywistości dość niskie. Jednak poziom Fermiego można zmienić poprzez domieszkowanie (elektronami lub dziurami), tworząc materiał, który potencjalnie lepiej przewodzi prąd niż na przykład miedź w temperaturze pokojowej.

Testy wykazały, że ruchliwość elektronowa grafenu jest bardzo wysoka, z wcześniej zgłoszonymi wynikami powyżej 15 000 cm2-V-1-s-1 i teoretycznie potencjalnymi granicami 200 000 cm2-V-1-s-1 (ograniczonymi przez rozpraszanie fotonów akustycznych grafenu). Mówi się, że elektrony grafenowe w swojej mobilności zachowują się bardzo podobnie do fotonów, ze względu na brak masy. Te nośniki ładunku są w stanie przemieszczać się na submikrometrowe odległości bez rozpraszania; zjawisko to znane jest jako transport balistyczny. Czynnikami ograniczającymi będą jednak jakość grafenu i zastosowanego podłoża. W przypadku dwutlenku krzemu jako podłoża, na przykład, mobilność jest potencjalnie ograniczona do 40,000 cm2-V-1-s-1.

Wytrzymałość mechaniczna

Kolejną wyróżniającą się właściwością grafenu jest jego wrodzona wytrzymałość. Ze względu na siłę wiązań węglowych o długości 0,142 Nm, grafen jest najmocniejszym materiałem, jaki kiedykolwiek odkryto, z wytrzymałością na rozciąganie 130 000 000 000 000 paskali (lub 130 gigapaskali), w porównaniu do 400 000 000 dla stali konstrukcyjnej A36 lub 375 700 000 dla Aramidu (Kevlaru). Grafen jest nie tylko niezwykle wytrzymały, ale również bardzo lekki – 0,77 miligrama na metr kwadratowy (dla porównania, 1 metr kwadratowy papieru jest około 1000 razy cięższy). Często mówi się, że pojedynczy arkusz grafenu (mający grubość zaledwie 1 atomu), o rozmiarach wystarczających do pokrycia całego boiska piłkarskiego, ważyłby poniżej 1 grama.

Co czyni go szczególnie wyjątkowym, to fakt, że grafen posiada również właściwości sprężyste, będąc w stanie zachować swój początkowy rozmiar po odkształceniu. W 2007 roku przeprowadzono badania z użyciem mikroskopu sił atomowych (AFM) na arkuszach grafenu zawieszonych nad wgłębieniami z dwutlenku krzemu. Badania te wykazały, że arkusze grafenu (o grubości od 2 do 8 Nm) mają stałe sprężystości rzędu 1-5 N/m i moduł Younga (inny niż w przypadku trójwymiarowego grafitu) wynoszący 0,5 TPa. Ponownie, te superlatywne liczby są oparte na teoretycznych perspektywach przy użyciu grafenu, który jest nieskazitelny, nie zawiera żadnych niedoskonałości i jest obecnie bardzo drogi i trudny do sztucznego odtworzenia, chociaż techniki produkcji stale się poprawiają, ostatecznie zmniejszając koszty i złożoność.

Właściwości optyczne

Zdolność grafenu do pochłaniania dość dużej ilości 2,3% białego światła jest również unikalną i interesującą właściwością, szczególnie biorąc pod uwagę, że ma on tylko 1 atom grubości. Wynika to z jego wspomnianych wcześniej właściwości elektronicznych; elektrony zachowują się jak bezmasowe nośniki ładunku o bardzo dużej ruchliwości. Kilka lat temu udowodniono, że ilość pochłanianego światła białego zależy od Stałej Struktury Drobinowej, a nie jest podyktowana specyfiką materiału. Dodanie kolejnej warstwy grafenu zwiększa ilość pochłanianego światła białego o mniej więcej taką samą wartość (2,3%). Nieprzezroczystość grafenu wynosząca πα ≈ 2,3% odpowiada uniwersalnej wartości przewodności dynamicznej G=e2/4ℏ (±2-3%) w zakresie częstotliwości widzialnych.

Dowiedz się więcej o nowej ofercie grafenowych tranzystorów polowych Graphenea dla biosensorów tutaj.

Dzięki tym imponującym właściwościom, zaobserwowano, że gdy intensywność optyczna osiągnie pewien próg (znany jako fluencja nasycenia) następuje absorpcja nasycalna (światło o bardzo wysokiej intensywności powoduje zmniejszenie absorpcji). Jest to ważna cecha w odniesieniu do mode-lockingu laserów światłowodowych. Dzięki właściwościom grafenu polegającym na niewrażliwej na długość fali ultraszybkiej absorpcji nasycającej, osiągnięto pełnozakresową blokadę trybu przy użyciu domieszkowanego erbem dyssypatywnego solitonowego lasera światłowodowego zdolnego do uzyskania dostrojenia długości fali tak dużego jak 30 nm.

Jeśli chodzi o to, jak daleko jesteśmy na drodze do zrozumienia prawdziwych właściwości grafenu, to jest to tylko wierzchołek góry lodowej. Zanim grafen zostanie mocno zintegrowany z obszarami, w których wierzymy, że będzie się wyróżniał, musimy poświęcić znacznie więcej czasu na zrozumienie tego, co czyni go tak niesamowitym materiałem. Niestety, o ile nie brakuje nam wyobraźni w wymyślaniu nowych zastosowań grafenu, o tyle potrzeba czasu, aby w pełni zrozumieć, czym tak naprawdę jest grafen, aby te pomysły mogły stać się rzeczywistością. Niekoniecznie jest to jednak zła rzecz, ponieważ daje nam to możliwość natknięcia się na inne, wcześniej niedostatecznie zbadane lub przeoczone supermateriały, takie jak rodzina dwuwymiarowych struktur krystalicznych, które zrodził grafen.