Графен и фуллерен

Графен и фуллерен.
Выполнил студент 3 курса
Марков Николай
Фуллерен— молекулярное соединение,
представляющее собой выпуклые
замкнутые многогранники, составленные
из чётного числа трёхкоординированных
атомов углерода.
Фуллерен
Графен— двумерная аллотропная
модификация образованная слоем
атомов углерода толщиной в один атом,
находящихся в sp2 − гибридизации и
соединённых посредством σ- и π-связей в
гексагональную двумерную
кристаллическую решётку.
Графен
Получение графена
1. Механическое
отслаивание
Липкий скотч наклеивается на блок
графита (из которого делаются
грифели для карандашей),
прижимается, потом отделяется.
После этого скотч склеивается с
другим скотчем и разделяется,
чтобы уменьшить слой графита,
находящийся на клейкой подложке.
В итоге скотч с тонким слоем
графита прижимается к очень
гладкой поверхности (например,
кремнию) и убирается, оставляя на
кремнии слой графита в атомарных
масштабах — чистый графен.
Размер образца в таком случае
составляет менее 1 мм, а
используется он обычно в
исследованиях графена.
2. Химическое
отслаивание
Графит подвергается воздействию
растворителей, которые при
содействии ультразвука
расщепляют листы графита на
однослойные хлопья и пластинки.
Чем больше дробить графит, тем
больше будет материала. Потом
однослойные кусочки графена
можно объединить с помощью
центрифуги. Этот графен уже
можно использовать в одежде,
красках, чернилах, композитных
материалах, прозрачных
проводящих материалах и
медицине.
3. Химическое отслаивание
с применением оксида
графена
Этот метод похож на второй,
только изначально графит
подвергается окислению.
Пластинки оксида графита
подвергаются химической реакции
и получается оксид графена. Далее
включается центрифуга. Результат
посредством термической или
химической обработки
возвращается к состоянию
графена. Полученные образцы
могут быть бесконечны в своих
размерах, но превосходят те, что
получены в результате простого
химического отслаивания.
4. Химическое
осаждение из паровой
фазы
Сырье (обычно, уголь) нагревается
в печи под низким давлением до
1000 градусов Цельсия. Это
закаливает уголь. Сквозь печь
пропускаются метан и водород.
Атомы углерода из метана оседают
на угле и кристаллизуются в
графеновый лист. Размеры
образцов составляют в пределах 1
мм, но их можно использовать в
фото-, наноэлектронике,
полупроводниках и медицине.
5. Карбид кремния
Небольшой кусочек карбида
кремния (10 на 10 мм)
располагается в коробочке с
небольшой дырочкой. Коробка
заполняется аргоном или остается с
вакуумом и нагревается до 1500
градусов Цельсия. Молекулы
кремния словно «воспаряют» с
поверхности, оставляя графеновый
лист. Размер образца составляет
100 мм и может использоваться в
транзисторах или других
электрических устройствах.
Физические свойства графена
Гибридизация электронов
α-графит
β-графит
Графан-соединение графена с
водородом
Кристаллическая решетка
Графен имеет
гексагональную двумерную
кристаллическую решётку
Решетка “пчелиные соты” не является
решеткой Браве. Ее можно представить
как комбинацию двух треугольных
подрешеток: А и В
Зонная структура графена
В простом приближении сильной связи с
учетом взаимодействия ближайших
соседей П.Р. Уоллес показал, что углы
первой зоны Бриллюэна графена, имеющей
форму шестиугольника, являются точками,
в которых происходит касание валентной
зоны и зоны проводимости 2pz-электрона и
вблизи которых дисперсия электронов
является линейной. Уровень Ферми
химически чистого графена находится в
точке касания зон, в связи с чем графен
может быть назван квазидвумерным
полупроводником с нулевой щелью.
Линейный закон дисперсии. Эффективная масса.
- закон дисперсии для электронов в графене
Такого рода спектром обладает фотон, поэтому
говорят, что квазичастицы (электроны и дырки)
в графене обладают нулевой эффективной
массой. Благодаря линейному закону дисперсии
эффективная масса электронов и дырок в
графене равна нулю. Но в магнитном поле
возникает другая масса, связанная с движением
электрона по замкнутым орбитам и называемая
циклотронной массой.
Квантовый эффект Холла.
Если подать напряжение на кусочек графена
при обычных условиях, по нему потечет ток.
Однако стоит приложить магнитное поле,
силовые линии которого перпендикулярны
плоскости графена, его поведение меняется:
ток протекает только по краю кусочка, а
центральная часть становится диэлектриком.
Более того, ток течет только в одном
направлении, зависящем от направления
силовых линий магнитного поля. Этот эффект
известен как квантовый эффект Холла. Если
приложить второе магнитное поле параллельно
листу графена, то электроны получат
возможность двигаться в обоих направлениях,
причем электроны с положительным спином
будут двигаться в одном направлении, а с
отрицательным — в противоположном.
на этом принципе можно построить
транзисторы и более сложные цепи, которые
пока не удавалось реализовать средствами
существующих материалов.
Фуллерен С60
С60
С720
Атомы образуют усечённый икосаэдр,
состоящий из 20 шестиугольников и 12
пятиугольников и напоминающий
футбольный мяч. Так как каждый атом
углерода фуллерена С60 принадлежит
одновременно двум шести- и одному
пятиугольнику, то все атомы в С60
эквивалентны, что подтверждается
спектром ядерного магнитного
резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он
содержит всего одну линию. Однако не
все связи С-С имеют одинаковую длину.
Связь С=С, являющаяся общей стороной
для двух шестиугольников, составляет
1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и
пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å.
Кроме того, связь первого типа двойная,
а второго — одинарная, что существенно
для химии фуллерена С60.
Применение фуллерена
• Оптический затвор
• Материал для традиционных приложений в
электронике: диод, транзистор,
фотоэлемент и т. п.
• Фоторезистор
• Фуллереновые добавки для роста алмазных
плёнок методом CVD
• Сверхпроводящие соединения с С60
• Защитный пленки