Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Востряков В.М. 1 Волкова А.П. 1 Пирожков А.В. 1

---

1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет

В статье рассмотрены аллотропные модификации на основе углерода: графита и графена, который рассматривают как основу для наноэлектроники. Несмотря на то, что материал был синтезирован в 2005 году и получено большое количество экспериментальных данных, потенциальные возможности применения графита не исследованы до конца. Для того, чтобы лучше понять изменения свойств графена, он рассматривается в сравнение с графитом. Описаны их кристаллические структуры и состояния электронных оболочек. Приведена зона Бриллюэна, которая характеризует важные свойства распространения электронной волны в твердом теле, и поверхность Ферми для двух рассмотренных материалов. Составлена таблица изменений физических характеристик таких как: теплопроводность, модуль Юнга, плотность, коэффициент термического расширения, температура плавления, которые наблюдаются при уменьшении размеров материалов до нанодиапазона. Указаны физические причины изменения данных характеристик: классического и квантового размерных эффектов, а также влияние приповерхностной зоны. Приведена краткая характеристика данных эффектов, а также границы их применения, связанные с размерными параметрами двух данных материалов. В заключении представлена возможная область применения, которая имеет тенденцию увеличиваться в современном мире, и механизм получения данных материалов.

Статья в формате PDF

479 KB

углерод

графит

графен

размерный эффект

1. Жижин Е.В. Синтез и особенности электронной и спиновой структуры графен-содержащих систем //Санкт – Петербургский государственный университет. – 2015. – С.10.

2. Жмуриков Е.И. и др. Графит в науке и ядерной технике //Новосибирск. –2013.–198 с.

3. Пиотровский Л.Б., Кац Е.А. Нанотехнология, нанонаука и нанообъекты: что значит нано //Экология и жизнь. – 2010. – №. 8. – С. 7-13.

4. Гафнер Ю.Я. и др. Возможные механизмы роста теплоемкости в наноструктурированных металлах //Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55. – №. 10. – С. 2026-2033.

5. Rasheed A. K. et al. Graphene based nanofluids and nanolubricants–Review of recent developments //Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 63. – pp. 346-362

6. Бабичев А.В. Влияние интерфейсов и поликристаллической структуры CVD – графена на транспорт носителей заряда// Санкт – Петербургский государственный университет. – 2014. – С.107.

7. Ковтун Г.П., Веревкин А.А. Наноматериалы: технологии и материаловедение //Харьков: ННЦ ХФТИ. – 2010. – С.73.

8. Шевченко О.Ю. Основы физики твердого тела // Санкт – Петербургский государственный университет ИТМО. – 2010. – С.76.

1. Углерод

Углерод – является шестым элементом периодической таблицы, от большинства элементов отличается большим количеством возможных аллотропных модификаций.

Нейтральный атом углерода содержит 6 электронов. Два из них находятся вблизи ядра и образуют первый К-слой (1s-состояние). Следующие 4 электрона образуют второй электронный L-слой. Два из 4-х электронов находятся в 2s-, а два – в 2р-состоянии.

На рисунке 1 показана одна из аллотропных модификаций углерода, таких как графит.

Рис.1. Кристаллическая решетка графита

Графит – минерал природного происхождения, являющийся одной из многочисленных аллотропных модификаций углерода. Имеет несколько возможных кристаллических решеток:гексагональную и ромбоэдрическую. В данной статье мы не будет рассматривать метастабильную форму и ограничимся первым типом. Гексагональная решетка графита состоит только из атомов углерода, где каждый из атомов, окружен тремя аналогичными ему соседними атомами. Графит в природе обычно встречается в виде пластинок, чешуек и скоплений, которые содержат в себе разную концентрацию графита.

Кристаллическая структура. Прямая и обратная кристаллические решетки графита – гексагональные (см. рис. 1). Структура решетки представляет собой параллельные слои (базисные плоскости), образованные правильными шестиугольниками из атомов углерода. Атомы углерода в слоях располагаются, повторяясь через один, где атомы углерода имеют положение против центров шестиугольников.

Графен представляет собой однослойную двумерную углеродную структуру (Рис.2) [1], состоящую из правильных шестиугольников со стороной 0,142 нм и атомами углерода в вершинах (в случае графита данный параметр составляет 0,1418 нм).

Рис.2. Кристаллическая структура Графена [1]

Графен можно представить как «строительный блок», нанотрубок и других углеродных наноматериалов.

2. Зона Бриллюэна и поверхность Ферми для Графита и Графена

Далее речь пойдет о зоне Бриллюэна, для того чтобы дать понятие зоны Бриллюэна, рассмотрим волновой вектор k. Вектор k представляет собой одну из характеристик состояния электрона в твердом теле.

В k-пространстве, изображаются состояния электронов в зоне, где вектор задан через kx, ky, kz и размещен на трех взаимно перпендикулярных координатных осях. Если в k-пространстве из начала координат отложить вектора k, соответствующие возможным состояниям движения электронов, то концы таких векторов для всех состояний зоны в этом случае оказываются лежащими в некотором многограннике, который называется зоной Бриллюэна.

Физический смысл границ зоны Бриллюэна состоит в том, что она показывает такие значения волновых векторов или электронных квази-моментов, при значении которых электронная волна не может распространяться в твердом теле [2]. Зона Бриллюэна графита изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Первая зона Бриллюэна (ячейка Вигнера-Зейтца)

Из научно-исследовательской статьи [8], где исследовались осцилляционные явления (эффекты Хааза-Ван-Альфена и Шубникова-де-Хааза) была уточнена форма поверхности Ферми и эффективные массы носителей заряда для монокристалла графита. В первом приближении поверхность Ферми имеет форму эллипсоида вращения с соотношением осей 12,6:1 для дырок и 11:1 для электронов. Эффективные массы электронов и дырок соответственно равны 0,06m0 и 0,04m0 для движения носителей вдоль слоя и 14m0 и 5,7m0 движения перпендикулярно атомному слою, следовательно, электронные свойства монокристаллов графита имеют значительную анизотропию. На рисунке 3 показана зона Бриллюэна и поверхность Ферми для графена.

Рис.2. a) кристаллическая решетка и элементарная ячейка графена, б) зона Бриллюэна для Графена.[2]

Наиболее важными высоко симметричными точками графеновой зоны Бриллюэна являются точки, расположенные в центре и на границе зоны Бриллюэна в вершинах шестиугольника и в середине его ребер соответственно. Поверхность графена Ферми является точкой.

На представленной таблице 1 приведено сравнение некоторых характеристик представленных ранее материалов.

Таблица 1. Сравнение физико-химических свойств графена и графита

Как следует из таблицы 1, значение теплопроводности графена выше теплопроводности графита. Это может быть связано с несколькими причинами.

А) Графит представляет одну и форм углерода, однако в отличие от графена в нем присутствуют примеси металлов полученные при добыче. Например, примеси вольфрама, которые присутствуют в кварцевых жилах. Данные примеси снижают теплопроводность графита. С другой стороны, графен – это нанотрубки, очищенные от различных примесей.

Б) Динамика решетки вносит определенное влияние на тепловые характеристики вещества, которая имеет тенденцию изменять свои свойства при переходе от макроструктуре к наноструктуре. В данные тепловые свойства входят теплота плавления, теплопроводность и теплоемкость вещества, а также температуру Дебая. Данное явление проявляется в связи отношением объема поверхностного слоя к объему наноструктуры. Результатом этого становится преобладание поверхностных эффектов, которые изменяют структуру нановещества, а также изменение химических связей и других свойств. Изменение термодинамических величин является следствием развитой наноповерхности частиц и преобладанию размерных эффектов, которые ранее не имели существенного значения. Основной причиной изменения термодинамических характеристик наночастиц по сравнению с объемной фазой является изменение формы фононного спектра, что в первую очередь влияет на их теплоемкость.

На свойства наноматериалов из графена влияют такие эффекты как:

– ненасыщенность атомных связей на поверхности;

– размерная зависимость температуры плавления объясняется тем, что атомы внутри наночастиц испытывают дополнительное поверхностное давление, которое изменяет их энергию Гиббса;

– ограничение движения электронов (дырок) в наноразмерной структуре приводит (через их квантово-волновую природу) к ненулевому минимальному значению их энергии и к дискретности энергий разрешенных состояний, называемых квантовым ограничением;

– эффективный сток для кристаллических дефектов.

Графен обладает свойствами полуметалла и полупроводника; в результате квантово-размерные эффекты будут действовать на графен в форме полупроводника, поскольку размер образцов графена составляет менее 10 нм. В случае, когда графен представлен как полуметалл, на него будут влиять как классические размерные эффекты, так и квантовые размеры [3].

3. Применение графена

Материалы, изготовленные из графена имеют широкую область применения, в связи с его особыми свойствами, не присущими другим материалам. Благодаря высоким значениям проводимости равными 109 А/см позволяет использовать его как перспективный материал для проводников. Высокая прочность на разрыв среди неметаллов (, а также высокая пластичность позволяет рассматривать его как материал для механических исследований. Графен применяется в полевых транзисторах для высокочастотных аналоговых устройств, прозрачных электропроводящих материалах, фотодетекторах, катодах для холодной эмиссии, суперконденсаторах, химические сенсорах, антикоррозионных покрытиях, топливных элементах для водородной энергетики.

Библиографическая ссылка