Kāda ir atšķirība starp grafēnu un grafītu?
Ievērojams ķīmiskais elements, ogleklis, ir tāds, kas ērti atrodas 6. grupā ķīmisko elementu periodiskās tabulas otrā perioda četrpadsmitajā grupā. Kopš seniem laikiem cilvēki ir pazinuši dimantu un grafītu, divas no vairāk nekā deviņām līdz šim atklātajām šī elementa allotropajām modifikācijām. Starp citu, tieši ogleklim, salīdzinot ar citām vielām, ir lielākais mūsdienu zinātnei zināmais alotropo modifikāciju skaits.
Allotropija nozīmē iespēju, ka dabā pastāv viens un tas pats ķīmiskais elements divu vai vairāku vienkāršu vielu veidā, tā sauktās allotropās formas vai allotropās modifikācijas, kas izraisa šo vielu atšķirības gan struktūrā, gan īpašībās. Tātad ogleklim ir 8 šādas pamatformas: dimants, grafīts, lonsdaleīts, fullerēni (C60, C540 un C70), amorfais ogleklis un vienas sienas nanocaurule.
Starp šīm oglekļa formām ir pilnīgi atšķirīgas īpašības un raksturs: mīkstas un cietas, caurspīdīgas un necaurspīdīgas, lētas un dārgas vielas. Tomēr salīdzināsim divas līdzīgas oglekļa modifikācijas — grafītu un grafēnu.
Mēs visi esam pazīstami ar grafiti kopš skolas laikiem.Parasta zīmuļa svins ir tieši grafīts. Uz tausti tas ir diezgan mīksts, slidens un taukains, kristāli ir plāksnītes, atomu slāņi atrodas viens virs otra, tāpēc berzējot, piemēram, uz papīra, viegli nolobās atsevišķas grafīta kārtainās kristāliskās struktūras pārslas. , atstājot uz papīra raksturīgu tumšu pēdu.
Grafīts labi vada elektrisko strāvu, tā pretestība ir vidēji 11 omi * mm2 / m, bet grafīta vadītspēja nav vienāda tā kristālu dabiskās anizotropijas dēļ. Tādējādi vadītspēja gar kristāla plaknēm ir simtiem reižu lielāka nekā vadītspēja šajās plaknēs. Grafīta blīvums ir no 2,08 līdz 2,23 g / cm3.
Dabā grafīts veidojas augstā temperatūrā magmatiskajos un vulkāniskajos iežos, skarnos un pegmatītos. Tas notiek kvarca vēnās ar minerāliem hidrotermālās vidējās temperatūras polimetālu nogulsnēs. Tas ir plaši izplatīts metamorfajos iežos.
Tādējādi kopš 1907. gada Madagaskaras salā ir izveidotas pasaulē lielākās dabiskā pārslu grafīta rezerves. Sala sastāv no prekembrija metamorfiskiem iežiem, kas paceļas uz virsmu kalnainā reljefā ar hipsometriskām atzīmēm 4000–4600 pēdu augstumā. Grafīts šeit atrodas 400 jūdžu garā joslā un dominē kalnos salas centra austrumu daļā.
Grafēnam, atšķirībā no grafīta, nav lielapjoma kristāla struktūras; tajā ir divdimensiju sešstūra kristāla režģis, kura biezums ir tikai viens atoms. Šādā alotropā modifikācijā ogleklis dabā vispār nenotiek, bet teorētiski to var iegūt mākslīgi. Mēs varam teikt, ka plakne, kas apzināti atdalīta no grafīta daudzslāņu lielapjoma kristāla struktūras, būs tieši šis grafēns.
Zinātnieki sākotnēji nevarēja iegūt grafēnu vienkāršas divdimensiju plēves veidā, jo šajā formā bija vielas nestabilitāte. Tomēr uz silīcija oksīda substrāta (sakarā ar saiti ar dielektrisko slāni) joprojām bija iespējams iegūt viena atoma biezu grafēnu: 2004. gadā krievu zinātnieki Andrejs Geims un Konstantīns Novoselovs no Mančestras universitātes publicēja ziņojumu Science par grafēna iegūšanu šādā veidā.
Un arī mūsdienās šādas vienkāršas metodes grafēna iegūšanai pētniecībai, piemēram, oglekļa monoslāņa mehāniska atslāņošanās no masveida grafīta kristāla, izmantojot līmlenti (un līdzīgas metodes), ir pamatotas.
Pētnieki uzskata, ka, pateicoties viņu progresam, drīzumā parādīsies jauna grafēna nanoelektronikas klase, kurā lauka efekta tranzistori būs mazāki par 10 nm. Fakts ir tāds, ka elektronu mobilitāte grafēnā ir tik augsta (10 000 cm2 / V * s), ka šķiet, ka mūsdienās tā ir visdaudzsološākā alternatīva parastajam silīcijam.
Augsta nesēja mobilitāte ir elektronu un caurumu spēja ārkārtīgi ātri reaģēt uz pielietoto elektrisko lauku iedarbību, un tas ir ārkārtīgi svarīgi lauka efekta tranzistoriem, mūsdienu elektronikas pamata darbības vienībai.
Perspektīvas ir arī dažādu bioloģisko un ķīmisko sensoru izveidei, kā arī plānās plēves fotoelektriskajām ierīcēm un skārienekrāniem. Neskatoties uz to visu, grafēna siltumvadītspēja ir 10 reizes augstāka nekā vara, un šis kritērijs vienmēr ir ļoti svarīgs elektronikai.