Презентация на тему: "удивительные свойства графена нобелевская премия по физике 2010 г.". скачать бесплатно и без регистрации

Силиценовые транзисторы

Научно — исследовательская лаборатория армии США поддерживают исследования по силицену начиная с 2014 г. Заявленными целями для научно — исследовательских работ были для анализа атомного масштаба материалов, таких как силицен, для свойств и функциональных возможностей за пределами существующих материалов, такими как графно. В 2015 году Деджи Акинванде руководил исследователями Техасского университета в Остине совместно с группой Алессандро Молле из CNR, Италия, и в сотрудничестве с Исследовательской лабораторией армии США и разработал метод стабилизации силицена в воздухе и сообщил о функциональном силицена. устройство. Материал рабочего транзистора должен иметь запрещенную зону и функционировать более эффективно, если он обладает высокой подвижностью электронов. Запрещенная зона — это область между валентной зоной и зоной проводимости в материале, где нет электронов. Хотя графен обладает высокой подвижностью электронов , процесс образования запрещенной зоны в материале снижает многие другие его электрические потенциалы.

Поэтому были проведены исследования по использованию аналогов графена, таких как силицен, в качестве полевых транзисторов. Несмотря на то, что естественное состояние силицена также имеет нулевую запрещенную зону, Акинванде и Молл с коллегами в сотрудничестве с Исследовательской лабораторией армии США разработали силиценовый транзистор. Они разработали процесс, называемый «расслоение в силиценовой инкапсуляции с собственными электродами» (SEDNE), чтобы преодолеть нестабильность силицена в воздухе. Полученная в результате стабильность, как утверждается, связана с pd-гибридизацией Si-Ag. Они вырастили слой силицена поверх слоя Ag посредством эпитаксии и покрыли оба глиноземом (Al ₂ O ₃ ). Силицен, Ag и Al ₂ O ₃ хранили в вакууме при комнатной температуре и наблюдали в течение отслеживаемого периода в два месяца. Образец подвергся рамановской спектроскопии для проверки на наличие признаков разложения, но ничего не было обнаружено. Затем этот сложный пакет был уложен поверх подложки из SiO ₂ серебром вверх. Ag удаляли тонкой полоской посередине, чтобы обнажить силиценовый канал. Силиценовый канал на подложке просуществовал две минуты на воздухе, пока не потерял характерные спектры комбинационного рассеяния света. Сообщалось о ширине запрещенной зоны примерно 210 мэВ. Влияние подложки на силицен при развитии запрещенной зоны объясняется рассеянием границ зерен и ограниченным переносом акустических фононов , а также нарушением симметрии и эффектом гибридизации между силиценом и подложкой. Акустические фононы описывают синхронное движение двух или более типов атомов от их положения равновесия в структуре решетки.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах .

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд . В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung : компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Библиография

Sadeddine S, Enriquez H, Bendounan A, Kumar Das P, Vobornik I., Kara A, Mayne AJ, Sirotti F, Dujardin G, Oughaddou H. Неопровержимые экспериментальные доказательства наличия конуса Дирака в электронной структуре двумерного слоя кремния. Научный представитель 2017 10 марта; 7: 44400. DOI: 10,1038 / srep44400.
Ги Ле Лей, « Силицен по стопам графена », Pour la Science ,июль 2014
(ru) Абделькадер Кара, Ханна Энрикес, Ари Пааво Сейтсонен, Лок К. Лью Ян Вун, Себатьен Виццини, Бернар Офрей и Хамид Угадду, « Обзор силицена — нового кандидата в электронику » , Surface Science Reports , vol. 67,2012 г., стр. 1 ( DOI , Bibcode )
(ru) Себастьян Энтони , « Силицен открыл: однослойный кремний, который может превзойти графен на рынке » , extremetech.com ,30 апреля 2012 г.

Структура и свойства

Структура силицена является метастабильной, в отличие от графена он легко взаимодействует с окружающей средой: окисляется на воздухе и связывается с другими материалами. Силицен проявляет сильную склонность к образованию неровностей и гребней на его поверхности, что может являться следствием характера взаимодействия соседних атомов кремния, которые не склонны к образованию sp2-связей: разные расчёты говорят о том, что высота неровностей составляет 0.44 — 0.53 Å

Носители заряда в силицене описываются уравнением Дирака для безмассовых частиц, как и в графене, приводящей к линейному закону дисперсии, но существенным преимуществом силицена является возможность управления шириной запрещённой зоны, что важно для практического применения материала. Предполагается, что по своим свойствам силицен может быть близок к топологическим изоляторам

При помощи квантовомеханических расчётов было получено, что модуль Юнга в силицене составляет 178 ГПа и была показана возможность управлять электропроводностью силицена путём его механического растяжения, переводя его из состояния полуметалла в металл. Моделирование методом молекулярной динамики даёт меньшее значение для модуля Юнга: около 82 ГПа. При помощи теории функционала плотности показано, что подвижность носителей заряда в силицене составляет 2.57·105 м2/(В·с) при комнатной температуре.

Сходства и различия с графеном

Кремний и углерод — подобные атомы. Они лежат друг над другом в одной группе в периодической таблице , и оба имеют электронную структуру s 2 p 2 . Двумерные структуры силицена и графена также очень похожи, но оба имеют важные различия. В то время как оба образуют гексагональные структуры, графен является полностью плоским, а силицен — гексагональной формы изогнутой формы. Его изогнутая структура дает силицену регулируемую ширину запрещенной зоны за счет приложения внешнего электрического поля. Реакция гидрирования силицена более экзотермична, чем реакция графена. Другое отличие состоит в том, что, поскольку ковалентные связи кремния не имеют пи-стэкинга , силицен не образует кластеры в графитоподобную форму. Формирование выпученной структуры в силицене в отличие от плоской структуры графена было приписано сильным псевдо-ян-теллеровским искажениям, возникающим из-за вибронной связи между близко расположенными заполненными и пустыми электронными состояниями.

Силицен и графен имеют схожую электронную структуру. Оба имеют конус Дирака и линейную электронную дисперсию вокруг точек Дирака . У обоих также есть квантовый спиновый эффект Холла . Ожидается, что оба будут иметь характеристики безмассовых фермионов Дирака, которые несут заряд, но это предсказано только для силицена и не наблюдалось, вероятно, потому, что ожидается, что это произойдет только с автономным силиценом, который не был синтезирован. Считается, что подложка, на которой изготовлен силицен, оказывает существенное влияние на его электронные свойства.

В отличие от атомов углерода в графене, атомы кремния имеют тенденцию к гибридизации sp 3 по сравнению с sp 2 в силицене, что делает его высоко химически активным на поверхности и позволяет легко настраивать его электронные состояния с помощью химической функционализации.

По сравнению с графеном силицен имеет несколько важных преимуществ: (1) гораздо более сильное спин-орбитальное взаимодействие, которое может привести к реализации квантового спинового эффекта Холла при экспериментально доступной температуре, (2) лучшая настраиваемость запрещенной зоны, которая необходим для эффективного полевого транзистора (FET), работающего при комнатной температуре, (3) более легкой поляризации долины и большей пригодности для изучения долинтроники.

Исторический

Хотя еще в 1994 году теоретики рассмотрели существование силицена и предсказали некоторые из его свойств, кремниевые структуры, которые могли соответствовать этим предсказаниям, наблюдались только с 2009 года благодаря туннельной микроскопии . Листы и лента силицен самоорганизующиеся и осаждаются на монокристаллы из серебра , рассмотренных атомного разрешением, затем показали шестиугольники в сотах , в пласте , подобном графена . Из DFT расчеты показывают , что атомы кремния , как правило , в сущности , чтобы сформировать структуру на серебряной подложке, при условии , чтобы пройти небольшое коробление.

Характеристики

2D-силицен не является полностью плоским, очевидно, с искажениями в кольцах, напоминающими стул. Это приводит к появлению упорядоченной ряби на поверхности. Гидрирование silicenes к silicanes является экзотермическим . Это привело к предсказанию, что процесс превращения силицена в силикан (гидрированный силицен) является кандидатом на хранение водорода . В отличие от графита, который состоит из слабо удерживаемых стопок графеновых слоев за счет дисперсионных сил, межслоевое взаимодействие в силиценах очень сильное.

Выпучивание гексагональной структуры силицена вызвано псевдо-ян-теллеровским искажением (PJT). Это вызвано сильной вибронной связи с незанятых молекулярных орбиталей (УМО) и занятых молекулярных орбиталей (ОМО). Эти орбитали достаточно близки по энергии, чтобы вызвать искажение высокосимметричных конфигураций силицена. Изогнутая структура может быть сглажена путем подавления искажения PJT за счет увеличения энергетического зазора между UMO и OMO. Это можно сделать, добавив ион лития .

Помимо потенциальной совместимости с существующими полупроводниковыми технологиями, силицен имеет то преимущество, что его края не проявляют реакционной способности к кислороду.

В 2012 г. несколько групп независимо друг от друга сообщили об упорядоченных фазах на поверхности Ag (111). Результаты измерений с помощью сканирующей туннельной спектроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), по-видимому, показали, что силицен будет иметь такие же электронные свойства, что и графен, а именно электронную дисперсию, напоминающую дисперсию релятивистских фермионов Дирака в точках K зоны Бриллюэна , но Позднее была оспорена интерпретация, и было показано, что она возникает из-за полосы субстрата. Для интерпретации результатов ARPES использовалась техника разворачивания полос, что позволило выявить субстратное происхождение наблюдаемой линейной дисперсии.

Сообщается, что помимо серебра на ZrB растет силицен.₂, и иридий . Теоретические исследования показали, что силицен устойчив на поверхности Al (111) в виде монослоя с сотовой структурой (с энергией связи, аналогичной той, что наблюдается на поверхности Ag (111) 4×4), а также в виде новой формы, получившей название «полигональный силицен», его структура, состоящая из 3-, 4-, 5- и 6-сторонних многоугольников.

Механизм pd-гибридизации между Ag и Si важен для стабилизации почти плоских кластеров кремния и эффективности подложки Ag для роста силицена, что объясняется расчетами методом DFT и моделированием молекулярной динамики . Уникальная гибридизированная электронная структура эпитаксиального силицена 4 × 4 на Ag (111) определяет высокую химическую реакционную способность поверхности силицена, которая обнаруживается с помощью сканирующей туннельной микроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Гибридизация между Si и Ag приводит к металлическому состоянию поверхности, которое может постепенно разрушаться из-за адсорбции кислорода. Рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия подтверждает разъединение связей Si-Ag после обработки кислородом, а также относительную устойчивость поверхности Ag (111) к кислороду, в отличие от силицена 4 × 4 .

Функционализированный силицен

Помимо структуры чистого силицена, исследования функционализированного силицена привели к успешному росту органодифицированного силицена — бескислородных слоев силицена, функционализированных фенильными кольцами . Такая функционализация позволяет равномерно диспергировать структуру в органических растворителях и указывает на потенциал для ряда новых функционализированных кремниевых систем и кремнийорганических нанолистов.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак . Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Экономика инноваций

Единорог из трубки: фоторепортаж из уникального сибирского стартапа

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена