МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Слов'янськийПедагогічний Державний університет
КАФЕДРАФІЗИКИ
КУРСОВАРОБОТА
Затемі: Графен і його властивості. Нобелівська премія 2010 року з фізики
Виконала
студентка 3-го курсу,
фізико-математичного факультету, Група 3
Щербина І.Л.
Викладач
Костіков А.П
Слов'янськ2011р.
Зміст
1. Історія відкриття
2. Отримання
3. Дефекти
4. Можливі застосування
5. Фізика
5.1 Теорія
5.1.1 Кристалічнаструктура
5.1.2 Зонна структура
5.1.3 Лінійний закон дисперсії
5.1.4 Ефективна маса
5.1.5 Хіральність іпарадокс Клейна
5.2 Експеримент
5.2.1 Провідність
5.2.2 Квантовий ефектХолла
6. Цікаві факти
Література
1. Історіявідкриття
Графенє двовимірним кристалом,складається з одиночного шару атомів вуглецю, зібраних в гексагональну решітку.Його теоретичне дослідження почалося задовго до отримання реальних зразківматеріалу, оскільки із графена можна зібрати тривимірний кристал графіту.
Графенє базою для побудови теорії цього кристала. Графіт є напівметали. Як було показано в 1947 році П. Воллес, в зонної структурі графена також відсутня заборонена зона, причому в точкахзіткнення валентної зони, і зони провідності енергетичний спектр електронів і дірок лине,як функція хвильового вектора. Такогороду спектром, мають безмасові фотони і ультрарелятивістських частинки, а також нейтрино. Тому кажуть, що ефективна маса електронів і дірок в графені поблизу точкидотику зон дорівнює нулю. Але тут варто зауважити, що незважаючи насхожість фотонів і безмассових носіїв, у графені існує кількасуттєвих відмінностей, що роблять носії в графені унікальними за своєюфізичну природу, а саме: електрони і дірки є фермионами, і вони заряджені. В данийчас аналогів для цих безмассових заряджених Ферміон серед відомихелементарних частинок немає.
Незважаючина такі специфічні особливості, експериментального підтвердження ці висновкине отримали до2005 року, оскільки не вдавалося створитиграфен. Крім того, ще раніше було доведено теоретично, що вільнуідеальну двовимірну плівку отримати неможливо через нестабільністьщодо згортання або скручування. Теплові флуктуації призводять доплавлению двовимірного кристала при будь кінцевій температурі.
Інтересдо графену з'явився знов після відкриття вуглецевихнанотрубок, оскільки вся первісна теорія будувалася на простій моделінанотрубки як розгортки циліндра. Тому теорія для графену в додатку донанотрубкам добре опрацьована.
Спробиотримання графена, прикріпленого до іншого матеріалу, почалися з експериментів,використовують простий олівець, і продовжилися з використанням атомно-силового мікроскопа длямеханічного видалення шарів графіту, але не досягли успіху. Використання графітуз впровадженими (інтеркальованого графіт) в межплоскостное простір чужоріднимиатомами (використовується для збільшення відстані між сусідніми шарами і їхрозщеплення) також не призвело до результату.
В2004 році російські та британськими вченими була опублікована робота в журналіScience, де повідомлялося про отримання графена на підкладці окисленого кремнію.Таким чином, стабілізація двовимірній плівки досягалася завдяки наявностізв'язку з тонким шаром діелектрика SiO2 за аналогією з тонкими плівками, вирощенимиза допомогою МПЕ. Вперше були виміряні провідність, ефект Шубнікова-де Гааза, ефект Холла для зразків, що складаються із плівоквуглецю з атомарної товщиною.
Методзлущення є досить простим і гнучким, оскільки дозволяє працюватиз усіма шаруватими кристалами, тобто тими матеріалами, якіпредставляються як слабо (в порівнянні з силами в площині) пов'язані шаридвовимірних кристалів. У подальшій роботі автори показали, що його можнавикористовувати для отримання інших двовимірних кристалів: BN, MoS2, NbSe2,Bi2Sr2CaCu2Ox.
2.Отримання
Шматочкиграфену отримують при механічному впливі на високоорієнтивані піролитичнийграфіт або киш-графіт. Спочатку плоскішматки графіту поміщають між липкими стрічками (скотч) і розщеплюють раз за разом,створюючи досить тонкі шари (серед багатьох плівок можуть траплятисяодношарові і двуслойниє, які і становлять інтерес). Після злущенняскотч з тонкими плівками графіту притискають до підкладки окисленого кремнію. Прицьому важко отримати плівку визначеного розміру і форми у фіксованихчастинах підкладки (горизонтальні розміри плівок складають зазвичай близько 10 мкм). Знайденіза допомогою оптичного мікроскопа (вони слабо видні при товщинідіелектрика 300 нм) плівки підготовляють для вимірювань. Товщину можнавизначити за допомогою атомно-силового мікроскопа (вона може варіюватися вмежах 1 нм для графену) або, використовуючи комбінаційне розсіювання. Використовуючистандартну електронну літографію іреактівное плазмове травлення, задають формуплівки для електрофізичних вимірів.
Шматочкиграфена також можна приготувати з графіту, використовуючи хімічні методи.Спочатку мікрокристали графіту піддаються дії суміші сірчаної і соляноїкислот. Графіт окислюється і на краях зразка з'являються карбоксильні групи графена. Їх перетворюють на хлориди за допомогою тіонілхлориду. Потім під дією октадециламіну в розчинах тетрагідрофурану, тетрахлорметану і дихлоретан вони переходять в графенові шари товщиною0,54 нм. Цей хімічний метод неєдиний, і, змінюючи органічні розчинники і хімікати, можна отриматинанометрові шари графіту.
Встаттях описаний ще один хімічний метод отримання графена, вбудованого в полімерну матрицю. Слід згадати ще два методи:радіочастотне плазмохимическое осадження з газової фази (англ. PECVD ), зростання при високомутиску і температурі (англ. HPHT ). З цих методівтільки останній можна використовувати для отримання плівок великої площі.
Якщокристал піролітичної графіту і підкладку помістити між електродами, то, можнадомогтися того, що шматочки графіту з поверхні, серед яких можуть виявитисяплівки атомарної товщини, під дією електричного поля можуть переміщатисяна підкладку окисленого кремнію. Для запобігання пробою (між електродамиприкладали напруга від 1 до 13 кВ) між електродами також поміщали тонкупластину слюди.
Існуєтакож кілька повідомлень, присвячених отриманню графена, вирощеного напідкладках карбіду кремнію SiC (0001). Графітова плівка формуєтьсяпри термічному розкладанні поверхні підкладки SiC (цей метод отриманняграфена набагато ближче до промислового виробництва), причому якість вирощеноїплівки залежить від того, яка стабілізація біля кристала: C - стабілізованаабо Si - стабілізованаповерхня - в першому випадку якість плівок вище. У роботах та ж групадослідників показала, що, незважаючи на те, що товщина шару графітустановить більше одного моношару, в провідності бере участь тільки один шар вбезпосередній близькості від підкладки, оскільки на кордоні SiC-C черезрізниці робіт виходи двох матеріалів утворюєтьсянескомпенсований заряд. Властивості такої плівки виявилися еквівалентнівластивостям графена.
3.Дефекти
Ідеальнийграфен складається виключно з шестикутних осередків. Присутність п'яти-ісемикутної осередків буде призводити до різного роду дефектам.
Наявністьп'ятикутних осередків призводить до згортання атомної площини в конус. Структураз 12 такими дефектами одночасно відома під назвою фулерен. Присутність семикутної осередківпризводить до утворення сідлоподібних викривлень атомної площини. Комбінаціяцих дефектів і нормальних осередків може призводити до утворення різних формповерхні.
4.Можливі застосування
Вважається,що на основі графену можна сконструювати балістичний транзистор. У березні2006 року група дослідників з технологічного інституту штату Джорджіязаявила, що ними був отриманий польовий транзистор на графені, а ...
