Перегляд вихідного коду сторінки Графен

{{unibox}}

'''Графе́н'''&nbsp;— {{Не перекладено|Двовимірні матеріали|двовимірний матеріал|en|Two-dimensional materials}}, одна з [[Алотропія|алотропних]] форм [[вуглець|вуглецю]], [[Мономолекулярний шар|моноатомний шар]] атомів вуглецю із [[гексагональна сингонія|гексагональною]] структурою. Графен був відкритий в [[2004]] [[Гейм Андрій Костянтинович|Андрієм Геймом]] та [[Новосьолов Костянтин Сергійович|Костянтином Новосьоловим]] із [[Манчестерський університет|Манчестерського універстету]]. За це відкриття Гейм та Новосьолов були нагороджені [[Нобелівська премія з фізики|Нобелівською премією з фізики]] за [[2010]].

Основною особливістю чистого графену&nbsp;— двовимірної модифікації вуглецю&nbsp;— є відсутність у ньому забороненої зони, ширина якої дорівнює нулю<ref>{{Cite web |url=http://lenta.ru/articles/2014/09/11/graphene/ |title=Новая физика, новые материалы. Нобелевские лауреаты создали прообраз графенового транзистора |accessdate=16 вересня 2014 |archive-date=16 вересня 2014 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140916112715/http://lenta.ru/articles/2014/09/11/graphene/ }}</ref>.

== Загальна характеристика ==
Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар у структурі [[графіт]]у&nbsp;— атоми [[вуглець|вуглецю]] утворюють стільникову структуру з міжатомною відстанню 0,142&nbsp;[[метр|нм]]. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладці. Більше того, графен був отриманий також без підкладки у вільному підвішеному стані, розтягнутий на опорах.

Гейм і Новосьолов отримали графен, здираючи графіт з підкладки шар за шаром. Їм уперше у світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.

Тоді ж Гейм із співробітниками запропонували так званий [[балістичний транзистор]] на базі графену. Графен відкриває перспективи створення [[транзистор]]ів й інших [[напівпровідниковий прилад|напівпровідникових приладів]] з дуже малими габаритами (порядку декількох [[нанометр]]ів). Зменшення довжини каналу транзистора приводить до зміни його властивостей. У наносвіті підсилюється роль [[Квантова механіка|квантових ефектів]]. [[Електрон]]и переміщаються каналом балістично, як [[корпускулярно-хвильовий дуалізм|хвиля де Бройля]], а це зменшує кількість зіткнень й, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.

Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» [[вуглецеві нанотрубки|вуглецевої нанотрубки]]. Підвищена [[мобільність]] [[електрон]]ів переводить його в розряд найперспективніших [[матеріал]]ів для [[нанотехнологія|наноелектроніки]].

Особливістю графену є його [[зонна теорія|зонна структура]] із [[закон дисперсії|законом дисперсії]], що за формою є аналогічним закону дисперсії релятивістських квантових частинок. Елементарні збудження в графені описуються [[Рівняння Дірака (графен)|рівняннями аналогічними]] [[рівняння Дірака|рівнянню Дірака]].

Оскільки з моменту одержання графену пройшло небагато часу, його властивості поки що вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів вже є.

== Властивості ==

=== Електронні властивості ===
За своїми електронними властивостями графен відрізняється від тривимірного графіту. Його можна охарактеризувати як [[Напівметали|напівметал]], або ж як [[надпровідник]] із нульовою [[ширина забороненої зони|шириною забороненої зони]]. [[Зона провідності]] та [[валентна зона]] графену змикаються, але не в центрі [[зона Брілюена|зони Брілюена]], а в особливих точках на її краях. Цих точок шість, вони попарно еквівалентні, їх називають ''точками Дірака''. Як наслідок, зони [[парабола|непараболічні]], [[ефективна маса]] [[носії заряду|носіїв заряду]] дорівнює нулю. Наближене [[квантова механіка|квантове]] [[рівняння руху]], що описує електронні збудження в графені, має форму, схожу на релятивістське [[рівняння Дірака]]. Закон дисперсії поблизу точок Дірака задається рівнянням
: <math> E = v_F \sqrt{k_x^2 + k_y^2} </math>,

де <math> E </math>&nbsp;— енергія збудження, <math> v_F </math>&nbsp;— швидкість Фермі, <math> k_x </math> та <math> k_y </math>&nbsp;— компоненти [[хвильовий вектор|хвильового вектора]].

Така зонна структура цікава для фізиків, оскільки відкриває перспективу моделювання [[релятивістський ефект|релятивістських ефектів]] при швидкостях, набагато менших від [[швидкість світла|швидкості світла]]. Роль швидкості світла грає в графені швидкість Фермі <math> v_F </math>, яка в 300 разів менша.

=== Транспорт ===
Теоретично графен має нульову [[густина станів|густину станів]] в точках Дірака, які відповідають [[рівень Фермі|рівню Фермі]] при нульовій температурі, тож не повинен проводити [[електричний струм]]. Однак, практично, він має [[електропровідність|провідність]], порівняну за величиною зі значенням <math> 4 e^2/h </math>, де <math> e </math>&nbsp;— [[елементарний електричний заряд]], h&nbsp;— [[стала Планка]]. Причина провідності досі остаточно не з'ясована. Можливо, [[носії заряду]] потрапляють на графен із підкладки, або ж причиною появи носіїв заряду є коругована поверхня матеріалу, при якій носії заряду перерозподіляються, а, можливо, причиною є домішки.

Для підвищення [[Провідність|провідності]] у графен додають контрольовані [[Домішка (хімія)|домішки]].

=== Оптичні властивості ===
Попри те, що графен має моноатомний шар, він не зовсім прозорий. Здатність графену поглинати [[світло]] в оптичному діапазоні не залежить від довжини хвилі й дорівнює <math> \pi \alpha </math> ≈ 2,3&nbsp;%, де <math> \alpha </math>&nbsp;— [[стала тонкої структури]], [[фізичні константи|фундаментальна константа]], що має важливе значення в [[квантова електродинаміка|квантовій електродинаміці]]<ref name =Kuz_2008>A. B. Kuzmenko, E. van Heumen, F. Carbone. and D. van der Marel. Universal dynamical conductance in graphite, Phys. Rev. Lett. 100, 117401 (2008).</ref>. Попри те, що графен досить прозорий, його все ж таки можна бачити, коли графен лежить на поверхні кремнієвих підкладок. Це пов'язано з тим, що на поверхні цих підкладок є тонкий шар оксиду кремнію SiO2&nbsp;— близько 300 нм, у цьому шарі між графеном та неоксидованим кремнієм виникає інтерференція світла, як наслідок графен можна бачити навіть у звичайний мікроскоп. Саме так графен було вперше виявлено. Пізніше було доведено, що кремнієві підкладки з оксидованим шаром завтовшки 90 нм дають навіть кращий контраст<ref>[http://arxiv.org/pdf/0705.0259v3.pdf/ Making graphene visible]{{Недоступне посилання|date=липень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}</ref>.

Незвичайні оптичні властивості графену пояснюються його [[зонна теорія|зонною структурою]]&nbsp;— [[ширина забороненої зони]] дорівнює нулю і [[зона провідності]] та [[валентна зона]] не параболічні, як для [[електрон провідності|електронів]] у більшості [[тверде тіло|твердотілих]] матеріалів, а [[конус|конічні]].

==== Теорія ====

У загальному випадку дійсна частина динамічної [[електропровідність|провідності]] визначається формулою:
: <math>G_R = \frac{\pi e^2}{\omega} v(\omega)^2D(\omega)\left[f\left(-\frac{\hbar \omega}{2}\right) - f\left(\frac{\hbar \omega}{2}\right)\right], \ </math>

де <math>v(\omega) - \ </math> [[матричний елемент]] швидкості переходу з поглинанням [[фотон]]а, <math>D(\omega)- \ </math> [[густина станів]] в графені, :<math>f(E) = \frac{1}{\exp (E/T)+1} \ </math> статистичний [[розподіл Фермі-Дірака]], <math>E- \ </math> енергія, <math>T- \ </math> температура та <math>\omega - \ </math> частота [[фотон]]а.

Для графену густина станів приблизно дорівнює:

: <math>D(\omega) \approx  \frac{\hbar \omega}{t^2a^2} \ </math>,

де <math>t - \ </math> енергія переносу збудження з одного вузла на інший (близько 3 [[еВ]]), а <math>a - \ </math> міжатомна віддаль (близько 1.42 [[Ангстрем|Ǻ]]).

: <math>v(\omega) \approx v_F \approx \frac{ta}{\hbar}\ </math>,

де <math>v_F - \ </math> [[енергія Фермі|швидкість Фермі]] в графені.
Добуток <math> ta </math> можна оцінити з [[принцип невизначеності|співвідношення невизначеності]]:

: <math>ta \approx 0.5h \ </math>.

Таким чином, граничне масштабне значення для універсальної динамічної провідності буде визначатися тільки через фундаментальні сталі:

: <math>G_0 = \frac{e^2}{4\hbar} \ </math>.

Дане значення і було підтверджене в дослідах Кузьменка<ref name =Kuz_2008/> в діапазоні енергій фотонів від 0.1 до 0.2 еВ.

Оптична проникність графену може бути подана для одноатомного шару у вигляді:

: <math>T_{opt} = \frac{1}{(1 + \frac{2\pi G_0}{c})^2} = \frac{1}{(1 + 0.5\pi \alpha)^2} \approx 0.977 </math>,

де <math>c - \ </math> [[швидкість світла]]. Тобто вона повністю визначається безрозмірними фундаментальними величинами.

В загальному випадку наявності декількох шарів:

: <math>1 - T_n \approx n\pi \alpha \ </math>,

де <math>n = 1,2,3,...</math> число одноатомних шарів графену у зразку.
Для наочності Нейр<ref name =Nair_2008>R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. 6 JUNE 2008 VOL 320 SCIENCE </ref> використовував в своїх зразках плавний перехід від одноатомного до двоатомного графену, і з точністю до кількох процентів підтвердив описану теорію.

== Дослідження в Україні ==
Ще наприкінці 1980-х років член-кореспондент НАН України [[Литовченко Володимир Григорович|Володимир Литовченко]] зі співробітниками ([[Інститут фізики напівпровідників імені В. Є. Лашкарьова НАН України|Інститут фізики напівпровідників ім. В.&nbsp;Є.&nbsp;Лашкарьова НАН України]]) досліджував появу забороненої зони в деформованих ультратонких графітових плівках (які тепер прийнято розглядати як багатошаровий графен).

Співробітники [[Інститут теоретичної фізики імені М. М. Боголюбова НАН України|Інституту теоретичної фізики ім. М.&nbsp;М.&nbsp;Боголюбова НАН України]] Валерій Гусинін і Сергій Шарапов передбачили в 2005&nbsp;р. [[Квантовий ефект Холла в графені|незвичайний цілочисельний квантовий ефект Холла в графені]]. Експериментальне спостереження цього ефекту стало прямим доказом безмасового характеру електронів і дірок у графені. В. Гусинін і [[Шарапов Сергій Геннадійович|С. Шарапов]] також теоретично передбачили низку інших важливих ефектів, які зокрема можуть мати застосування в оптоелектронних пристроях на основі графену. Академік [[Локтєв Вадим Михайлович|Вадим Локтєв]] з цього ж інституту досліджував зонний спектр графену і передбачив появу в ньому енергетичної щілини в разі наявності дефектів у ґратці.
Група дослідників з Інституту напівпровідників ім. В.&nbsp;Є.&nbsp;Лашкарьова НАНУ вивчає графен з огляду на його напівпровідникові властивості. Керівник групи&nbsp;— професор, лауреат Державної премії України [[Кочелап В'ячеслав Олександрович|В'ячеслав Кочелап]]<ref>[http://noos.com.ua/ua/post/2717 Українське «коріння» графену] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20120703073030/http://www.noos.com.ua/ua/post/2717 |date=3 липня 2012 }}, «Ноосфера», 21 червня 2012</ref>. Федір Васько і [[Стріха Максим Віталійович|Максим Стріха]] з цього інституту є авторами низки робіт з фізики нерівноважних носіїв у графені, М. Стріха досліджував також явища, що відкривають можливість створення швидкодійної енергонезалежної пам'яті та бістабільних оптичних систем і модуляторів випромінювання інфрачервоного діапазону на основі графену на сегнетоелектричній підкладці.

== Застосування графену ==
{{see also|Потенційне застосування графену}}

=== Перспективи в електроніці ===
На основі графену вже створено надчутливі сенсори (можуть виявляти присутність одного електрона), біосенсори, мініатюрні конденсатори високої ємності, швидкодійні елементи [[Енергонезалежна пам'ять|енергонезалежної пам'яті]] нового покоління, модулятори випромінювання, прозорі сенсорні екрани з діагоналлю понад 80&nbsp;см.<ref>{{Cite web |url=http://ultramir.net/techno/10450-kak-grafen-mozhet-izmenit-mobilnuyu-industriyu.html |title=КАК ГРАФЕН МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬ МОБИЛЬНУЮ ИНДУСТРИЮ? |accessdate=12 квітня 2015 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150415005422/http://ultramir.net/techno/10450-kak-grafen-mozhet-izmenit-mobilnuyu-industriyu.html |archivedate=15 квітня 2015 |deadurl=yes }}</ref> Обнадійливими є перші спроби застосування графену в медицині (зокрема при лікуванні пухлин). Фірмою ІВМ створено польові транзистори на основі графену зі швидкодією в 100 ГГц. Однак на перешкоді появі серійних графенових польових транзисторів, що могли б у перспективі масово замінити кремнієві, стоїть відсутність у графені забороненої зони, що робить його вольт-амперну характеристику (залежність провідності каналу від напруги на затворі) симетричною відносно нуля напруги і ускладнює отримання двох станів, які можна було б співвіднести логічним «0» та «1». Заборонену зону в графені намагаються індукувати в різний спосіб, використовуючи гідрогенізований графен ([[графан]]), флюорид графену, графенові нанострічки (зона виникає за рахунок додаткового квантування ще за одним напрямком), вводячи в графен дефекти і напруження. Однак в цілому це завдання ще задовільно не вирішене. З кожним роком все більше корпорацій виявляють свій інтерес, і сфер, де можливе [[потенційне застосування графену]], стає більше.

=== Використання в акумуляторах ===
Кілька компаній оголосили про лабораторні розробки нових акумуляторів на основі графену. Так, у листопаді 2017 року Samsung Electronics оголосила про розробку нових акумуляторів для смартфонів, що можуть заряджатися всього за 12 хвилин, на відміну від звичайних, які заряджаються близько години-двох.<ref>{{cite web|last=Владимир Скрипин|title=Специалисты Samsung Electronics разработали графеновый аккумулятор, который сократит время зарядки смартфонов впятеро – до 12 минут|url=https://itc.ua/news/spetsialistyi-samsung-electronics-razrabotali-grafenovyiy-akkumulyator-kotoryie-sokratit-vremya-zaryadki-smartfonov-vpyatero-do-12-minut/|publisher=ІТС|accessdate=27 листопада 2017|archive-date=1 грудня 2017|archive-url=https://web.archive.org/web/20171201035349/https://itc.ua/news/spetsialistyi-samsung-electronics-razrabotali-grafenovyiy-akkumulyator-kotoryie-sokratit-vremya-zaryadki-smartfonov-vpyatero-do-12-minut/}}</ref>

=== Безпілотники ===
Британські вчені використали графен для побудови дрона Juno і у липні 2018 презентували його на виставці North West Aerospace Alliance. Завдяки новітньому матеріалу безпілотник може літати в грозу, оскільки, за словами розробників з Університету Центрального Ланкаширу (UCLan), що у Великій Британії, розряди блискавки просто розпорошаться по фюзеляжу. Також перевагами є менша вага дрона і захист від намерзання.<ref>{{Cite news|url=https://tokar.ua/read/26743|title=Завдяки графену в Британії створити безпілотник, що не боїться блискавок і має низьку вагу|date=2018-08-21|language=uk-UA|work=[[Tokar.ua]]|accessdate=2018-09-15|archive-date=15 вересня 2018|archive-url=https://web.archive.org/web/20180915225640/https://tokar.ua/read/26743}}</ref>

=== Графен як джерело енергії ===
Атоми графену пульсують відносно один одного. Якщо розмістити електроди з обох сторін секції такого графену то на них виникне електричний потенціал. Тобто матимемо графеновий генератор. Згідно з розрахунками, граф розміром 10х10 мікрон графену має потужність в 10 мікроватів. Враховуючи, що на шпильковій голівці може поміститися цілих 20 000 таких квадратів, подібна «електростанція» виглядає реальною. Одержаної потужності при кімнатній температурі буде достатньо, щоб забезпечити енергією маленький гаджет&nbsp;— наприклад, наручний електронний годинник. У майбутньому подібний спосіб отримання енергії може привести до створення біоімплантів<ref>[https://cikavosti.com/hrafen-mozhe-sluzhyty-dzherelom-mayzhe-neskinchennoi-enerhii/#hcq=Lb0IJMs Графен може служити джерелом майже нескінченної енергії]</ref>

== Цікаво ==
{{Цікаві факти}}
* Відеоінструкція, як зробити графен удома, була опублікована фахівцями Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона Полсона.<ref>http://radio24.ua/news/showSingleNews.do?objectId=46450{{Недоступне посилання}}</ref>
* Спільною групою вчених із США і Китаю була відкрита нова форма вуглецю, яка поєднує в собі міцність і пружність&nbsp;— це особливим чином скріплені між собою листи графену.<ref>{{Cite web |url=http://tehnot.com/ua/uchyonye-sozdali-novyj-material-na-osnove-ugleroda-prochnyj-i-uprugij/ |title=Учені створили новий матеріал на основі вуглецю – міцний і пружний |accessdate=28 червня 2017 |archive-date=2 липня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170702091547/http://tehnot.com/ua/uchyonye-sozdali-novyj-material-na-osnove-ugleroda-prochnyj-i-uprugij/ }}</ref>
* У 2017&nbsp;р. відкрито, що графен може генерувати електроенергію за рахунок коливання атомів.<ref>{{Cite web |url=https://1news.com.ua/svit/uchenyie-zayavili-chto-nashli-istochnik-beskonechnoy-energii.html |title=Архівована копія |accessdate=28 листопада 2017 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20171201033804/https://1news.com.ua/svit/uchenyie-zayavili-chto-nashli-istochnik-beskonechnoy-energii.html |archivedate=1 грудня 2017 |deadurl=yes }}</ref>
* Розробкою резервуару з графену для зберігання водню займалася команда вчених з Лодзької Політехніки під керівництвом професора Пьотра Кула.<ref>{{Cite web|url=https://ilodz.com/uk/eternal-profesor-potr-kula-inzhener-ta-novator-z-lodzi|title=Професор Пьотр Кула - інженер та новатор з Лодзі|website=ilodz.com}}</ref>

== Див. також ==
* [[Потенційне застосування графену]]
* [[Двошаровий графен]]
* [[Графан]]
* [[Графіт]]
* [[Борофен]]
* [[Вуглецеві нанотрубки]]
* [[Фосфорен]]
* [[Фулерени]]
* [[Рівняння Дірака (графен)]]
* [[Нанотехнології]]
* [[Nanocar]]
* [[Суперґратка]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Посилання ==
* [http://www.manchester.ac.uk/aboutus/news/archive/list/item/?id=3515&year=2008&month=04 Графен дозволяє заглянути в фундаментальні таємниці Всесвіту. Сайт Манчестерського університету] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090315031646/http://www.manchester.ac.uk/aboutus/news/archive/list/item/?id=3515&year=2008&month=04 |date=15 березня 2009 }}
* [http://news.softpedia.com/news/Graphene-to-Probe-the-Nature-of-the-Universe-82486.shtml Софтпедія] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080725142316/http://news.softpedia.com/news/Graphene-to-Probe-the-Nature-of-the-Universe-82486.shtml |date=25 липня 2008 }} [http://www.sciencecentric.com/news/pda/article.php?q=08040412 Science Centric]{{Недоступне посилання|date=квітень 2019 |bot=InternetArchiveBot }}
* [http://pda.lenta.ru/news/2008/04/04/graphene/ Стала тонкої структури з'явилася в графені. Лента РУ] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20121109143807/http://pda.lenta.ru/news/2008/04/04/graphene/ |date=9 листопада 2012 }}
* [http://www.graphene-info.com Graphene-Info] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20220610055242/https://www.graphene-info.com/ |date=10 червня 2022 }} Graphene news and resources (english)
* [http://www.ewels.info/img/science/ Галерея зображень графіту та графену] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20061011215921/http://ewels.info/img/science/ |date=11 жовтня 2006 }}.
* [https://web.archive.org/web/20090414072336/http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/graphene.htm Пояснення властивостей графену в застосуваннях для комп'ютерних чипів].
* [https://web.archive.org/web/20150725234108/http://scienceukraine.in.ua/allnews/physics-and-tech/energy-resources/naitonsha-v-sviti-lampa-z-hrafenu Найтонша в світі лампа з графену]. Science Ukraine від 25.07.2015
* [ftp://ftp.nas.gov.ua/akademperiodyka/Downloads/Visnyk_NANU/downloads/2010/12/a7-1.pdf В. Гусинін, В. Локтєв, С. Шарапов ГРАФЕН: НЕЙМОВІРНЕ СТАЛО МОЖЛИВИМ ]

{{Алотропні модифікації вуглецю}}
{{Перспективні технології|виробництво=так|матеріали=так|роботи=так|питання=так}}

[[Категорія:Графен|*]]
[[Категорія:Фізика твердого тіла]]
[[Категорія:Нанотехнології]]
[[Категорія:Ароматичні сполуки]]
[[Категорія:Надтверді матеріали]]
[[Категорія:Нові технології]]