Что такое графен?

Графен представляет собой монослой атомов углерода, упорядоченных в гексагональную решетку. Мы привыкли иметь дело с графитом, используемым при производстве карандашных стержней, батареек, смазочных материалов и т.д., который представляет собой не что иное как сложенные вместе пластинки графена. Термин графен, образованный из слова графит и суффикса -ен, был предложен Хансом Петером Бемом, впервые описавшим моноатомные слои углерода в 1962 году.

Своими уникальными свойствами графен обязан тому факту, что он является двумерным материалом, представляющим собой слой всего в один атом. Много лет графен оставался только теоретической концепцией, которая изучалась на бумаге. Прорыв произошел в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского Университета успешно получили одноатомные слои графена путем многократного прикладывания клейкой ленты к поверхности графита и последующего перенесения его на другую поверхность! Они доказали существование графена и перешли к демонстрации некоторых его уникальных двумерных электронных свойств. После этого последовали интенсивные исследования в области выращивания и применения графена, опубликованные в более чем 3000 научных работ. Андрей Гейм и Константин Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

В чем заключаются важные свойства графена?

В отличие других полупроводниковых материалов, графен по сути является полуметаллом или полупроводником с нулевой запрещенной зоной. Формируя графеновые наноленты путем подбора ориентации и ширины графена или используя определенные полевые структуры, запрещенная зона может быть открыта. Носители заряда в графене «не имеют массы» и ведут себя во многом схоже с фотонами, частицами света. Поэтому графен обладает чрезвычайно высокой подвижностью электронов и следовательно может с успехом применяться в высокоскоростных транзисторах. Графен прозрачен, каждый слой поглощает ~2.3 % света. Благодаря своей двумерной структуре это материал обладает такими свойствами, как дробление заряда и дробный квантовый эффект Холла, что потенциально делает его полезным в квантовых компьютерах и спинтронике.

И, хотя графен имеет толщину всего лишь в один монослой, он является очень гибким и самым прочным из исследуемых наноматериалов, обладающим прочностью на разрыв в 200 раз выше стали.

Где графен может использоваться?

Чрезвычайно высокая подвижность электронов графена может использоваться в высокочастотных транзисторах, последние исследования продемонстрировали ВЧ транзисторы на основе графена с предельной частотой выше 100 ГГц. Более того, благодаря своей прозрачности и высокой проводимости, графен также может использоваться в дисплеях, сенсорных панелях, органических светодиодах и солнечных элементах. Гибкость графена также открывает новые возможности в производстве гибкой электроники. Другие потенциальные применения графена включают в себя сенсоры и электроды для суперконденсаторов.