Методы получения графена и его производных, их свойства и области применения

ВЕДЕНИЕ

Открытие графена привлекло к этому объекту внимание десятков лабораторий по всему миру. Графен характеризуется необычными физико-химическими свойствами, то есть графен обладает рекордной теплопроводностью, способностью наблюдать квантовый эффект Холла и переход от баллистических к диффузионным механизмам переноса тепла и заряда. В то же время графен потенциально важен для прикладного использования. Реализовать этот потенциал можно только путем разработки относительно простых и достаточно эффективных методов получения и идентификации графенов. Нобелевские лауреаты Новоселов и Гейм смогли разработать техники и методы, которые позволяют им безопасно работать с такими «эфемерными» объектами, как однослойный граф, но их методы имеют некоторые недостатки, поэтому разработка и поиск новых методов привлекли внимание много привлекает специалистов. Поэтому целью реферата было изучение литературных данных о методах получения графена и его производных.

1 ГРАФЕН И ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ

Графен – это слой углерода толщиной в один атом, состоящий из конденсированных шестичленных колец. Атомы углерода в графене соединены sp2-связями в гексагональную двумерную (2D)решетку. Однослойный графен – это не материал, а вещество, кроме того, это отдельная молекула. С химической точки зрения однослойный графен – это полимер, причём всего одна молекула полимера с массой около 1-го пикограмма (рис. 1), то есть графит – это типичная «стопочная» структура, где отдельные графеновые слои (полимерные молекулы) объединены в 3D кристалл.

Рисунок 1 – Схематическое изображение чешуйки графена.

Изучение графена в теории началось намного раньше до получения реальных образцов материала, потому что из графена возможно получить трёхмерный кристалл графита. Так как для построения теории этого кристалла графен является базой. Внимание к графену было обращено впоследствии открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория графена строилась на простой модели развёртки цилиндра нанотрубки. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана. Первая работа о получении графена на подложке окислённого кремния была размещена в журнале Science [1] в 2004 году, ее авторами были учёные Андрей Гейм и Константин Новоселовов из Манчестерского университета.

Что касается производных графена, то наибольший интерес вызывает оксид графена (графита). Это соединение, получаемое при обработке графита сильными окислителями, состоящее в различных соотношениях из водорода, углерода, и кислорода [2]. Наиболее окисленные формы - это твёрдые желтоватые вещества с соотношением углерода к кислорорду в пределах от 2,1 до 2,9 соответственно. Основная часть оксида графита используется для создания дисперсной системы со щелочами для получения мономолекулярных слоев, называемых оксидом графена (по аналогии с графеном, однослойной формой графита) [3].

Из данных листов из оксида графена получали очень прочный материал, похожий на бумагу, и еще в качестве промежуточного продукта для получения графена (по состоянию на 2010 год это невозможно, поскольку графен, полученный в результате этих реакций, все еще имеет много химических и структурных дефектов).

2 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФЕНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ

2.1 Микромеханическое отшелушивание слоёв графита; метод Новосёлова (метод скотча)

Как упоминалось выше, графен был впервые получен в 2004 году К. Новоселовым и А. Геймом. Сырьем для графена является образец высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) толщиной ~1 мм. Создается свежеприготовленный слой фоторезиста толщиной ~1 мкм на стеклянной пластине,