АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Физические характеристики – свойства графена

Структурные особенности графенового листа таковы, что здесь исследователи впервые встретились с системой, в которой носители заряда, имея неограниченную свободу перемещения в плоскости, замкнуты в узком пространстве между «стенками», находящимися друг от друга на кратчайшем атомном расстоянии ~ 0,35 нм, что приводит к появлению уникальных электрофизических характеристик и других необычных свойств графена. Прежде всего, будем рассматривать свойства так называемого «подвешенного» однослойного графена, т.е. образца, свободно висящего между двумя электродами.

Электрофизические характеристики

Так теоретические расчёты позволяют ожидать в идеальном графене огромную подвижность носителей – при комнатной температуре это величина порядка 10⁵ см²/В·с (пока в эксперименте получена подвижность 1,5·10⁴ см²/В·с) [125]. Считается, что перенос заряда в таких системах при комнатной температуре на нано уровне носит баллистический характер. Группе Kim в 2008 г удалось определить подвижность заряда в подвешенном графене, превышающую 200 000 см²/В·с, такую высокую величину прежде всего обусловило отсутствие дефектов в образце. Это – на один - два порядка выше, чем подвижность носителей в чистом кристаллическом кремнии: табличное значение подвижности в чистом Si при комнатной температуре – 1,4·10³ см²/В·с [126], что позволяет рассматривать графен в качестве соперника кремния в наноэлектронике. В то же время, в других работах оценки подвижности носителей заряда не столь высоки; так в [127] авторы использовали специальную методику ионного скрининга зарядовых ловушек и получили значение подвижности носителей заряда 5 000 см²/В·с в пленке графена в соответствующем электродном устройстве, что по их мнению лишь в 2 раза меньше того же параметра для графена, полученного по методу Новоселова (10 000 см²/В·с). Есть и другие оценки.

Ясно, что подвижность носителей заряда в графене чрезвычайно велика, но получить точные количественные значения, по-видимому, непросто в силу особенностей объекта.

Помимо высокой подвижности носителей в графене удалось наблюдать квантовый эффект Холла при комнатной температуре [128, 129].

Таблица №3. Сравнительные электрофизические характеристики графена и кремния.

Теплопроводность

Устойчивая работа электронных устройств в большой степени зависит от температуры. Постоянно идёт поиск материалов, способных рассеивать тепло, выделяющееся при работе приборов и устройств. При измерении теплопроводности подвешенного графена величина теплопроводности при комнатной температуре составила 5000 Вт/м·K (получено на основании измерения Раман-спектров), т.е. в 2,5 раза больше, чем у алмаза, теплопроводность которого считалась наибольшей из известных на сегодня материалов. Такая величина могла бы решить проблему отвода тепла в наноэлектронике [130] (рис. 27).

Рис. 27. Схема установки для определения теплопроводности однослойного графена [130].

Считается, что высокая теплопроводность графенов обусловлена структурным совершенством тех небольших образцов, на которых она была измерена. К сожалению эта величина уменьшается при увеличении их размеров; так, коэффициент теплопроводности графенов длиной от 1 до 5 мкм снижается в диапазоне от 5000 до 3000 Вт/м·К; такую зависимость обычно связывают с фононным механизмом теплопроводности. Однако в других экспериментах однослойный графен обычно фиксируют на подложках, как правило – диэлектрических, что приводит к рассеянию фононами подложки и примесями. Так, слой графена на поверхности SiO₂ имел теплопроводность всего 600 Вт/м·K [131], что, однако всё же больше, чем у меди; ее теплопроводность равна 400 Вт/м·К при комнатной температуре, но реально используются очень тонкие пленки, теплопроводность которых ниже (меньше 250 Вт/м·К). О теплопроводности в направлении, перпендикулярном плоскости графена см. в [132].

Таблица №4. Сравнительные значения теплопроводности графена, углеродных нанотрубок и кремния.

Механическая прочность

Кроме необычных электрофизических свойств, графен имеет высокую механическую прочность; она соответствует так называемой «теоретической прочности бездефектного твёрдого тела» и в настоящее время является рекордной [133] (рис.28).

Рис. 28. Механические характеристики «подвешенного графена» [133].

Однослойная чешуйка ГрО имеет существенно меньший модуль Юнга – 207,6 ГПа [133].

Графен на подложках

Физические свойства графена очень сильно зависят от взаимодействия с субстратом, на котором находится графеновый лист [135]. Имеется значительное число работ, где измерялась подвижность зарядов в графене, находящемся на подложках различного типа. Эти величины могут очень существенно отличаться как от значений для подвешенного однослойного графена, так и между собой. Так, полученный по методу Новосёлова однослойнй графен на стандартной окисленной кремниевой пластине имеет при комнатной температуре подвижность зарядов на уровне 15 000 см²/В·сек, тогда как выращенный методом CVD на меди – 4050 см²/В·сек. В то же время подвешенный однослойный графен обладает подвижностью заряда на уровне 200 000 см²/В·сек [136]. Так называемый восстановленный из ГрО графен обладает проводимостью на уровне 4 - 12 см²/В·сек [137].

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 1890 | Нарушение авторских прав