Проводит ли графен электричество? 11 фактов (как, почему и использование) —

Графен является наиболее важным веществом для повышения прочности любого материала. В этой статье мы подробно обсудим электропроводность графена.

Графен проводит электричество, потому что у него есть свободные электроны, которые движутся по его структуре. Двумерная гексагональная структура углерода обеспечивает свободную мобилизацию электронов в графеновом веществе. электрический поток легко передается через графен, что делает его хорошим проводником электричества.

Далее мы обсудим электрическую проводимость графена, различные варианты использования графена в качестве электрического проводника, является ли он сверхпроводником и могут ли его оксиды проводить электричество. Мы также подумаем над тем, почему графен не используется в электрических проводах, кроме того, что он является хорошим проводником.

Как графен проводит электричество?

Электропроводность электронов в основном обусловлена ​​наличием свободных электронов в атомах. Давайте обсудим, как графен может проводить электричество.

Графен проводит электричество за счет дрейфа электронов, способных переносить электрический ток и пропускать электрический поток через вещество. Химическая формула графена C6h22O2, и каждый атом углерода имеет общую Ковалентная связь с тремя углеродами и имеет свободные электроны из-за четвертого связанного углерода.

Почему графен является хорошим проводником электричества?

Хороший проводник электричества пропускает через себя электрический поток. Кратко обсудим причину хорошей проводимости графена.

Графен является хорошим проводником электричества, потому что он имеет рыхлую связанную пару углерода, которая обеспечивает подвижность электронов, генерируя поток электрического тока. Молекулы углерода в графене перекрывают связи, образуя пи облигации которые дают свободные электроны во всей структуре, делая ее проводящей.

Электропроводность графена

Электронная плотность в его объеме определяет электропроводность графена. Поговорим об электропроводности графена подробнее.

Компания электрическая проводимость графена 80 × 10⁶ См/м из-за высокой подвижности электронов в его гексагональной структуре атомы углерода связаны общими пи-связями. Электропроводность графена обратно пропорциональна его удельное сопротивление текущего потока. Он находится в прямой зависимости от подвижность электронов в этом вопросе.

Использование графена в качестве проводника

Графен, являясь хорошим проводником электричества, используется в различных целях. Давайте обсудим некоторые варианты использования графена в качестве электрического проводника.

• Графен используется в смартфонах и ПК для защиты микросхем при низких температурах.
• Графен используется в солнечных батареях, сенсорных экранах, резиновых и полимерных волокнах.
• Графен используется для производства транзисторов, диодов и литий-ионных аккумуляторов.
• Графен используется в датчиках деформации, газа и температуры благодаря своим химическим и термическим свойствам.

Изображение Фото: Графен by Понор (CC BY-SA 4.0)

Является ли графен сверхпроводником?

Сверхпроводники – это те, которые обладают высокой проводимостью и нулевым сопротивлением. Обсудим вкратце, является ли графен сверхпроводником.

Графен является сверхпроводник как подвижность электронов, так и концентрация в его веществе высока. Это достигается только тогда, когда два слоя графена, двумерной структуры, помещаются вместе под определенным углом, так что электроны в каждом слое могут проводить поток электрического тока.

Является ли графен более проводящим, чем медь?

Проводимость каждого элемента зависит от общего количества электрического потока, проходящего через него. Обсудим сравнительно проводимость меди и графена.

Проводимость графена выше, чем у меди. Электропроводность меди 59.8×10⁶ См/м, что на 70% меньше проводимости графена. Медь имеет один валентный электрон, в то время как электроны пи-связи графена могут свободно двигаться и увеличивать проводимость графена.

Почему графен не используется в проводах?

Несмотря на то, что графен является хорошим проводником с гораздо более высокой проводимостью, чем медь, он не используется в электрических проводах. Давайте узнаем, что стоит за этим.

Графин не используется в электрических проводах, потому что он дорог и требует сложного обслуживания. Кроме того, графен может контактировать с кислородом воздуха и окисляться, а оксид графена не является электрическим проводником. Кроме того, графен обладает магнитными свойствами и демонстрирует привлекательное поведение в магнитном поле.

Графен проводит электричество лучше, чем графит?

Графит представляет собой кристаллическую форму углерода, состоящую из сложенных друг на друга слоев. Давайте обсудим, является ли графен лучшим проводником, чем графит, или нет.

Графен проводит электричество лучше, чем графит потому что он имеет делокализованные свободные электроны с высокой плотностью, которые распространяются по площади поперечного сечения графена. Графит имеет сильную углерод-углеродную связь; таким образом, подвижность электронов из-за сильной связи невозможна.

Оксид графена проводит электричество?

Большинство оксидов металлов не являются проводниками электричества. Давайте обсудим, проводит ли оксид графена электричество или нет.

Оксид графена не проводит электричество, так как свободные электроны графена образуют связи с атомами кислорода. Эти электроны связываются с двумя атомами кислорода, образуя оксиды, не оставляя свободного электрона для проведения электричества.

Проводит ли графен тепло?

Вещество считается хорошим проводником тепла, если оно позволяет теплу течь через себя. Давайте обсудим, является ли графен проводником тепла или нет.

Графен является хорошим проводником тепла, поскольку пропускает через себя поток тепла. Теплопроводность графена составляет 5300 Вт/мК, что выше теплопроводности меди. Электроны, разделенные пи-связями, передают тепло по площади графенового вещества.

Заключение

Из этой статьи мы можем сделать вывод, что графен является хорошим проводником тепла и электричества благодаря наличию свободных электронов, разделяемых при образовании пи-связей. Оксид графена не является хорошим проводником тепла и электричества. Он радиально образует связи с кислородом и поэтому может использоваться в электрических проводах.

материал будущего, история открытия, физические и химические свойства, возможности применения, проблемы и прогнозы массового использования

Так выглядит структура графена – всего лишь один слой атомов углерода

Разные периоды человеческой истории тесно связаны с теми или иными материалами. За каменным веком наступила эпоха бронзы, которую потом вытеснило железо. Последние десятилетия стали «звездным часом» кремния, который подарил нам цифровую революцию и интернет. Мы стремительно входим в следующий технологический уклад и судорожно ищем новый материал, достойный служить его символом. Возможно, что им станет углерод, вернее, одна из его разновидностей – графен.

В последние годы этот материал постоянно на слуху. Графен называют – ни много, ни мало – самым важным открытием XXI века и не жалеют в его описаниях превосходных степеней. Адепты технического прогресса обещают нам новый дивный «графеновый» мир, в котором мы окажемся буквально завтра. В нем железо не будет ржаветь, люди смогут делать топливо из воздуха и пить воду прямо из океана. Ну и по мелочи: мы получим новое поколение электроники, сверхпрочную броню, колоссальной емкости аккумуляторы и прочая, и прочая, и прочая. Скептики, слушая восторженные спичи такого рода, лишь привычно и гадко ухмыляются. Действительно, «графеновую революцию» нам обещают уже лет пятнадцать лет, а пока нет даже приемлемого способа получения материала.

Так что же такое графен: реальный прорыв или очередной научно-технический фейл? Почему его открытие вызвало такую истерию, и какие «пряники» сулит нам использование этого материала? И почему оно до сих пор не началось?

Содержание

Химические и физические свойства

По химическому составу графен ничем не отличается от алмаза или графита – он состоит из тех же атомов углерода, вся «фишка» в их особом пространственном расположении. Именно оно приводит к колоссальному различию физических свойств. В традиционных материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому окружающие нас предметы имеют высоту, длину и ширину. Графен – это аллотропная модификация углерода, в которой атомы образуют двумерную гексагональную кристаллическую решетку толщиной всего лишь один атом. По сути, это просто единственный слой, «вытащенный» из объемного кристалла вещества – третьего измерения у него нет.

Графен – самый прочный из известных нам материалов

Графен – первый двумерный материал, полученный учеными. Благодаря такой уникальной атомарной структуре он может «похвастать» целым рядом удивительных свойств:

• огромной теплопроводностью;
• просто запредельной механической прочностью;
• гибкостью;
• высокой электропроводностью;
• непроницаемостью для большинства жидкостей и газов;
• прозрачностью.

Но самое поразительное другое: при своей атомарной тонкости графен абсолютно стабилен, он не распадается, хотя многие ученые не верили в это. Еще в 30-е годы выдающиеся физики Рудольф Пайерлс и Лев Ландау утверждали, что двумерные материалы будут неустойчивы и быстро разрушатся под действием внешних факторов. Оказалось, что атомы удерживаются вместе благодаря особым вибрациям.

Изучение этого чудо-материала продолжается, и он не устает удивлять исследователей. Так, например, недавно выяснилось, что двухслойный графен в определенном положении ведет себя как сверхпроводник, хотя раньше этого и не предполагали.

Открытие графена настолько воодушевило ученых, что буквально в течение десяти лет были получены еще три двумерных материала со схожими свойствами: силицен – на основе кремния, фосфорен – фосфора и германен – германия.

Как был открыт «материал столетия»?

Гипотеза о существовании двумерной формы углерода была выдвинута еще в XIX веке, но подтвердить ее фактически долгое время не получалось. В 1859 году Бенджамин Броуди впервые синтезировал оксид графена, но только в 1948 году с помощью электронного микроскопа удалось доказать чрезвычайно малую толщину этого материала. Позже ученые обнаружили, что среди кристаллов оксида графена попадаются частицы толщиной в один атом. В 70-е годы монослойный углерод пытались выращивать на различных металлических подложках.

«Крестным отцом» этого материала стал Ханс-Питер Бём, который в 1986 году предложил называть однослойный углерод графеном. В конце 90-х Йошико Охаши изучал электрические свойства тонких графитовых пленок толщиной в несколько десятков атомарных слоев.

Первооткрыватели графена – Гейм и Новоселов. В 2010 году за эту работу они получили Нобелевскую премию

Впервые получить графен удалось двум британским ученым российского происхождения – Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для этого они использовали самые подручные материалы – кусок графита, обычный скотч ну и, конечно же, знаменитую русскую смекалку. Ученые наносили на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали, каждый раз разделяя вещество пополам. Когда пятно становилось совсем прозрачным, полученный графен переносился на подложку. Позже этот способ назвали «методом отшелушивания».

В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию и весьма обидную кличку от журналистов – «мусорные физики». Ученые всего мира наконец-то смогли исследовать графен, ибо липкой ленты хватало в любой лаборатории. Это стало настоящим прорывом: по словам людей, которые занимаются данным вопросом, за последние годы мы узнали о двумерных материалах куда больше, чем за все предыдущее столетие. В сети вы легко найдете подробное описание метода Гейма и Новоселова и при желании сможете повторить его в домашних условиях.

Новая эра в электронике?

Графен – уникальный по своей электропроводности материал: его сопротивление на 35% меньше, чем у меди, а по подвижности носителей заряда он превосходит и кремний, и антимонид индия.

Существующие сегодня чипы памяти и микропроцессоры уже преодолевают технологические границы в 10 нанометров. Процесс дальнейшей миниатюризации представляет значительные сложности. Все громче раздаются голоса, что мы практически достигли пределов кремниевых чипов. Сегодня разработчики топчутся на тактовой частоте около 4 ГГц, не в силах обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия.

На основе графена можно делать гибкие экраны электронных устройств. Скорее всего, это станет первой областью применения этого материала

Кремний всем хорош для микроэлектроники, но есть у него и существенный недостаток – низкая теплопроводность. С увеличением плотности элементов и ростом тактовой частоты это становится серьезным барьером для дальнейшего развития отрасли.

Правда, для изготовления полевого транзистора из графена нужно как-то создать в нем запрещенную зону, чтобы задавать два состояния, пригодных для двоичной логики: непроводящее и проводящее. Однако уже сегодня предложены несколько способов решения данной проблемы, и это позволяет надеятся на скорое появление подобных транзисторов. Инженеры полагают, что быстродействие графеновых микропроцессоров может быть на порядок выше существующих – на основе этого материала уже построены транзисторы, модуляторы, микросхемы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Помимо высокой электропроводности, графен отличается практически полной прозрачностью. Он поглощает всего лишь 2% света, причем в самом широком оптическом диапазоне. Список материалов, одновременно обладающих этими качествами, очень ограничен, и графен лучше их всех. Поэтому это идеальный материал для жидкокристаллических дисплеев. Кроме того, он отличается высокой механической прочностью, так что скоро вы сможете забыть о разбитых экранах смартфонов и ноутбуков. Мы уже можем получать материал подходящего качества, и сейчас вопрос стоит только в снижении его себестоимости.

Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. Поэтому уже в ближайшем будущем нас точно ожидает эра гибкой электроники. Подобные девайсы уже не раз демонстрировались на выставках, но до коммерческого использования дело пока не дошло. Весьма активен в этом направлении корейский гигант Samsung.

Еще одной ожидаемой областью применения графена является производство различных измерительных устройств, датчиков, сенсорных систем. Например, газовые датчики из этого материала могут реагировать буквально на единичные акты адсорбции/реабсорбции молекул — то есть работать на пределе чувствительности для таких устройств. Еще в 2015 году специалисты из Американского химического общества (ACS) на основе графена разработали прототип тепловизора с высокочувствительной матрицей, не требующей охлаждения. В будущем это позволит создавать качественные и, главное, недорогие тепловизионные приборы и обычные телекамеры, способные вести съемку в полной темноте.

Графен – один из главных претендентов на смену кремния в микропроцессорах

Кто из нас не мечтал о новом смартфоне или ноутбуке с батареей, запаса которой хватало хотя бы на несколько дней? Очень может быть, что уже в ближайшем будущем это станет реальностью. Графен имеют максимальное отношение поверхности к объему, благодаря чему прекрасно подходит для аккумуляторов и суперконденсаторов.

Разработки в этом направлении ведутся самым активным образом. Несколько лет назад испанские инженеры сообщили о создании графенового аккумулятора для электромобилей, который может заряжаться всего за восемь минут, на 77% дешевле литиевых аналогов и в два раза легче их по весу. Разработчики утверждают, что заряда достаточно для 1000 километров пробега.

В 2017 году Институт передовых технологий Samsung (SAIT) заявил о создании революционной батареи на основе «графеновых шариков». Она, якобы, в несколько раз превосходит существующие аналоги по скорости зарядки и имеет на 45% большую емкость.

Тверже алмаза и легче перышка

Графен – самый прочный из известных нам материалов. По этому параметру он в двести раз превосходит сталь. Лист графена толщиной в один атом, выдержит давление острия карандаша, на другой стороне которого балансирует слон. А ученые из Georgia Tech пришли к выводу, что двухслойной пленке из этого материала не страшна даже пуля.

Понятно, что мимо таких способностей не могли пройти компании, занимающиеся военными разработками и защитным снаряжением. Уже появилось множество проектов графеновой брони, скафандров и легких бронежилетов. Правда, пока не совсем понятно, как из идеального двумерного материала сделать трехмерный, сохранив при этом его уникальные свойства.

На основе этого материал уже пробуют создать суперпрочные пластмассы и резину. Однако эти разработки пока находятся на начальном этапе.

Графен и проблема дефицита воды

Население планеты неуклонно растет, а количество водных ресурсов, наоборот, стремительно сокращается. Сегодня проблема нехватки питьевой воды не менее актуальна, чем проблема голода. И это при том, что ею покрыта большая часть поверхности земного шара. При чем тут графен, спросите вы?

Дело в том, что этот материал практически непрозрачен для большинства химических веществ, но воду он пропускает. Грубо говоря, фильтр с графеновой мембраной будет задерживать морскую соль, опресняя тем самым воду. Правда, неизвестно, насколько долговечным будет подобное устройство, ведь хлориды – очень агрессивные вещества. Ученым придется решить еще множество проблем на этом пути, но работы не прекращаются, ибо слишком уж заманчивы перспективы.

На основе графена можно делать уникальные фильтры, которые будут способны не только очищать воду, но и опреснять ее

Точно так же можно очищать воду от любых токсинов, ядов и радиоактивных загрязнений. С помощью графена предлагают даже фильтровать ядерные отходы.

На страже здоровья или перспективы в медицине

Графен поможет человечеству победить рак. Он способен находить клетки опухоли в организме. Это удивительное свойство обнаружили ученые из Университета штата Иллинойс. Феномен связан с разницей электрических потенциалов здоровых и раковых клеток, которую легко определяют частицы материала.

Однако графен способен не только находить опухоли, но и эффективно уничтожать их. Биологи из Университета Манчестера выяснили, что частицы оксида графена могут поражать стволовые раковые клетки, никак не влияя на здоровые.

Уверенно можно сказать, что одной из главных сфер применения графена станут различные биодатчики, кардиостимуляторы, протезы, элементы нейроинтерфейса. Например, на основе этого материала уже разработаны специальные полупрозрачные татуировки, способные показывать температуру тела и состояние кожи. Медики надеются, что в будущем подобные рисунки смогут измерять активность сердца, мозга, снимать другие важные показатели.

Возможно, что графен поможет залечивать переломы костей. Ученые из Университета Карнеги-Меллона создали на его основе биоразлагаемый материал, который привлекает стволовые клетки к месту перелома. Это значительно ускоряет процесс восстановления. Пока этот метод опробован только на мышах, так что до практического использования еще далеко.

Уникальные динамики, краска будущего и презервативы

Миллиардер и филантроп Билл Гейтс вложил круглую сумму в разработку презервативов из графена

Возможности применения графена фантастически широки – кажется, что он пригодится человечеству буквально везде. Достаточно добавить его и любой материал станет прочнее, долговечнее, устойчивее. Мария Шарапова играет ракеткой, выполненной из графена, строители хотят домешивать его в бетон, Билл Гейтс прилично вложился в создание сверхпрочных графеновых презервативов. Автопроизводители хотят делать из него кузова машин, а авиастроители – детали ракет и самолетов. Вот еще несколько примеров возможного использования материала:

• Сейчас немецкие исследователи работают над специальной краской на основе графена, которая будет сигнализировать о возможных дефектах изменением цвета. Пока этот проект находится в начальной стадии, о его коммерческом использовании говорить рано;
• Китайские ученые из Северо-Западного университета разработали покрытие на основе графена, которое защищает металлы от ржавчины. Причем, этот состав способен самовосстанавливаться после небольших повреждений;
• В конце 2017 года исследователи из частного университета Райса представили общественности кроссовки с добавлением графена. Материал был использован при изготовлении подошвенной резины. Разработчики утверждали, что их обувь отличается повышенной износостойкостью и невероятно прочна. Кроме того, кроссовки поразили присутствующих своей эластичностью: их можно было легко гнуть, крутить и складывать;
• На основе графена планируют создать новое поколение акустических систем. Современные динамики работают за счет генерации механических вибраций. Британские ученые показали, что графен способен издавать сложные и управляемые звуковые колебания при нагревании и охлаждении. Таким образом можно изготовить колонки, которые вообще не содержат движущихся деталей, при этом заметно уменьшив их размеры. В идеале такой динамик будет частью графенового экрана вашего телефона или другого устройства. Опытный образец имеет размер меньше ногтя, причем в него еще встроен эквалайзер.

Долгий путь между пробиркой и прилавком

Открытие графена нередко сравнивают с изобретением колеса, паровой машины, бумаги или транзистора. О росте интереса к графеновой теме можно судить по увеличению количества заявок на патенты: в 2010 году их было около 6 тыс. штук, а в 2016 – это число увеличилось до 50 тыс.

Больше всего заявок подали китайские компании и научные центры. В Поднебесной все, что связано с графеном пользуется огромной государственной поддержкой. Китай особо и не скрывает, что планирует забрать себе до 80% графенового рынка. Аналогичные программы поддержки отрасли существуют и в других странах. Почему же до сих не видно массовых графеновых технологий, несмотря на очень серьезные финансовые вливания в эту отрасль? Тому есть серьезные причины.

В настоящее время используется несколько способов получения графена, которые, в принципе, уже обеспечивают промышленные объемы этого вещества. Довольно серьезной проблемой является качество полученных образцов, а именно от него во многом зависят свойства и функционал материала. И если для красок или композитов вполне сгодится дешевый хлопьевидный графен, полученный химическим путем, то для высокочастотной электроники необходимо качественное сырье с минимумом дефектов и примесей.

К сожалению, пока не существует установленных стандартов качества графена, из-за чего страдает отрасль в целом. Недавно было проведено исследование продукции 60 компаний, которые, якобы, предлагали графен. Однако вместо него в образцах был обнаружен дешевый графит, к тому же содержащий еще и примеси других веществ.

В последние годы графен стремительно дешевеет

В принципе, нынешнее положение дел очень напоминает ситуацию на заре компьютерной эры, когда были огромные трудности с получением чистого кремния. Однако они уже давно решены.

Себестоимость графена неуклонно падает. Сегодня пластинка материала площадью 1 кв. см стоит меньше одного евро. Эксперт утверждают, что к 2022 году его цена упадет еще на порядок. Однако проблемы все еще остаются. Наибольшую трудность представляет процесс переноса графеновой пластины на ту или иную подложку – а это едва ли не основное требование для начала массового промышленного производства. Вероятно, что сначала мы получим графеновые экраны, затем дело дойдет до электронных устройств и различных детекторов. Другие, более экзотичные варианты применения материала, скорее всего, – дело ближайших десятилетий.

Внутри любого современного мобильного телефона «содержится» более двадцати Нобелевских премий, часть из которых была присуждена еще в середине 60-х годов. То есть, от идеи до ее воплощения прошло более пятидесяти лет. Графену не исполнилось еще и пятнадцати, а на рынке уже есть товары, содержащие этот материал. Так что графен не опаздывает, он, наоборот, опережает время.

Может ли графен конкурировать с медью по электропроводности?

Эта статья является частью исследовательского блога Bosch

Откройте для себя всю серию

Соавтор: Лео Рицци Графен, атомарно тонкий углеродный слой с гексагональным расположением атомов углерода, известен своими выдающимися электрическими свойствами на наноуровне. . Электропроводность чистого однослойного графена может быть на 70% выше, чем у меди. В течение многих лет я задавался вопросом, что возможно в макромасштабе для графеновых пленок и волокон. Поэтому мой аспирант Лео Рицци тщательно исследовал эту тему за последние 3 года с помощью моделирования и экспериментальной проверки. Результат его работы открывает новые пути увеличения электропроводности графена в макроскопическом масштабе до 70-80% его электропроводности в наномасштабе.

В 1962 г. Böhm et al. опубликовали снимки углеродной фольги, полученные с помощью электронной сканирующей микроскопии, и назвали однослойную углеродную фольгу «Графен». В 2004 г. Гейм и соавт. опубликовали о синтезе однослойного графена с помощью скотча для удаления графена слой за слоем графена с графитовой чешуйки, пока не останется только один слой графена. С тех пор графен стал одной из самых горячих научных тем, привлекающих значительный интерес и финансирование во всем мире.

Уже проведено множество исследований наноразмерных применений графена. В последние годы также растет интерес к исследованиям для макроскопических приложений. Отправной точкой для синтеза макроскопического графена обычно является порошок графена, диспергированный в жидкости. Волокна или пленки получают из такой дисперсии путем специальной обработки, такой как мокрое прядение или фильтрация. Соответствующее легирование увеличивает электропроводность от прибл. 1 МС/м до прибл. 15 мс/м. Это все еще значительно ниже 100 MS/м для одного слоя графена. Эта разница является источником моей мотивации понять, что может быть возможно в лучшем случае.

Мы смоделировали небольшие фрагменты графеновой пленки как слоистый материал, состоящий из случайно распределенных, но параллельных в плоскости слоев графена. Наша модель позволяет нам манипулировать средним размером и распределением по размерам, а также использовать произвольную плотность упаковки. Важным параметром является пространственное распределение внутри слоя, которое варьируется от полностью однородного до сильно сгруппированного графена. Каждая чешуйка приобрела индивидуальную, но равномерную электрическую проводимость в плоскости.

Затем мы рассмотрели перекрытие между чешуйками, введя электрическую проводимость вне плоскости и настроив электрическую сеть с узлами и ребрами, как показано на рисунке ниже. В исследованиях систематических параметров мы определили, что минимально необходимый размер системы составляет 30 слоев и 40 000 графеновых чешуек всего.

Мартин и Лео проводят исследования по вопросу, сколько остается от высокой электропроводности графена в макроскопических пленках или филаментах. Схематическая диаграмма электрической сети с узлами и ребрами для моделирования ситуации в графеновом проводнике.

Наши результаты показывают, что есть два основных параметра для получения высокой электропроводности макроскопического графена. Крайне важно иметь высокую электрическую проводимость в плоскости большинства чешуек графена. Значение электропроводности в плоскости определяет максимально возможную проводимость. Конечно, также необходимо достичь приемлемой внеплоскостной электропроводности. Тем не менее, латеральный размер чешуек графена в определенной степени компенсирует меньшую внеплоскостную проводимость из-за большей площади перекрытия и меньшего контактного сопротивления, как показано на диаграмме ниже. Предполагаемая проводимость в плоскости, используемая в расчетах диаграммы, составляет 100 МС/м.

На диаграмме показаны зависимости между размером латеральных чешуек, внеплоскостной проводимостью и общей электропроводностью.

Соответствующая настройка этих трех основных параметров позволит превзойти все проводники на металлической основе.

Экспериментальная проверка в диапазоне низкой электропроводности показывает хорошее соответствие результатам моделирования, как показано на диаграмме ниже. Линии представляют результаты моделирования, а кружки — экспериментальные результаты.

На диаграмме показана экспериментальная проверка в диапазоне низкой электропроводности. Линии представляют результаты моделирования, а кружки — экспериментальные результаты. (Риззи Л., Виджая А.Ф., Паланисами Л.В., Шустер Дж., Кёне М. и Шульц С.Е. (2020). Количественная оценка влияния наноструктуры графеновой пленки на макроскопическую электропроводность. Nano Express, 1( 2), 020035, DOI:10.1088/2632-959x/abb37a)

При соответствующем легировании обеспечивается проводимость в плоскости 100 МС/м для чешуек графена с размером чешуек в десятки микрометров, макроскопический графен может достигать электропроводность до 80 мСм/м. Проводник на основе графена с электропроводностью 80 МС/м позволяет значительно повысить эффективность, вес, а также уменьшить объем и позволяет создавать новые конструкции трансмиссии для электромобилей.

Автор: Мартин Кёне

Мартин является руководителем проекта Bosch Research по разработке проводниковых материалов для электромобилей. Его текущая работа направлена ​​на улучшение профилей свойств углеродных нанотрубок или проводников на основе графена до уровня, при котором они смогут заменить медь в электрических силовых агрегатах.

Подробнее о Мартине

Мартин в Google Scholar

Мартин в ResearchGate

Мартин в Orcid

Соавтор : Leo Rizzi

Исследование Электрифицированная мобильность

• Электрифицированная мобильность и системы

  Узнайте больше

• Bosch Research Blog

  . Узнать больше

Измерение электропроводности монослойных чешуек графена с помощью кондуктивной атомно-силовой микроскопии

1. Новоселов К.С., Гейм А.К., Морозов С.В., Цзян Д., Чжан Ю., Дубонос С.В., Григорьева И.В., Фирсов А.А. Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках. Наука. 2004; 306: 666–669. doi: 10.1126/science.1102896. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

2. Zhang Y., Tan Y.-W., Stormer H.L., Kim P. Экспериментальное наблюдение квантового эффекта Холла и фазы Берри в графене.

Природа. 2005; 438: 201–204. doi: 10.1038/nature04235. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

3. Новоселов К.С., Гейм А.К., Морозов С.В., Цзян Д., Кацнельсон М.И., Григорьева И.В., Дубонос С.В., Фирсов А.А. Двумерный газ безмассовых фермионов Дирака в графене. Природа. 2005; 438:197–200. doi: 10.1038/nature04233. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

4. Болотин К.И., Сайкс К.Дж., Цзян З., Клима М., Фуденберг Г., Хоун Дж., Ким П., Стормер Х.Л. Сверхвысокая подвижность электронов в взвешенном графене. Твердотельный коммун. 2008; 146: 351–355. doi: 10.1016/j.ssc.2008.02.024. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

5. Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Измерение упругих свойств и собственной прочности монослойного графена. Наука. 2008; 321:385–388. doi: 10.1126/science.1157996. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

6. Баландин А.А., Гош С., Бао В., Кализо И., Тевелдебрхан Д., Мяо Ф., Лау К.Н. Превосходная теплопроводность однослойного графена. Нано Летт. 2008; 8: 902–907. doi: 10.1021/nl0731872. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

7. Наир Р.Р., Блейк П., Григоренко А.Н., Новоселов К.С., Бут Т.Дж., Штаубер Т., Перес Н.М.Р., Гейм А.К. Константа тонкой структуры определяет визуальную прозрачность графена. Наука. 2008;320:1308. doi: 10.1126/science.1156965. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

8. Li X., Cai W., An J., Kim S., Nah J., Yang D., Piner R., Velamakanni A., Jung I ., Тутук Э. Синтез высококачественных и однородных графеновых пленок большой площади на медной фольге. Наука. 2009; 324:1312–1314. doi: 10.1126/science.1171245. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

9. Станкович С., Дикин Д.А., Пинер Р.Д., Кольхаас К.А., Клейнхаммес А., Цзя Ю., Ву Ю., Нгуен С.Т., Руофф Р.С. Синтез нанолистов на основе графена путем химического восстановления эксфолиированного оксида графита. Углерод. 2007; 45: 1558–1565. doi: 10.1016/j.carbon.2007.02.034. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

10. Yu Q., Jauregui L.A., Wu W., Colby R. , Tian J., Su Z., Cao H., Liu Z., Pandey D., Wei D., et al. Контроль и характеристика отдельных зерен и границ зерен в графене, выращенном методом химического осаждения из паровой фазы. Нац. Матер. 2011;10:443–449. doi: 10.1038/nmat3010. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Zhu Y., Murali S., Cai W., Li X., Suk J.W., Potts J.R., Ruoff R.S. Графен и оксид графена: синтез, свойства и применение. Доп. Матер. 2010; 22:3906–3924. doi: 10.1002/adma.201001068. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

12. Юнг И., Дикин Д.А., Пинер Р.Д., Руофф Р.С. Настраиваемая электропроводность отдельных листов оксида графена снижается при «низких» температурах. Нано Летт. 2008; 8: 4283–4287. doi: 10.1021/nl8019938. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

13. Гомес-Наварро С., Мейер Дж. К., Сундарам Р. С., Чувилин А., Кураш С., Бургхард М., Керн К., Кайзер У. Атомная структура восстановленного графена Окись. Нано Летт. 2010;10:1144–1148. дои: 10.1021/nl9031617. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

14. Дикин Д.А., Станкович С., Зимней Э.Дж., Пинер Р.Д., Домметт Г.Х.Б., Евмененко Г., Нгуен С.Т., Руофф Р.С. Приготовление и характеристика бумаги из оксида графена. Природа. 2007; 448: 457–460. doi: 10.1038/nature06016. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

15. Park H., Lim S., Nguyen D.D., Suk J.W. Электрические измерения термически восстановленных порошков оксида графена под давлением. Наноматериалы. 2019;9:1387. дои: 10.3390/нано9101387. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

16. Станкович С., Дикин Д.А., Домметт Г.Х.Б., Кольхаас К.М., Зимней Э.Дж., Стач Э.А., Пинер Р.Д., Нгуен С.Т., Руофф Р.С. Композиционные материалы на основе графена. Природа. 2006; 442: 282–286. doi: 10.1038/nature04969. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

17. Мативецкий Дж. М., Треосси Э., Оргиу Э., Мелуччи М., Веронезе Г. П., Самори П., Палермо В. Картирование локальных токов и формирование паттернов восстановленного оксида графена. Варенье. хим. соц. 2010;132:14130–14136. doi: 10.1021/ja104567f. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

18. Li J., Wu J., Huang Z., Qi X., Zhong J. Исследование локальной проводимости оксида графена с помощью кондуктивного атомно-силового микроскопа. Дж. Заявл. физ. 2019;126:215701. doi: 10.1063/1.5122883. [CrossRef] [Google Scholar]

19. Кубота В., Уцуномия Т., Ичии Т., Сугимура Х. Картирование локального тока электрохимически расслоенного оксида графена с помощью проводящего АСМ. Япония. Дж. Заявл. физ. 2020;59:SN1001. doi: 10.35848/1347-4065/ab80df. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Li X., Zhu Y., Cai W., Borysiak M., Han B., Chen D., Piner R.D., Colombo L., Ruoff R.S. Перенос графеновых пленок большой площади для высокопроизводительных прозрачных проводящих электродов. Нано Летт. 2009 г.;9:4359–4363. doi: 10.1021/nl902623y. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

21. Suk J.W., Kitt A., Magnuson C.W., Hao Y., Ahmed S., An J., Swan A.K., Goldberg B.B., Ruoff R.S. Перенос монослойного графена, выращенного методом CVD, на произвольные подложки. АКС Нано. 2011;5:6916–6924. doi: 10.1021/nn201207c. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

22. Ту Ю., Уцуномия Т., Ичии Т., Сугимура Х. Повышение электропроводности оксида графена, восстановленного в вакууме и ультрафиолете, путем многослойной укладки. Дж. Вак. науч. Технол. Б. 2017; 35:03D110. дои: 10.1116/1.4982722. [CrossRef] [Google Scholar]

23. Венугопал А., Коломбо Л., Фогель Э. Контактное сопротивление в малослойных и многослойных графеновых устройствах. заявл. физ. лат. 2010;96:013512. doi: 10.1063/1.3290248. [CrossRef] [Google Scholar]

24. Suriano R., Credi C., Levi M., Turri S. АСМ наномасштабное вдавливание в воздух полимерных и гибридных материалов с очень разной жесткостью. заявл. Серф. науч. 2014; 311: 558–566. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.05.108. [CrossRef] [Google Scholar]

25. Ван М., Лихти К.М., Уайт Дж.М., Винтер Р.М. Наноиндентирование тонких полимерных пленок с помощью межфазного силового микроскопа. Дж. Мех. физ. Твердые вещества. 2004;52:2329–2354. doi: 10.1016/j.jmps.2004.03.005. [CrossRef] [Google Scholar]

26. Дерягин Б.В., Мюллер В.М., Топоров Ю.П. Влияние контактных деформаций на сцепление частиц. J. Коллоидный интерфейс Sci. 1975; 53: 314–326. doi: 10.1016/0021-9797(75)

-1. [CrossRef] [Google Scholar]

27. Suk J.W., Na S.R., Stromberg R.J., Stauffer D., Lee J., Ruoff R.S., Liechti K.M. Исследование адгезионных взаимодействий графена с оксидом кремния методом наноиндентирования. Углерод. 2016;103:63–72. doi: 10.1016/j.carbon.2016.02.079. [CrossRef] [Google Scholar]

28. Frammelsberger W., Benstetter G., Kiely J., Stamp R. Определение толщины тонких и ультратонких пленок SiO2 на основе C-AFM с использованием различных зондовых наконечников с проводящим покрытием. . заявл. Серф. науч. 2007; 253:3615–3626. doi: 10.1016/j.apsusc.2006.07.070. [CrossRef] [Google Scholar]

29. Гомес-Наварро С., Бургхард М., Керн К. Упругие свойства химически полученных одиночных листов графена. Нано Летт. 2008; 8: 2045–2049. doi: 10.1021/nl801384y. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

30. Сук Дж.В., Мурали С., Ан Дж., Руофф Р.С. Механические измерения ультратонких аморфных углеродных мембран с помощью сканирующей атомно-силовой микроскопии. Углерод. 2012;50:2220–2225. doi: 10.1016/j.carbon.2012.01.037. [CrossRef] [Google Scholar]

31. Doniach S., Sunjic M. Многоэлектронная сингулярность в рентгеновской фотоэмиссии и рентгеновских линейчатых спектрах металлов. Дж. Физ. C: Физика твердого тела. 1970; 3: 285–291. doi: 10.1088/0022-3719/3/2/010. [CrossRef] [Google Scholar]

32. Диас Дж., Паоличелли Г., Феррер С., Комин Ф. Разделение sp ³ и sp ² в спектрах фотоэмиссии C1s пленок аморфного углерода. физ. Ред. Б. 1996; 54:8064–8069. doi: 10.1103/PhysRevB.54.8064. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

33. Li X., Magnuson C.W., Venugopal A., An J., Suk J.W., Han B., Borysiak M., Cai W., Velamakanni A., Zhu Y ., и другие. Пленки графена с большим размером домена с помощью двухэтапного процесса химического осаждения из паровой фазы. Нано Летт. 2010;10:4328–4334. doi: 10.1021/nl101629g. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

34. Исигами М., Чен Дж.Х., Каллен В.Г., Фюрер М.С., Уильямс Э.Д. Атомная структура графена на SiO ₂ . Нано Летт. 2007; 7: 1643–1648. doi: 10.1021/nl070613a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

35. Линдвалл Н., Калабухов А., Юргенс А. Очистка графена с помощью атомно-силового микроскопа. Дж. Заявл. физ. 2012;111:064904. doi: 10.1063/1.3695451. [CrossRef] [Google Scholar]

36. Choi W., Shehzad M.A., Park S., Seo Y. Влияние удаления остатков ПММА с поверхности CVD-графена с помощью контактного атомно-силового микроскопа. RSC Adv. 2017;7:6943–6949. doi: 10.1039/C6RA27436F. [CrossRef] [Google Scholar]

37. Холманов И.Н., Магнусон С.В., Алиев А.Е., Ли Х., Чжан Б., Сук Дж.В., Чжан Л.Л., Пэн Э., Мусави С.Х., Ханикаев А.Б. Улучшенная электропроводность графеновых пленок, интегрированных с металлическими нанопроволоками. Нано Летт. 2012;12:5679–5683. doi: 10. 1021/nl302870x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

38. Ян Д., Веламаканни А., Бозоклу Г., Парк С., Столлер М., Пинер Р.Д., Станкович С., Юнг И., Филд Д.А., Вентрис К.А. , и другие. Химический анализ пленок оксида графена после термической и химической обработки методами рентгеновской фотоэлектронной и микрорамановской спектроскопии. Углерод. 2009 г.;47:145–152. doi: 10.1016/j.carbon.2008.09.045. [CrossRef] [Google Scholar]

39. Лим Т., Хо Б.Т., Сук Дж.В. Высокоэффективные и термостабильные проволочные суперконденсаторы с использованием мезопористого активированного графена, нанесенного на непрерывный многослойный графен. Дж. Матер. хим. А. 2021; 9: 4800–4809. doi: 10.1039/D0TA10263F. [CrossRef] [Google Scholar]

40. Ранджан П., Агравал С., Синха А., Рао Т.Р., Балакришнан Дж., Такур А.Д. Недорогой невзрывоопасный синтез оксида графена для масштабируемых приложений. науч. Отчет 2018; 8: 1–13. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

41. Рогала М. , Домбровски П., Ковальчик П., Власны И., Козловски В., Бусякевич А., Карадуман И., Липинска Л., Барановский Дж., Клусек З. Эффект наблюдателя в оксиде графена– Как стандартные измерения влияют на химическую и электронную структуру. Углерод. 2016; 103: 235–241. doi: 10.1016/j.carbon.2016.03.015. [CrossRef] [Google Scholar]

42. Chang H., Sun Z., Saito M., Yuan Q., Zhang H., Li J., Wang Z., Fujita T., Ding F., Zheng Z. Регулирование инфракрасных фотооткликов в фототранзисторах из восстановленного оксида графена путем контроля дефектов и атомной структуры. АКС Нано. 2013;7:6310–6320. дои: 10.1021/nn4023679. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

43. Юнг И., Дикин Д., Парк С., Кай В., Мильке С.Л., Руофф Р.С. Влияние водяного пара на электрические свойства отдельных листов восстановленного оксида графена. Дж. Физ. хим. С. 2008; 112:20264–20268. doi: 10.1021/jp807525d. [CrossRef] [Google Scholar]

44. Сук Дж.В., Пинер Р.Д., Ан Дж., Руофф Р.С. Механические свойства монослойного оксида графена. АКС Нано. 2010;4:6557–6564. doi: 10.1021/nn101781v. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

45. Sadezky A., Muckenhuber H., Grothe H., Niessner R., Pöschl U. Рамановская микроспектроскопия сажи и связанных с ней углеродистых материалов: спектральный анализ и структурная информация. Углерод. 2005; 43: 1731–1742. doi: 10.1016/j.carbon.2005.02.018. [CrossRef] [Google Scholar]

46. Кинг А.А.К., Дэвис Б.Р., Нурбехешт Н., Ньюман П., Черч Т.Л., Харрис А.Т., Разал Дж.М., Минетт А.И. Новая рамановская метрика для характеристики оксида графена и его производных. науч. Отчет 2016; 6:19491. дои: 10.1038/srep19491. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

47. Lee A.Y., Yang K., Anh N.D., Park C., Lee S.M., Lee T.G., Jeong M.S. Рамановское исследование полосы D* в оксиде графена и ее корреляция с восстановлением. заявл. Серф. науч. 2021;536:147990. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.147990. [CrossRef] [Google Scholar]

48. Кларамунт С., Вареа А., Лопес-Диас Д. , Веласкес М.М., Корнет А., Сирера А. Значение межполосных полос для интерпретации рамановского спектра оксида графена. Дж. Физ. хим. К. 2015; 119: 10123–10129. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b01590. [CrossRef] [Google Scholar]

49. Noh S.H., Eom W., Lee W.J., Park H., Ambade S.B., Kim S.O., Han T.H. Индуцированное джоулевым нагревом sp2-восстановление в графеновых волокнах. Углерод. 2019;142:230–237. doi: 10.1016/j.carbon.2018.10.041. [CrossRef] [Google Scholar]

50. Срея В.Г., Винита Г., Решми Р., Анила Э.И., Джаярадж М.К. Влияние времени восстановления на оптическую нелинейность третьего порядка восстановленного оксида графена. Опц. Матер. 2017;66:460–468. doi: 10.1016/j.optmat.2017.01.042. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

51. Ту Ю., Ичии Т., Уцуномия Т., Сугимура Х. Вакуумно-ультрафиолетовое фотовосстановление оксида графена: электропроводность полностью восстановленных одиночных листов и уменьшенных микролинейных рисунков. заявл. физ. лат. 2015;106:133105. дои: 10.

No related posts.