(PhysOrg.com) -- Een tijdige review die de correlatie analyseert van synthesemethoden en fysieke eigenschappen van grafeenvlokken met één en enkele lagen.

Een overzicht van methoden die worden gebruikt voor het synthetiseren van zowel enkellaags als grafeen met enkele lagen en de resulterende eigenschappen wordt gepresenteerd door C.N.R. Rao en collega's van het Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research en Indian Institute of Science, Bangalore. Het artikel is onlangs gepubliceerd in Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen .

De groep vergelijkt niet alleen de elektrische, magnetische en oppervlakte-eigenschappen van het resulterende grafeen [2] maar gebaseerd op hun eigen onderzoek, de auteurs beschrijven de fysieke eigenschappen van grafeen-polymeercomposieten en veldeffecttransistoren die zijn vervaardigd met behulp van grafeen.

Sinds het eerste rapport over de mechanische isolatie van grafeen van grafiet, de interesse in de fysische eigenschappen en mogelijke toepassingen, zoals transparante elektroden voor zonnecellen, nano-elektronica en robuuste mechanische structuren - heeft geleid tot een ongekende toename van het aantal publicaties over de synthese, eigenschappen en toepassingen van dit unieke 2D-materiaal.

Maar het vakgebied staat nog in de kinderschoenen, met uitdagingen en problemen die moeten worden opgelost, in het bijzonder de effecten van de synthesemethode op de eigenschappen van het resulterende grafeen.

De Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 werd toegekend aan Andre Geim en Konstantin Novoselov van de Universiteit van Manchester "voor baanbrekende experimenten met betrekking tot het tweedimensionale materiaal grafeen" - een unieke koolstofstructuur van slechts één atoom dik die tot de verbeelding van materiaalwetenschappers over de hele wereld sprak. breed.

De Manchester-onderzoekers rapporteerden in 2004 over de extractie en eigenschappen van grafeen [1]. De eenvoud van de ‘synthese’ verraste veel wetenschappers, want wie had ooit gedacht dat hij met een stukje plakband een atomaire laag koolstof zou kunnen isoleren van een blok grafiet?

Enkellaags grafeen (SLG) wordt geproduceerd door het mechanisch ‘afpellen’ van een laag koolstof van sterk geordend pyrolytisch grafiet, die vervolgens wordt overgebracht op een siliciumsubstraat. chemisch, SLG wordt bereid door reductie van een dispersie van enkellaags grafeenoxide met hydrazine. Dit resulterende gereduceerde grafeenoxide (RGO) is een zwarte suspensie die resterende zuurstof bevat, en dit onderscheidt het van SLG verkregen door andere methoden.

Niet-chemische methoden voor het produceren van SLG-lagen zijn onder meer verhitting van Si-getermineerd (0001) eenkristal 6H-SiC in vacuüm tussen 1250 en 1450 ºC gedurende enkele minuten en ontleding van koolwaterstoffen - methaan, ethyleen, acetyleen en benzeen - op platen van katalytische overgangsmetalen zoals Ni. Het eigen onderzoek van de auteurs naar chemische dampafzetting op nikkel- en kobaltfilms toonde aan dat het aantal lagen afhankelijk was van de keuze van koolwaterstoffen en experimentele geleidingen, en belangrijker nog, dat de grafeenlagen na afkoeling moeilijk van het metaaloppervlak te verwijderen waren.

Bekende methoden voor het produceren van grafeen met weinig lagen zijn thermische exfoliatie van grafietoxide bij 1050 ºC, de chemische reactie van een waterige oplossing van SGO met hydrazinehydraat bij de refluxtemperatuur of door microgolfverwarming, het verwarmen van 4-6 nm nanodiamantdeeltjes in een inerte of reducerende atmosfeer boven 1500 ºC, en boogverdamping van grafiet in een waterstofatmosfeer. Het team ontdekte dat de laatste methode grafeen oplevert met slechts 2-3 lagen van 100-200 nm grote vlokken, hoewel ze opmerken dat het beheersen van het aantal lagen grafeen nog steeds een uitdaging is.

Het oppervlak van grafeen is een belangrijke parameter voor toepassingen zoals gasdetectie en opslag van gassen zoals waterstof. In vergelijking met enkellaags grafeen, welke theorie voorspelt een groot oppervlak van 2600 m ² /G, metingen door de Bangalore-groep op grafeen met weinig lagen toonden aan dat het oppervlak 270-1550 m . was ² /G.

De elektronische structuur van grafeen wordt bepaald door de ‘randtoestanden’ van grafeenvlokken, met dubbellaags grafeen voorspeld ferromagnetisch te zijn. Rao en collega's toonden aan dat de Curie-Weiss-temperaturen verkregen uit de inverse gevoeligheidsgegevens bij hoge temperatuur negatief waren in alle door hen gemeten monsters, wijst op antiferromagnetisme. De auteurs wijzen op de mogelijkheid van het naast elkaar bestaan ​​van verschillende soorten magnetische toestanden binnen een enkele vlok grafeen. In aanvulling, alle grafeenmonsters vertoonden magnetische hysterese bij kamertemperatuur, met elektronenparamagnetische resonantiemetingen die suggereren dat dit gedrag niet afkomstig was van onzuiverheden van overgangsmetaal.

Elektrische metingen toonden halfgeleidend gedrag in grafenen met weinig lagen met een geleidbaarheid die toenam tussen 35 en 300 K, die verschilt van de metaalachtige aard die wordt vertoond door het enkellaags grafeen, en de elektrische geleidbaarheid van grafeenmonsters nam af met een toenemend aantal lagen. Verder, enkele laags grafeenmonsters waren van het n-type en geschikt voor de fabricage van veldeffecttransistoren, en de beste transistors werden gerealiseerd met grafeen met weinig lagen, geproduceerd door boogontlading van grafiet in waterstof. Bij metingen aan composieten van een polymeer en grafeen met weinig lagen (PMMA-RGO, PMMA-HG en PVA-EG), de elektrische geleidbaarheid van de composieten nam toe met het toenemende grafeengehalte. Thermo-elektrische metingen onthulden een relatief klein thermovermogen in grafeen met weinig lagen in vergelijking met grafeen in één laag. interessant, enkele laags grafenen met het grootste oppervlak vertoonden de sterkste interactie met elektronendonor- en acceptormoleculen via moleculaire ladingsoverdracht.

Deze recensie bevat 68 referenties en 21 cijfers en biedt een onschatbare bron van actuele informatie voor nieuwkomers en experts op dit opwindende onderzoeksgebied.