Получение

Всего можно назвать два метода получения фуллеренов:

1. Конденсированные пары графита при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов.

2. Сжигание графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.

Второй более поздний, потому более технологичный и предпочтительный.

Схема установки для получения фуллеренов (фуллереновая дуга).

Схема установки для получения фуллеренов.

1 – графитовые электроды;

2 – охлаждаемая медная шина;

3 – медный кожух;

4 – пружины.

Изменение параметров процесса и конструкции установки ведет к изменению эффективности процесса и состава продукта.

Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась именно в дуге. Камера заполняется гелием. Поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается графитовой сажей.

Фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С₂. Для доказательства использовались электроды из ¹³С и ¹²С. Изотопы в сформировавшемся фуллерене были расположены хаотично, что дало право судить о том, что материал сначала разрушался, а потом из его компанентов собиралась единая структура.

Квантовые свойства фуллерена

Одной из основ квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм. Волновые свойства наблюдались не только у отдельных элементарных частиц, но и у атомов и даже у небольших атомных кластеров. Были продемонстрированы волновые свойства молекулы фуллерена C₆₀. Они показали, что с помощью пучка C₆₀ можно создать интерференционную картину. Также было показано, что аналогичными квантовыми свойствами обладает и молекула C₇₀.

Применение

• Оптические затворы.

• Ограничитель лазерного излучения

• В качестве полупроводника.

• Ускорение роста алмазных пленок (в 5 раз).

• Обработка фрикционных деталей.

• АКБ и ЭБ.

• Основа среды для хранения информации с высокой плотностью распределения.

• Ракетное топливо.

• Медицина.

• Солнечные элементы.

• Огнезащитные краски.

18 Графен

Это самый тонкий материал во Вселенной и самый сильный из когда-либо измеренных. Его носители заряда, представляющие пример собственной гигантской подвижности, имеют нулевую эффективную массу, и могут путешествовать в микрометровых диапазонах без рассеяния при комнатной температуре. Графен способен выдержать плотность тока на 6 порядков больше, чем у меди, показывает рекордные значения теплопроводности и жесткости. Графен непроницаем для газов и совмещает такие противоречивые свойства как хрупкость и пластичность. Транспортировка электронов в графене описывается уравнением Дирака.

Графен (англ. graphene) - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. По оценкам графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью  (~1 ТПа и ~5×10³ Вт·м⁻¹·К⁻¹ соответственно).

Открытие графена

Синтез графена ученые осуществили с помощью обычной ленты-скотча. Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита, а затем ее отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока графит не станет совсем тонким.

После манипуляций со скотчем графит переносился на подложку из окисленного кремния. Так как каждый раз клейкая лента уносила с собой разное количество слоев графита, то «на выходе» графитовая пластина имела крайне неоднородную толщину и содержала разное количество слоев. Однако в этом «рельефе» нашелся участок толщиной ровно в один слой атомов углерода — желанный графен.

Структура графена

Кристаллическая решёткаграфена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что еёобратная решёткатоже будет гексагональной. Вэлементарной ячейкекристалла находятся два атома, обозначенные A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге навектора трансляций(любой вектор вида, где m и n — любые целые числа,e₁ и e₂ – вектора трансляций) образует подрешётку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. На рисунке 1 представлены две подрешётки атомов, закрашенные разными цветами: зелёным и красным.

Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках, обозначенное a₀, составляет 1,42 Å. Постоянную решётки(α) можно получить из простых геометрических соображений. Она равна , то есть 2,46 Å.

Изображение гексагональной решётки графена. Жёлтым цветом показана элементарная ячейка, красным и зелёным цветами показаны узлы различных подрешёток кристалла

• Электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, описываются уравнением Дирака, хотя в эффекте Шубникова-де Гааза(осцилляции магнетосопротивления) наблюдаемые осцилляции соответствуют конечной циклотронной массе.

• Так как закон дисперсии для носителей идентичен закону для безмассовых частиц, графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики.

• Квантовый эффект Холла в графене может наблюдаться даже при комнатной температуре из-за большой циклотронной энергии, при которой температурное размытие функции распределения Ферми-Дирака меньше этой энергии  (это расстояние между первым и нулевым уровнями Ландау равно 1200 K при магнитном поле 9 Т).

• При сворачивании графена в цилиндр получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами.

• В графене отсутствует вигнеровская кристаллизация (Ви́гнеровский кристалл — упорядоченное состояние электронов, находящихся в поле положительного, равномерно распределённого заряда).

• В графене нарушается приближение Борна-Оппенгеймера (адиабатическое приближение), гласящее, что в силу медленного движения ионных остовов решётки их можно включить в рассмотрение как возмущение, известное как фононы решётки, — основное приближение, на котором строится зонная теория твёрдых тел.

Линейный закон дисперсии

Линейный закон дисперсии электронов, а также то, что они являются фермионами (имеют полуцелый спин), вынуждает использовать для описания графена не уравнение Шредингера, как в физике твердого тела, а уравнение Дирака. Поэтому электроны в графене называют дираковскими фермионами, а определенные участки кристаллической структуры графена, для которых закон дисперсии линеен, — дираковскими точками.

Термические свойства

Графен установил рекорд и по теплопроводности. Измеренный коэффициент теплопроводности двумерного углерода в 10 раз больше коэффициента теплопроводности меди, которая считается отличным проводником теплоты. До открытия графена звание лучшего проводника тепла принадлежало другой аллотропной форме углерода — углеродной нанотрубке. Графен улучшил этот показатель почти в 1,5 раза.

Механические свойства

Для наглядности рассмотрим гипотетический гамак из графена площадью 1 м². Зная поверхностную плотность графена (0,77 мг/м²), нетрудно посчитать, что такой гамак имеет массу 0,77 миллиграмм. Несмотря на кажущуюся хрупкость, этот гамак спокойно выдержит взрослого кота (массой приблизительно 4 кг). И хотя из-за двумерности графена сравнивать его прочностные характеристики с другими 3D-материалами некорректно, для стального гамака такой же толщины «критическая» масса, приводящая к разрыву, была бы в 100 раз меньше. То есть графен на два порядка прочнее стали.

Оптические свойства

Выяснилось, что углеродная плёнка толщиной в один атом задерживает 2,3% проходящего света. Исследователи показали, что данная величина напрямую зависит от постоянной тонкой структуры (α), константы, определяющей взаимодействие электрических зарядов и фотонов. Причём никаких сложных вычислений для получения альфы не требуется.

Применение графена

В настоящее время наиболее обсуждаемым и популярным проектом является использование графена как нового «фундамента» микроэлектроники, призванного заменить существующие технологии на базе кремния, германия и арсенида галлия. Высокая подвижность зарядов вместе с атомарной толщиной делают графен идеальным материалом для создания маленьких и быстрых полевых транзисторов — «кирпичиков» микроэлектронной промышленности. Cотрудники лаборатории IBM, сумели создать графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц (это в 2,5 раза превышает быстродействие транзистора того же размера, изготовленного на кремниевой основе).

Сочетание прозрачности, хорошей электрической проводимости и эластичности графена привело к мысли использовать его при создании сенсорных дисплеев и фотоэлементов для солнечных батарей. В ходе экспериментов было доказано, что почти по всем показателям устройства подобного рода на основе графена лучше, чем используемые сейчас устройства на основе оксида индия-олова (сокращенно ITO).

Области, где его использование уже началось:

• это материал для изготовления электродов в ионисторах— конденсаторах с огромной емкостью, порядка 1 Ф (фарад) и больше;

• на основе графена создаютсямикрометровые газовые сенсоры, способные «почувствовать» даже одну молекулу газа;

• с помощью графена ученые провели секвенирование ДНК;

Успехи, связанные с применением графена, носят пока что единичный характер. Основные трудности заключаются в синтезе высококачественных недорогих листов графена большой площади, имеющих стабильную форму. Тем не менее последние публикации, посвященные получению графена, внушают определенный оптимизм. Недавно в журнале Nature Nanotechnology появилась совместная статьякорейских, сингапурских и японских технологов, в которой они пишут о получении 30-дюймовых (72 см) графеновых листов методами, которые, возможно, поставят производство двумерного углерода на поток.

19

Квазикристалл — одна из форм организации структуры твёрдых тел, наряду с кристаллами и аморфными телами (стёклами), характеризующаяся осью симметрии, запрещенной в классической кристаллографии и наличием дальнего порядка.

Квазикристаллы, как правило, сплавы металлических элементов. Но физические свойства квазикристаллов отличаются от свойств других металлических систем. Электросопротивление металлов увеличивается при возрастании температуры, концентрации примесей, структурных дефектов. Квазикристаллы не изоляторы и не полупроводники, но в отличие от металлов их электросопротивление при низких температурах аномально велико, уменьшается с ростом температуры и возрастает по мере увеличения структурного порядка и отжига дефектов (длительный нагрев, устраняющий дефекты). Другая особенность - конечный, как и у металлов, линейно зависящий от температуры электронный вклад в удельную теплоемкость. По сравнению с металлом он занижен, но указывает на наличие свободных носителей заряда; у диэлектриков подобного вклада в теплоемкость нет.

Структура элементарной ячейки большинства кристаллов основана на таких простых геометрических телах, как куб. тетраэдр и октаэдр. Структура квазикристаллов, таких, как сплав алюминия с марганцем, основана на другом геометрическом теле – икосаэдре (20 граней, каждая из которых представляет собой равносторонний треугольник, 12 вершин, 30 ребер). Икосаэдры невозможно упаковать так, что бы они плотно, без зазоров, заполняли все пространство, поэтому они не могут служить элементарными ячейками кристаллов.

Ам́орфные веществ́а не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней, как правило — изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи и др. Стекло — твердотельное состояние аморфных веществ. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах). Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования T. При температурах свыше T, аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.

Материалы с аморфной, квазикристаллической и интерметаллидной структурой и функционально-градиентные покрытия обеспечат принципиально новый уровень свойств по сравнению с кристаллическими аналогами. Это позволит создавать конкурентоспособные изделия различного назначения, работающие в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе:

• системы комплексной защиты конструкций, приборов, силовых сетей и персонала от магнитного, электромагнитного и рентгеновского излучения, вибрации, температурных, механических и коррозионных воздействий, воздействия агрессивных сред;

• устройства для записи и хранения информации;

• элементы систем управления особо точной техникой;

• эффективные устройства для накопления и безопасного хранения водорода для транспортных систем и энергетических установок;

• системы очистки, дезактивации и опреснения воды;

• теплообменные модули энергетических установок с предельными теплофизическими характеристиками;

• особо чувствительные сенсорные устройства для измерения физических полей;

• изделия медицинской техники;

• функциональные материалы и многослойные структуры на основе материалов с фотонной запрещенной зоной, бактериородопсина, синтетических органических и неорганических фотопреобразующих, фотохромных и светоизлучающих материалов для создания перспективной оптоэлектронной техники, оптических носителей информации, хемососенсоров, регуляторов химических реакций различного типа, компонентов интегральной оптики, а также для применения в перспективных информационных системах и в системах защиты ценных бумаг;

20

См №6