27. Unikatowe właściwości grafenu Sławomir Górnik, GiG I rok mgr, grupa 3 Kraków 30.05.2016 www.agh.edu.pl

Plan prezentacji Alotropia 2. Odmiany alotropowe węgla 3. Grafen 4. Nagroda Nobla 5. Właściwości grafenu 6. Wybrane sposoby otrzymywania grafenu 7. Możliwe zastosowania 8. Podsumowanie www.agh.edu.pl

1. Alotropia z greki: állos ‘obcy’, ‘inny’, trópos ‘sposób’, ‘postać’, występowanie tego samego pierwiastka chemicznego (substancji prostej) w dwóch lub więcej odmianach znajdujących się w tym samym stanie skupienia, Każda odmiana alotropowa jest trwała w pewnym zakresie temperatury i ciśnienia; odpowiednia zmiana tych warunków może spowodować określoną przemianę alotropową. Odmiany alotropowe tworzą m.in.: arsen, cyna, fosfor, selen, siarka.

2. Odmiany alotropowe węgla a – diament b – grafit c – lonsdaleit (domniemana struktura) d – fuleren C60 e – fuleren C540 f – fuleren C70 g – węgiel amorficzny h – nanorurka Rys. 1. Odmiany alotropowe węgla Źródło: Wikipedia, Michael Ströck [1]

Rys. 2. Struktura grafenu (a) i grafitu (b) alotropowa odmiana węgla, pojedyncza warstwa atomów węgla (grubość jednego atomu – struktura dwuwymiarowa), długość wiązania między atomami węgla 0,142 nm (1,42 Å) Rys. 2. Struktura grafenu (a) i grafitu (b) Źródło: Synteza i zastosowania biomedyczne grafenu: obecne i przyszłe trendy, Ajay Kumar i Chee Huei Lee [2]

4. Nagroda Nobla za „przełomowe doświadczenia dot 4. Nagroda Nobla za „przełomowe doświadczenia dot. dwuwymiarowego materiału – grafenu” Andre Geim Konstantin Novoselov Nagroda Nobla z fizyki w 2010 roku

4. Nagroda Nobla za „przełomowe doświadczenia dot 4. Nagroda Nobla za „przełomowe doświadczenia dot. dwuwymiarowego materiału – grafenu” wyizolowanie warstwy grafenu nastąpiło w 2004 przez przyklejanie do grafitu zwykłej taśmy klejącej i badanie pozostałości z taśmy, rok później okazało się, że quasi cząsteczki grafenu to fermiony Dirac’a (pozbawione masy cząstki posiadające specyficzny układ spinowy), wytworzenie oraz opisanie właściwości materiału, który zbudowany jest z warstwy węgla o grubości jednego atomu,

5. Właściwości grafenu stabilny przy co najmniej 25 tysiącach atomów węgla (niestabilny < 6 tys.), trzy elektrony walencyjne tworzą wiązania z innymi elektronami walencyjnymi sąsiednich atomów węgla, wolne elektrony walencyjne odpowiadają m. in. za niektóre z właściwości grafenu, waga 0,77 miligramów na metr kwadratowy.

5. Właściwości grafenu c.d. ponad 300 razy bardziej wytrzymały na rozciąganie (130 GPa) niż stal konstrukcyjna (0,4 GPa) lub kewlar (0,376 GPa), pochłania około 2,3% padającego światła białego (niemal całkowicie przezroczysty), ruchliwość elektronów co najmniej 10-krotnie lepsza niż dla krzemu (prędkość poruszania się elektronów w grafenie 1/300 prędkości światła), elastyczny – możliwość rozciągnięcia o 20%.

Źródło: Grafen – materiał przyszłości, Hebda, Łopata [3] 5. Właściwości grafenu c.d. Tabela 1. Właściwości fizyczne grafenu uzyskane przez firmę XG Sciences Źródło: Grafen – materiał przyszłości, Hebda, Łopata [3] Wartości porównawcze: przewodność cieplna – miedź do 400 W/mK, moduł sprężystości – diament 1050 – 1200 GPa.

Rys. 3. Metody otrzymywania grafenu 6. Sposoby otrzymywania grafenu Rys. 3. Metody otrzymywania grafenu Źródło: Badania nad syntezą i funkcjonalizacją grafenu i tlenku grafenu, Aleksandrzak [4]

Rys. 4. Metoda oddzielania grafenu od grafitu 6. Sposoby otrzymywania grafenu: mikro-mechaniczna eksfoliacja Rys. 4. Metoda oddzielania grafenu od grafitu Źródło: Produkcja i przetwórstwo grafenu i kryształów 2D, Bonaccorso, Lombardo, Hasan, Sun, Colombo, Ferrari [5] wysokie koszta produkcji, niska wydajność, powstają ‘płatki’ o wielkości maksymalnie kilkudziesięciu mikronów, nieprzydatne do zastosowań praktycznych. + wysokie parametry ruchliwości elektronów, + wysoka jakość warstw grafenowych.

Rys. 5. Mechanizm wzrostu grafenu na miedzi 6. Sposoby otrzymywania grafenu: epitaksjalny wzrost (metoda CVD) Osadzanie grafenu z fazy gazowej na miedzi Rys. 5. Mechanizm wzrostu grafenu na miedzi Źródło: Synteza i zastosowania biomedyczne grafenu: obecne i przyszłe trendy, Ajay Kumar i Chee Huei Lee [2] + niższy koszt produkcji + możliwość wykorzystania do produkcji ekranów dotykowych - niższa jakość powstałego grafenu - nie może być wykorzystywany do produkcji urządzeń elektronicznych

Rys. 6. Mechanizm wzrostu grafenu na miedzi 6. Sposoby otrzymywania grafenu: epitaksjalny wzrost (metoda CVD) Osadzanie grafenu z fazy gazowej na miedzi Rys. 6. Mechanizm wzrostu grafenu na miedzi Źródło: Synteza i zastosowania biomedyczne grafenu: obecne i przyszłe trendy, Ajay Kumar i Chee Huei Lee [2] wprowadzenie do komory reakcyjnej gazowych substratów, wyżarzanie (temp. 900–1100 °C), umożliwiających tworzenie się warstw, doprowadzenie prekursorów (gazu, para) do komory za pomocą gazów nośnych obojętnych (np. argonu) lub mieszaniny tych gazów. w końcowym etapie zachodzi koalescencja, czyli łączenie się cząstek grafenowych w większe powierzchniowo cząstki.

Rys. 7. Rakieta tenisowa z dodatkiem grafenu 7. Możliwe zastosowania grafenu wzmacnianie i ‘odchudzanie’ konstrukcji (obecnie grafenowe rakiety tenisowe – pierwszy zawodnik Novak Djoković), możliwość budowy wysokosprawnych ogniw fotowoltaicznych, elastyczne ekrany dotykowe opierające się na grafenie (eliminując w znacznym stopniu użycie w nich metali ziem rzadkich, Rys. 7. Rakieta tenisowa z dodatkiem grafenu Źródło: [6]

Rys. 8. Grafenowy procesor polowy 7. Możliwe zastosowania grafenu c.d. zastąpienie krzemu w urządzeniach elektronicznych (IBM – procesor 100GHz, w 2011 roku tranzystor charakteryzujący się częstotliwością pracy na elastycznej plastikowej płytce 25GHz), możliwe skrócenie czasu ładowania akumulatorów do kilkudziesięciu sekund, skonstruowano urządzenie w oparciu o grafen, które imituje działanie ludzkiej siatkówki, (przywrócenie wzroku osobom z poprawnie działającym nerwem wzrokowym), odsalanie wody. Rys. 8. Grafenowy procesor polowy Źródło: [7]

8. Podsumowanie Nawet w przypadku wykonania jednego na sto z tych zastosowań, będzie miało to duży wpływ na obecny świat. Warto wspomnieć, że z powodu na trudne otrzymywanie grafenu (w przeszłych latach) kwiecień 2008 roku cena rynkowa 100 mln $ za cm2. (najdroższa substancja na Ziemi). Obecnie około 400 zł za cm2. Obecnie jest dużo więcej metod otrzymywania grafenu i większym problemem jest otrzymanie produktu o odpowiedniej czystości i pozbawionego defektu w sieci.

8. Podsumowanie c.d. Inne możliwe przyszłościowe materiały: karbin, czarny fosfor, molibdenit.

Bibliografia i netografia [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Allotropes_of_carbon [2] ”Synthesis and biomedical applications of graphene – present and future trends”, Ajay Kumar, Chee Huei Lee [3] ”Grafen – materiał przyszłości”, Hebda, Łopata [4] Rozprawa doktorska „Badania nad syntezą i funkcjonalizacją grafenu i tlenku grafenu”, Aleksandrzak [5] „Production, Processing and Placement of Graphene and Two Dimensional Crystals”, Bonaccorso, Lombardo, Hasan, Sun, Colombo, Ferrari [6] http://justynawojtaczka.blogspot.com/2013_12_01_archive.html [7] http://www.geek.com/chips/mit-unveils-graphene-chip-could-lead-to-1000-gigahertz-processors-726741/

Dziękuję za uwagę!