Adrian Dziadyk, GiG I mgr, grupa 1 Kraków, 18.03.2015 r. Unikatowe właściwości grafenu Adrian Dziadyk, GiG I mgr, grupa 1 Kraków, 18.03.2015 r.

Plan prezentacji Odmiany alotropowe węgla Czym jest grafen? Własności grafenu Jak otrzymać grafen? Zastosowanie Podsumowanie i wnioski końcowe

Odmiany alotropowe węgla Rys. 1. Odmiany alotropowe węgla [7]

Czym jest grafen? Alotropowa odmiana węgla, Rys. 2. Struktura grafenu [1] Alotropowa odmiana węgla, Jednowarstwowa budowa atomowa, Długości wiązać C-C na poziomie 1,42 Å. Rys. 3. Grafen w powiększeniu mikroskopowym [2]

Własności grafenu Jedyny materiał 2D – pojedyncza warstwa atomów, Ponad 200-krotnie wytrzymalszy od stali o tej samej grubości [3], Możliwość rozciągania nawet do 20% [3], Moduł Younga równy 1 TPa (St - 0,2 TPa) [3], Wytrzymałość na rozciąganie 5 GPa (St –max 0,8 GPa), Wytrzymałość na pękanie kompozytów grafenowych wynosi nawet 1380 MJ/m3 (kevlar – 33 MJ/m3, kompozyty pajęcze – do 500 MJ/m3) [5],

Własności grafenu Przewodność cieplna rzędu od 4840±440 do 5300±480 W/mK (Ag – 429 W/mK, a C – od 900 do 2320 W/mK) [3], Przewodność elektryczna rzędu 10-8 Ωm (Cu i Ag – rząd 10-7 Ωm) [4], Zdolność przejścia ze stanu idealnego przewodnika do idealnego izolatora (grafan) i osiągnięcia wszystkich stanów pośrednich przewodzenia prądu [3], Niemal całkowicie przezroczysty – pochłania 2,3% światła [3], Prędkość poruszania się elektronów w grafenie wynosi 1/300 c [3].

Nagroda Nobla za przełomowe badania nad grafenem Po raz pierwszy grafen uzyskali Andre Geim i Kostya Novoselov. W roku 2004 wyekstrahowali oni warstwę materiału o grubości 1 atomu z grafitu przy użyciu technologii mikromechanicznego rozszczepienia. 6 lat później za to osiągnięcie otrzymali Nagrodę Noble za „przełomowe doświadczenia dotyczące dwuwymiarowego materiału – grafenu”. Zdj.1. Andre Geim i Kosya Novoselov – pionierzy w dziedzinie grafenu [6]

Wypowiedź z wywiadu udzielonego serwisowi nobelprize.org Andre Geima o grafenie „Wyobraźcie sobie kartkę papieru ale milion razy cieńszą. Jest to grubość grafenu. Wyobraźcie sobie materiał twardszy od diamentu. To jest twardość grafenu (w płaszczyźnie). Wyobraźcie sobie materiał bardziej przewodzący niż miedź. Jest to przewodnictwo grafenu. Wyobraźcie sobie urządzenie badające te same własności fizyczne jak urządzenie, które mają naukowcy w CERN, ale takie małe, że zmieści się na twoim biurku. Grafen pozwoli to zrealizować.” Wypowiedź z wywiadu udzielonego serwisowi nobelprize.org

Jak otrzymać grafen? 1. Mechaniczne rozdzielanie (odrywanie) z grafitu Rys. 4. Mechaniczne rozdzielanie grafenu z grafitu Tak otrzymany grafen ma bardzo wysokie parametry ruchliwości. Nie może być wytwarzany na masową skalę ze względu na ogromne koszty – w 2008 roku 1cm2 tak powstałego grafenu kosztował 100 mln dolarów.

Jak otrzymać grafen? 2. Osadzanie fazy gazowej na metalach – metoda CVD Rys. 5. Metoda CVD otrzymywania grafitu Koszt produkcji tą metodą jest znacząco niższy, niż podczas mechanicznego rozdzielania; możliwa produkcja ekranów dotykowych Znacznie niższa jakość niż podczas otrzymywania z grafitu; nie może być stosowany do produkcji urządzeń elektronicznych

Jak otrzymać grafen? 3. Rozkład termiczny (epitaksja) na węgliku krzemu Rys. 6. Epitaksjalny wzrost grafenu na podłożu SiC Metoda ta pozwala na otrzymywanie dużych powierzchni wysokiej jakości grafenu. Sterowanie temperaturą – większa liczba warstw. Sam koszt produkcji grafenu nie jest wysoki, lecz koszt podłoża SiC już tak – ok. 100 dolarów za 1 cm2.

Możliwe zastosowanie grafenu Tranzystory, układy scalone Zdj. 2. Tranzystor Halla na bazie grafenu W 2010 w MIT (Boston, USA) zbudowano tranzystor emitujący tak czysty sygnał, że nie potrzebował on żadnych filtrów, przy tym układ był dużo mniejszy od krzemowego i był bardziej energooszczędny. Zdj. 3. Pierwszy grafenowy procesor polowy [10] 2009, IBM skonstruowało metodą epitaksji na podłożu SiC pierwszy grafenowy procesor polowy – tunel o grubości 20 nm, którym przepłynęły elektrony. Tak powstały układ jest nieporównywalnie oszczędniejszy od tradycyjnych CPU oraz pracuje z częstotliwością 300 GHz, a plany mówią o 1THz!

Możliwe zastosowanie grafenu - nanorurki Elementy pamięci, nanowaga Rys. 7. Fulleren C60 zamknięty w nanorurce Rys.8. Projekt nanowagi, Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley Manipulacja położeniem „piłeczki” odbywa się za pomocą przyłożonego napięcia. Każde z położeń określa stan logiczny 0 lub 1. Istnieją możliwości skonstruowania trwałej pamięci o częstotliwości zapisu rzędu 1 THz. Waga zdolna do pomiaru masy pojedynczych molekuł lub cząstek w temperaturze pokojowej, np. atomów złota. Zasada działania opiera się na pomiarze częstotliwości rezonansowej wagi, na której osadzają się atomy. Dokładność pomiaru to 3,25x10-25 kg.

Możliwe zastosowanie grafenu - nanorurki Nanoradio, lina Rys. 9. Nanoradio, Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley Rys.10. Projekt liny z Ziemii do satelity stacjonarnego, NASA Jedno urządzenie – antena wprawia nanorurkę w drgania za sprawą fal elektromagnetycznych. Drgania te zmieniają prąd emisji polowej pomiędzy rurką a anodą, która jest odbiornikiem. Gdy nanorurka drga z częstotliwością odpowiadającą fali nośnej, zmiana prądu pojawia się w wyniku reakcji na falę niosącą informację. Idea stworzenia windy o długości liny co najmniej 36 000 km, której średnica nie przekroczy kilkadziesiąt μm. Winda ta ma miałaby połączyć stacjonarnego satelitę, znajdującego się na orbicie okołoziemskiej z Ziemią.

Podsumowanie i wnioski końcowe Grafen to materiał przyszłości, mogący wprowadzić ludzkość w całkiem nową erę miniaturyzacji na niespotykaną dotychczas skalę. Wraz z opanowaniem skutecznej i przystępnej cenowo technologii produkcji grafenu świat czeka rewolucja porównywalna z wynalezieniem koła czy powstania Internetu. Ultralekkie, ekstremalnie wytrzymałe, a zarazem wysokie konstrukcje, np. wieżowce czy samoloty to tylko kwestia czasu. Smartfony z elastycznym ekranem, e-papier, ultracienkie komputery i telewizory – w naszych rękach już za kilka(naście) lat.

Bibliografia i netografia [1] http://www.ewels.info/img/science/graphite/CO3_graphite.gif [2] http://www.chem-station.com/en/wp-content/uploads/2014/01/Real_graphene.jpg [3] http://suw.biblos.pk.edu.pl/downloadResource&mId=531139 [4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Konduktywno%C5%9B%C4%87 [5] http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234 [6] http://referentiel.nouvelobs.com/file/1120297-le-nobel-de-physique-recompense- les-pionniers-du-graphene.jpg [7] http://www.google.pl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CCcQFjAB &url=http%3A%2F%2Fwww.if.pw.edu.pl%2F~pietnoczka%2FWyk%25B3ad2_Elektronowa%2520struktura%2520atomu.pdf&ei=hI4IVYOkHYzLaN_IgLAF&usg=AFQjCNFSqE3rmLSlsOi0zHLSlU7BNl7vhw&sig2=2icl5LFRo3-Php07jbC05A&bvm=bv.88198703,d.d2s&cad=rja [8] http://kierownik-transportu.pl/wp-content/uploads/2014/04/8.jpg [9] https://pl.wikipedia.org/wiki/Grafen [10] http://www.geek.com/chips/mit-unveils-graphene-chip-could-lead-to-1000-gigahertz-processors-726741/

Dziękuję za uwagę!