27. Unikatowe właściwości grafenu

Prezentacja na temat: "27. Unikatowe właściwości grafenu"— Zapis prezentacji:

1 27. Unikatowe właściwości grafenu
Sławomir Górnik, GiG I rok mgr, grupa 3 Kraków

2 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

3 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.

4 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]

5 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]

6 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

7 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,

8 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.

9 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%.

10 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.

11 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]

12 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.

13 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

14 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.

15 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]

16 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]

17 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.

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

19 Bibliografia i netografia
[1] [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] [7]

20 Dziękuję za uwagę!