Grafen i jego własności

Transkrypt

1 Grafen i jego własności Jacek Baranowski Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

2 W Polsce są duże pokłady węgla, niestety nie można ich przerobić na grafen, tak jak nie można przerobić ich na diamenty

3 Grafen budulcem fulerenów, nanorurek i grafitu (węgiel w hybrydyzacji sp 2 )

4 Grafen jest niezwykłym materiałem 1. Dwuwymiarowy materiał grubości pojedynczej warstwy atomów węgla 2. Posiada niezwykłe własności elektryczne 3. Najbardziej wytrzymały materiał w przyrodzie a jednocześnie elastyczny 4. Przezroczysty dla światła 5. Sieć grafenu jest idealną membraną 6. Nieaktywny chemicznie 7. Posiada przewodnictwo cieplne porównywalne do diamentu

5 Liczba publikacji W ostatnich latach zostało opublikowane prac dotyczących grafenu T 2 = T 2 =3.3 1 Dane wg bazy Scopus Rok

6 Patenty firmy Samsung

7 Plan 1. Wstęp - Exfoliated grafen 2. Epitaksjalny grafen elektryczne własności 3. Optyczne własności 4. Mechaniczne własności 5. Chemiczny grafen i jego zastosowania

8 Komórka elementarna grafenu W płaszczyźnie xy wiązania sp 2 sp 2 typu s Prostopadle do płaszczyzny xy rezonansowe wiązania p z p z typu p

9 Elektronowa struktura pasmowa wiązań typu p grafenu Stożek Dirac a (v=c/300)

10 ARPES pokazujący strukturę pasmową grafenu w okolicy punktu K

11 Struktura pasmowa podwójnej warstwy grafenu ułożonej w strukturze Bernala AB

12 Struktura pasmowa podwójnej warstwy grafenu ułożonej jako AA (turbostatic) (J. Hass, PRL 100, (2008)

13 13 Nobel prize GRAPHENE. Exfoliated Graphene 2004r., A.Geim and K.Novoselov Manchester Univ.

14 Relatywistyczny kwantowy efekt Hall a w grafenie K.S. Novoselov et al., Nature (London) 438, 197 (2005). B=0 B 0

15 Exfoliated grafen płatki monokrystaliczne W exfoliated grafenie ruchliwość 2x10 5 cm 2 /Vs dla n=10 10 cm -2 w 300K

16 Gęstość ładunku w płatkach grafenowych położonych na podłożu h-bn i SiO 2 (Regis Decker et al.. Nano Lett. 11, 2291 (2011)

17 2. Epitaksjalny grafen duże powierzchnie 1. Otrzymywany na SiC 2. Otrzymywany na metalach

18 Epitaksjalny grafen otrzymywany na SiC Technologia rozwinięta przez Walter a deheer a z Georgia Institute of Technology

19 Sublimacja Si z SiC w temperaturze C

20 Epitaksjalny grafen na SiC, polikrystaliczny - wzrost od dołu SUBLIMACJA Si z SiC 3 podwójne warstwy SiC dają 1 mono-warstwę C.

21 Epitaksjalny wzrost grafenu na SiC technologia rozwinięta przez dr W.Strupińskiego z ITME

22 Epitaksja CVD grafenu na SiC wzrost od góry Ar C 3 H 8 Ar ºC mbar SiC SUBSTRATE

23 LEEM warstwy epitaksjalnej grafenu (A.Meyer and J.I.Flege, University of Bremen)

24 Obraz TEM warstwy podwójnej grafenu (prof. P.Dłużewski IF PAN)

25 Magneto-absorpcja wywołana przejściami pomiędzy poziomami Landau a w grafenie wzrastanym na polarności C 4H-SiC (A.Witowski)

26 Wzrost CVD na metalach (folie Cu, Ni) Rozpuszczanie się C w metalu w C

27 Schematyczne ilustracja osadzania, odtrawiania i przenoszenia dużych grafenowych warstw. Po wytrawieniu metalu film grafenowy może być przeniesiony na dowolne podłoże i poddany procesowi litografii.

28 Grafen na folii Cu i przenoszony na folie plastykową (Sukang Bae et al. DOI: /NNANO )

29 Roll to roll produkcja folii grafenowych w firmie Samsung

30 Własności epitaksjalnego grafenu (EG) 1. Warstwy grafenu są dużych rozmiarów ale polikrystaliczne 2. Pomiary Halla pokazują ruchliwości rzędu 10 3 cm 2 /Vs

31 Elektronowe zastosowania grafenu Grafen ma zerową przerwą energetyczną i tranzystory grafenowe nie mogą pracować w trybie: on off jako elementy cyfrowe, które wymagają stosunku I on /I off rzędu 10 4

32 Paski grafenowe otwierają przerwę w grafenie i umożliwiają cyfrowe zastosowania w przyszłej elektronice

33 Grafenowy obwód scalony RF mixer (Yu-Ming Lin et al.. Science 10 June 2011, 332, p.1294)

34 Prawo Moor a

35 3. Optyczne własności grafenu

36 Grafen może być widoczny gołym okiem, pojedyncza warstwa absorbuje 2.3% światła białego. R.R. Nair et al.,science 320, 1308 (2008) a(w) = p/137 = 0.023

37 4. Mechaniczne własności grafenu

38 Grafen niezwykle wytrzymały i nieprzepuszczalny dla gazów. Graphene balloon (Cornell University)

39 Wytrzymałość na rozciąganie Wykorzystanie kompozytów węglowych Dane - Toray Industries, Inc Moduł sprężystości

40 Odporność chemiczna grafenu (wszystkie wiązania wysycone)

41 Zastosowania folii grafenowych 1. Trwałe grafenowe ekrany dotykowe 2. Elektrody do elastycznej elektroniki na plastykach 3. Elektrody do paneli fotowoltaicznych 4. Kompozyty grafenowe

42 5.Chemiczny grafen i jego zastosowania `

43 Przewodzący grafenowy atrament (Conductive graphene ink) Jest pierwszym grafenowym produktem na rynku dającym możliwość przewodzącego druku. VOR-INK SCREEN is specifically formulated for screen printing

44 Super-kondensatory. Sumaryczna duża powierzchnia płatków grafenu daje duże pojemności (Yan Wang et al. J.Phys.Chem.C 113,13103(2009))

45 Global market for graphene applications ($ millions)

46 Grafen niezwykły materiał Tak jak krzem otworzył drzwi dla cywilizacji informatycznej Tak grafen otwiera nowe możliwości wykorzystania go w wielu dziedzinach

47 Dziękuję za uwagę

48 Fotodektor z asymetrycznymi metalowymi kontaktami (Thomas Mueller, Fengnian Xia & Phaedon Avouris, Nature Photonics 4, (2010))

49 Przepływ wody nad grafenem generuje napięcie rzędu V (Prashant Dhiman et al., Nano Lett. 11, 3123 (2011)

50 TECHNOLOGIA CVD wytwarzania grafenu epitaksja węgla

51 Grafenowe ekrany dotykowe

52 Graphane wodór (fluor) wymusza hybrydyzacje sp 3. Materiał z szeroką przerwą energetyczną