Grafen perspektywy zastosowań

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Grafen perspektywy zastosowań"

Patryk Osiński
8 lat temu
Przeglądów:

1 Grafen perspektywy zastosowań Paweł Szroeder 3 czerwca 2014 Spis treści 1 Wprowadzenie 1 2 Właściwości grafenu 2 3 Perspektywy zastosowań Procesory Analogoweelementy Czujniki Elektronikaelastyczna Podsumowanie 4 Spis rysunków 1 Heksagonalna struktura krystaliczna grafitu, grafenu oraz nanoruki węglowej Ruchliwość elektronowa oraz szerokość przerwy wzbronionej w grafenie iwybranychpółprzewodnikach Wprowadzenie Grafen jest pierwszym dostępnym do badań i zastosowań materiałem dwuwymiarowym. Za jego odkrycie Andre Geim oraz Konstatin Novoselov uhonorowani zostali w 2010 roku nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. W chwili obecnej jesteśmy świadkami wdrażania pierwszych rentownych przemysłowo technologii, które pojawiają się w dziedzinach związanych z energią odnawialną oraz w elektronice. Firmy azjatyckie wykorzystują grafen komercyjnie w tzw. elastycznej elektronice. Innym spektakularnym przykładem jest produkcja tranzystorów o częstotliwości setek GHz, o której donosi firma IBM[3]. Ponieważ grafen, jak również inne materiały dwuwymiarowe, może stać się kołem napędowym wielu gałęzi przemysłu, uruchamiane są liczne programy badawcze finansowane zarówno ze środków prywatnych, jak i publicznych. W dziedzinie rozwoju technologii grafenowych istnieje silna konkurencja pomiędzy ośrodkami badawczymi w USA, Azji i Europie. 1

2 Rysunek 1: Heksagonalna struktura krystaliczna grafitu, grafenu oraz nanoruki węglowej. 2 Właściwościgrafenu Idealny kryształ grafenu zbudowany jest z heksagonalnych pierścieni węglowych, które tworzą nieskończoną warstwę o grubości atomowej(rys. 1). Do czasu eksperymentów Geima i Novoselova[1], którzy zastosowali prostą metodę odrywania za pomocą taśmy przylepnej poszczególnych warstw grafitu aż do uzyskania pojedynczych warstw grafenu transferowanych na podłoże tlenku krzemu, istniało przekonanie, że grafen jest niestabilny termodynamicznie i nie może istnieć jako izolowana struktura. Jak wykazały liczne eksperymenty, grafen uzyskiwany metodą Geima posiada bardzo pożądane właściwości elektronowe, elektryczne, mechaniczne i chemiczne. Najważniejszaznichpoleganatym,żegrafenmożeprzewodzićprądnawetprzyzerowejkoncentracji ładunków elektrycznych. Jest to spowodowane oddziaływaniem elektronów z periodycznym potencjałem węglowej sieci heksagonalnej, w wyniku czego powstają nowe kwazicząsteczki o niemal zerowej masie efektywnej. W punkcie Γ pierwszej strefy Brillouina grafenu strukturę pasmową można przybliżyć przez równanie kwadratowe ǫ(k)=±3γ h2 k 2 0 2m, (1) gdziem =2 h 2 /a 2 γ 0 jestmasąefektywnąelektronu. Mała masa efektywna elektronów wyrażona formułą 1 powoduje, że poruszają się one w obrębie sieci grafenowej z prędkościami relatywistycznymi. Ruchliwość elektronów w wybranych materiałach zestawiono z grafenem na rys. 1. Dla grafenu jest najwyższa wśród wszystkich poznanych dotąd materiałów(rys. 2). 3 Perspektywyzastosowań 3.1 Procesory Inną ważną cechą grafenu jest wysoki prąd nasycenia, dzięki czemu daje się w grafenie uzyskiwać duże gęstości prądu. Oprócz bardzo dobrego przewodnictwa elektrycznego grafen charakteryzuje się również dobrym przewodnictwem cieplnym. Z tego powodu 2

3 Rysunek 2: Ruchliwość elektronowa oraz szerokość przerwy wzbronionej w grafenie i wybranych półprzewodnikach. grafen jest idealnym materiałem do zastosowań w elektronice, można bowiem uzyskiwać duże moce z jednostkowej objętości elementów. Ze względu na planarną geometrię jest on bardziej kompatybilny z konwencjonalnymi technologiami elektronicznymi niż np. nanorurki węglowe. Geometria grafenu ogranicza reaktancje pasożytnicze, które stanowią duży problem w urządzeniach wysokiej częstotliwości. 3.2 Analogoweelementy Z punktu widzenia zastosowań w elektronice ważna jest również cecha przewodnictwa ambipolarnego[2]. Polega ono na tym, że za pomocą napięcia bramki można sterować typem przewodnictwa tego materiału. Właściwość ta może zostać wykorzystana w konstrukcji wielu elementów analogowych, takich jak zwielokratniacze częstotliwości, mieszacze, sterowalne elementy prostujące, wzmacniacze niskoszumowe oraz inne elementy elektroniczne o częstotliwości pracy sięgającej THz. 3.3 Czujniki Molekuły zaadsorbowane na powierzchni grafenu bardzo silnie, w porównaniu ze zwykłymi kryształami objętościowymi, wpływają na właściwości elektronowe samego grafenu, co pozwala na wykrywanie nawet pojedynczych molekuł. Z tego powodu prowadzone są liczne prace nad zastosowaniem grafenu jako ultraczułego detektora gazów. 3.4 Elektronikaelastyczna Właściwości mechaniczne, w tym wytrzymałość na naprężenia około 200 razy większą od stali, otwierają kolejne pole zastosowań grafenu w elastycznej elektronice. Ważną 3

4 inicjatywą w tej dziedzinie jest europejski projekt Morph realizowany wspólnie przez koncern Nokia oraz Cambridge University. Koncepcja programu Morph polega na wykorzystaniu właściwości grafenu do wytwarzania rozciągliwych i elastycznych urządzeń, których kształt można zmieniać w zależności od potrzeb użytkownika. Grafen jest kluczowym materiałem do wytwarzania obwodów elektrycznych, które będą drukowane na foliach polimerowych. 4 Podsumowanie Jak wynika z raportu BCC Research publikowanego w lutym 2011, przewiduje się, że pierwsze komercyjnie dostępne produkty grafenowe zostaną opracowane przed 2015 rokiem, w którym rynek grafenowy jest szacowany na 67 mln $. Wówczas powinno obserwowaćsięstaływzrostażdopoziomu675mln$w2020roku. Głównym kołem napędowym rozwoju tego rynku będzie potrzeba zwiększenia wydajności i szybkości działania urządzeń elektronicznych oraz konieczność redukowania kosztów i zwiększania bezpieczeństwa w lotnictwie i zastosowaniach militarnych, jak również zwiększenie efektywności działania urządzeń służących do wytwarzania energii odnawialnej. Grafen jest intensywnie badanym materiałem w ośrodkach badawczych na całym świecie. Duży nakład pracy i kosztów przeznaczonych na te badania wiąże się z wysokimi, jak na materiał odkryty 10 lat temu, oczekiwaniami od terahercowych procesorów do wyświetlaczy, ogniw paliwowych, ogniw słonecznych, czujników i do magazynowania wodoru. 4

5 Skorowidz masa efektywna, 2 nanorurki węglowe, 3 przewodnictwo ambipolarne, 3 tranzystor, 1 5

6 Literatura [1]K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos, and I. V. Grigoriev. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306: , [2]H.Wang,A.Hsu,J.Wu,andJ.Kong.Graphene-basedambipolarrfmixers.IEEE, 31: , [3]Y.Wu,Y.Lin,A.A.Bol,K.A.Jenkins,andFengnianXia.High-frequency,scaled graphene transistors on diamond-like carbon. Nature, 472:74 78,

Podobne dokumenty

GRAFEN. Prof. dr hab. A. Jeleński. Instytut Technologii MateriałówElektronicznych Ul.Wólczyńska 133 01-919 Warszawa www.itme.edu.

GRAFEN. Prof. dr hab. A. Jeleński. Instytut Technologii MateriałówElektronicznych Ul.Wólczyńska 133 01-919 Warszawa www.itme.edu. GRAFEN Prof. dr hab. A. Jeleński Instytut Technologii MateriałówElektronicznych Ul.Wólczyńska 133 01-919 Warszawa www.itme.edu.pl SPIS TREŚCI Czy potrzeba nowych materiałów? Co to jest grafen? Wytwarzanie