Elektronika plastikowa i organiczna Grafen Poprzednio Poprzednio Metody syntezy związków organicznych pozwalają na tworzenie półprzewodników organicznych o zadanych własnościach mechanicznych i elektrooptycznych Najprostsze makromolekuły sprzęŝone są mało przydatne z technologicznego punktu widzenia Dołączanie grup bocznych zwiększa rozpuszczalność modyfikuje zarazem własności elektrooptyczne molekuł w rozpuszczalnikach oraz w fazie skondensowanej Inne metody uzdatniania polimerów sprzęŝonych to np. synteza prekursorów rozpuszczalnych lub zawiesin Większość polimerów sprzęŝonych wykazuje przewodnictwo typu dziurowego
Struktura elektronowa układ adów niskowymiarowych a) b) c) d) E E E E a) b) c) d) D(E) D(E) D(E) D(E) Funkcja gęstości stanów dla kryształów a) trójwymiarowych, b) dwuwymiarowych, c) Jednowymiarowych (druty kwantowe), d) zero-wymiarowych (kropki kwantowe) Budowa: Warstwy dwuwymiarowego kryształu węgla o symetrii sześciokątnej odległe od siebie o 0,335nm Właściwości: Dobre przewodnictwo elektryczne Dobre przewodnictwo cieplne Niska twardość Dobra łupliwość Anizotropia właściwości fizycznych Zastosowanie Wkłady do ołówków Szczotki do silników elektrycznych i prądnic Smary Eksperymenty na miarę Nobla Grafit Co moŝna zrobić z grafenu 0D fulereny (1985) 1D nanorurki (1991) 3D grafit (1779)
Czy grafen moŝe e istnieć? Landau 1, Peierls 2, Mermin 3 : Kryształy dwuwymiarowe są niestabilne termodynamicznie w temperaturze pokojowej Obserwacje: Temperatura topnienia spada wraz ze zmniejszaniem grubości warstwy.. poniŝej pewnej grubości warstwy stają się niestabilne, tworzą się wyspy lub następuje dekompozycja materiału Epitaksialny wzrost warstw jest moŝliwy na podłoŝach o zbliŝonej stałej sieci - ale wtedy mamy do czynienia z układem trójwymiarowym 1. Landau, L. D. Zur Theorie der phasenumwandlungen II. Phys. Z. Sowjetunion, 11, 26-35 (1937) 2. Peierls, R. E. Quelques proprietes typiques des corpses solides. Ann. I. H. Poincare 5, 177-222 (1935) 3. Mermin, N. D. Crystalline order in two dimensions. Phys. Rev. 176, 250-254 (1968). Gdyby jednak istniał? Struktura elektronowa grafenu w przybliŝeniu LCAO Zakładamy, Ŝe funkcja falowa jest sumą orbitali atomowych ze wszystkich komórek elementarnych: W kaŝdej komórce elementarnej mamy 2 atomy, więc dwa orbitale: Hamiltonian dany jest w postaci: Dla pojedynczego orbitala: Dla uproszczenia moŝemy zapisać: Policzmy to razem
Grafen w przybliŝeniu LCAO - podsumowanie lub gdzie: Grafen w przybliŝeniu LCAO - podsumowanie Grafen jest półprzewodnikiem z zerową przerwą energetyczną Andre Konstantin Geim Odkrywcy grafenu Konstantin Sergeevich Novoselov Rok 2000 Ig Nobel za eksperyment z lewitującą Ŝabą Rok 2010 nagroda Nobla za: "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene" M. V. Berry, A. K. Geim Eur. J. Phys. 18 (1997) 307 313.
Jak zrobić grafen http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=rphicdr68te Pierwszy udany przepis na grafen Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov Science Vol. 306 no. 5696 pp. 666-669 1. HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) zostałścieniony do płatków o grubości rzędu mikrometra 2. Płatki HOPG zostały przyklejone do fotorezystu połoŝonego na szkle 3. Za pomocą taśmy klejącej odrywane były cienkie płatki grafitu 4. Fotorezyst wraz z fragmentami grafenu został rozpuszczony w acetonie a następnie płatki grafenu zostały podniesione na wafelku krzemu z 300nm SiO2 5. Za pomocą mikroskopu optycznego wybrano obszary z pojedynczymi listkami grafenu 6. Na wybranych fragmentach przygotowano elektrody do pomiarów przewodnictwa i efektu Halla Efekt Halla Siły działające na ładunek przepływający przez płytkę w polu magnetycznym B: W kierunku prostopadłym do kierunku przepływu prądu w stanie równowagi wytwarza się róŝnica potencjałów: Napięcie w kierunku prostopadłym wynosi:
Kwantowy efekt Halla Dla układów dwuwymiarowych w niskich temperaturach i silnym polu magnetycznym obserwujemy kwantowanie oporu elektrycznego: Gdzie: e ładunek elektronu h stała Plancka n liczba naturalna Pierwszy udany eksperyment Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov Science Vol. 306 no. 5696 pp. 666-669 Pojedyncze płatki grafenu widoczne pod mikroskopem optycznym, schemat oraz zdjęcie układu do pomiarów przewodnictwa Pierwsze wyniki pomiarów przewodnictwa grafenu Surface Science 603 (2009) 1841 A jednak istnieje Niewielkie ondulacje w kierunku z powodują wzrost energii elastycznej ale hamują wzrost fluktuacji termicznych, które zgodnie z teorią Landaua destabilizują kryształy 2D
Nośniki ładunku w grafenie Nośnikami ładunku w grafenie są psełdoczątki nazywane fermionami Diraca lub bezmasowymi elektronami z pseudospinem, których ruch opisywany jest relatywistycznym równaniem Diraca a nie Shrodingera Kwantowy efekt Halla w grafenie Nature 438 (2005) 197-200 Science 315 (2007), 5817 B = 14 T and T = 4 K Właściwości elektronowe - podsumowanie Grafen jest półprzewodnikiem z zerową przerwą energetyczną Wykazuje zarówno przewodnictwo elektronowe jak i dziurowe Relacja dyspersji dla nośników ładunku jest liniowa (nie kwadratowa) Nośnikami ładunku są fermiony Diraca Koncentracja nośników ładunku moŝe być bardzo wysoka podobnie jak ich ruchliwość Przy grubości powyŝej 3 warstw staje się grafitem tzn. traci swoje unikatowe właściwości
Tranzystory i obwody scalone Zastosowanie Operation of Graphene Transistors at GHz Frequencies Y.-M. Lin, K. A. Jenkins, A. Valdes-Garcia, J. P. Small, D. B. Farmer, P. Avouris Zastosowanie Tranzystory i obwody scalone: inwerter Appl. Phys. Lett. 94 (2009), 223312 Zastosowanie Przeźroczyste elektrody dla OLED (ACS Nano, 2010, 4 (1), pp 43 48), ekranów dotykowych etc.
Organiczne ogniwa słonecznes ACS Nano, 2010, 4 (5), pp 2865 2873 Organiczne ogniwa słonecznes ACS Nano, 2010, 4 (5), pp 2865 2873 anode CVD graphene J sc (ma/cm 2 ) V oc (V) FF η (%) 4.73 0.48 0.52 1.18 ITO 4.69 0.48 0.57 1.27 Efekt elektrochromowy Efekt elektrochromowy dla utlenionego grafenu ACS Nano, 2011, 5 (4), pp 2475 2482
Modulatory elektrooptyczne Nature 474 (2011) 64 67 Nano Lett. 2008, 8, 4469-4476 (Bio)sensory Ultrakondensatory Nano Lett., 2008, 8 (10), pp 3498 3502
Membrany głośnikg ników/słuchawek Separatory chemiczne Grafen jest nieprzepuszalny dla gazów (łączenie z He), ale jest przepuszczlany dla H 2 O Science 2012: vol. 335 no. 6067 pp. 442 Podsumowanie Grafen jest dwuwymiarowym kryształem o strukturze plastra miodu Charakteryzuje się unikatowymi właściwościami elektro-optycznymi Jest półprzewodnikiem z zerową przerwą energetyczną Wykazuje zarówno przewodnictwo elektronowe jak i dziurowe Relacja dyspersji dla nośników ładunku jest liniowa (nie kwadratowa) Nośnikami ładunku są fermiony Diraca Koncentracja nośników ładunku moŝe być bardzo wysoka podobnie jak ich ruchliwość Ma szerokie potencjalne zastosowania w wielu dziedzinach elektroniki/optoelektroniki, budowie sensorów, magazynowaniu energii
Następnym razem Samoorganizacja