Morfologia grafenu
Morfologia grafenu to dowolna struktura związana z pojedynczymi arkuszami grafenu i utworzona z nich . Termin „grafen” jest zwykle używany w odniesieniu do krystalicznej monowarstwy grafitu , naturalnie występującego materiału . Ze względu na kwantowe uwięzienie elektronów w materiale przy tak małych wymiarach, niewielkie różnice w morfologii grafenu mogą znacznie wpłynąć na właściwości fizyczne i chemiczne tych materiałów. Powszechnie badane morfologie grafenu obejmują arkusze jednowarstwowe, arkusze dwuwarstwowe, nanowstążki grafenowe i inne struktury 3D utworzone z układania w stos arkuszy jednowarstwowych.
Arkusze jednowarstwowe
W 2013 roku naukowcy opracowali jednostkę produkcyjną, która wytwarza ciągłe arkusze jednowarstwowe z jednowarstwowego grafenu o wysokiej wytrzymałości ( HSMG ). Proces opiera się na wzroście grafenu na ciekłej metalicznej matrycy.
Dwuwarstwowy
Grafen dwuwarstwowy wykazuje anomalny kwantowy efekt Halla , przestrajalne pasmo wzbronione i potencjał kondensacji ekscytonów . Grafen dwuwarstwowy zazwyczaj można znaleźć w konfiguracjach skręconych, w których dwie warstwy są obrócone względem siebie, lub grafitowych konfiguracjach ułożonych w stos Bernala, w których połowa atomów w jednej warstwie leży na połowie atomów w drugiej. Kolejność układania i orientacja regulują jego właściwości optyczne i elektroniczne.
Jedną z metod syntezy jest chemiczne osadzanie z fazy gazowej , które może wytwarzać duże obszary dwuwarstwowe, które prawie wyłącznie odpowiadają geometrii stosu Bernala.
Supersieci
Okresowo układany grafen i jego izolujący izomorf stanowią fascynujący element strukturalny we wdrażaniu wysoce funkcjonalnych supersieci w skali atomowej, co daje możliwości projektowania urządzeń nanoelektronicznych i fotonicznych. Różne rodzaje supersieci można uzyskać poprzez układanie grafenu i jego form pokrewnych. Pasmo energii w supersieciach warstwowych jest bardziej wrażliwe na szerokość bariery niż w konwencjonalnych supersieciach półprzewodnikowych III – V. Dodając więcej niż jedną warstwę atomową do bariery w każdym okresie, sprzężenie elektronicznych funkcji falowych w sąsiednich studniach potencjału można znacznie zmniejszyć, co prowadzi do degeneracji ciągłych podpasm do skwantowanych poziomów energii. Zmieniając szerokość studni, poziomy energii w studniach potencjału wzdłuż kierunku L – M zachowują się wyraźnie od tych wzdłuż kierunku K – H.
Precyzyjnie wyrównany grafen na h-BN zawsze tworzy gigantyczną supersieć znaną jako wzór mory . Zaobserwowano wzory mory, a czułość interferometrii mory dowodzi, że ziarna grafenu mogą precyzyjnie wyrównać się z leżącą pod spodem siecią h-BN z błędem mniejszym niż 0,05°. Występowanie wzoru mory wyraźnie wskazuje, że grafen blokuje się w h-BN poprzez epitaksję van der Waalsa , z dużym uwolnieniem naprężeń międzyfazowych.
Istnienie gigantycznego wzoru mory w nanowstążce grafenu (GNR) osadzonej w hBN wskazuje, że grafen był wysoce krystaliczny i dokładnie wyrównany z h-BN pod spodem. Zauważono, że wzór mory wydawał się być rozciągnięty wzdłuż GNR, podczas gdy wydawał się rozluźniony poprzecznie. Trend ten różni się od regularnych sześciokątów z okresowością ~ 14 nm, które zawsze obserwowano z dobrze wyrównanymi domenami grafenu na h-BN. Ta obserwacja wyraźnie wskazuje na epitaksję w płaszczyźnie między grafenem a h-BN na krawędziach wykopu, gdzie grafen jest rozciągany przez naprężenie rozciągające wzdłuż wstęgi, z powodu niedopasowania sieci między grafenem a h- BN.
Nanowstążki
Nanowstążki grafenowe („nanopaski” w orientacji „zygzakowatej”) w niskich temperaturach wykazują metaliczne prądy krawędziowe spolaryzowane spinowo, co sugeruje zastosowania spintroniki . (W orientacji „fotelowej” krawędzie zachowują się jak półprzewodniki.)
Błonnik
W 2011 roku naukowcy poinformowali o wytwarzaniu włókien przy użyciu folii grafenowych hodowanych przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Metoda była skalowalna i kontrolowalna, zapewniając regulowaną morfologię i strukturę porów poprzez kontrolowanie odparowywania rozpuszczalników z odpowiednim napięciem powierzchniowym. Elastyczne, całkowicie półprzewodnikowe superkondensatory oparte na takich włóknach zostały zademonstrowane w 2013 roku.
W 2015 r. interkalacja małych fragmentów grafenu w szczeliny utworzone przez większe, zwinięte arkusze grafenu po wyżarzaniu zapewniła ścieżki przewodzenia, podczas gdy fragmenty pomogły wzmocnić włókna. [ fragment zdania ] Powstałe włókna charakteryzowały się lepszą przewodnością cieplną i elektryczną oraz wytrzymałością mechaniczną. Przewodność cieplna osiągnęła 1290 watów na metr na kelwin, a wytrzymałość na rozciąganie osiągnęła 1080 megapaskali.
W 2016 r. ciągłe włókna grafenowe w skali kilometrowej o wyjątkowych właściwościach mechanicznych i doskonałej przewodności elektrycznej zostały wyprodukowane przez wysokoprzepustowe przędzenie na mokro ciekłych kryształów tlenku grafenu, a następnie grafityzację w ramach pełnoskalowej synergicznej strategii inżynierii defektów.
3D
Trójwymiarowy dwuwarstwowy grafen odnotowano w 2012 i 2014 roku.
W 2013 roku trójwymiarowy plaster miodu z sześciokątnie ułożonego węgla nazwano grafenem 3D. W tym samym roku wyprodukowano samonośny grafen 3D. Naukowcy z Uniwersytetu Stony Brook opisali nowatorską metodę sieciowania inicjowanego rodnikami w celu wytworzenia porowatych trójwymiarowych wolnostojących architektur grafenu i nanorurek węglowych przy użyciu nanomateriałów jako elementów budulcowych bez matrycy polimerowej jako nośnika. Struktury 3D można wytwarzać za pomocą metod CVD lub metod opartych na rozwiązaniach. Przegląd z 2016 roku podsumował techniki wytwarzania grafenu 3D i innych powiązanych materiałów dwuwymiarowych. Te trójwymiarowe rusztowania/pianki grafenowe (całkowicie węglowe) mają potencjalne zastosowania w takich dziedzinach, jak magazynowanie energii, filtracja, zarządzanie ciepłem oraz urządzenia i implanty biomedyczne.
zgłoszono nanostrukturę grafenu w kształcie pudełka (BSG) powstałą w wyniku mechanicznego rozszczepienia grafitu pirolitycznego . Odkryta nanostruktura to wielowarstwowy system równoległych pustych nanokanałów rozmieszczonych wzdłuż powierzchni o przekroju czworokątnym. Grubość ścianek kanału jest w przybliżeniu równa 1 nm, typowa szerokość ścianek kanału wynosi około 25 nm. Potencjalne zastosowania obejmują: ultraczułe detektory , wysokowydajne ogniwa katalityczne, nanokanały do sekwencjonowania DNA i manipulacji, wysokowydajne powierzchnie pochłaniające ciepło, akumulatory o zwiększonej wydajności, rezonatory nanomechaniczne , kanały powielania elektronów w emisyjnych urządzeniach nanoelektronicznych , sorbenty o dużej pojemności do bezpiecznego magazynowania wodoru .
żyroskopu grafenowego , który ma pięć procent gęstości stali, ale jest dziesięć razy mocniejszy i ma ogromny stosunek powierzchni do objętości. Sprasowali podgrzane płatki grafenu. Następnie skonstruowali wydrukowane w 3D modele plastiku w wysokiej rozdzielczości o różnych konfiguracjach – podobne do żyroskopów, które grafen tworzy naturalnie, choć tysiące razy większe. Kształty te zostały następnie przetestowane pod kątem wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie oraz porównane z symulacjami komputerowymi. Gdy grafen zastąpiono polimerami lub metalami, zaobserwowano podobny wzrost wytrzymałości.
Warstwę grafenu nasączoną rozpuszczalnikiem, aby pęczniała i stała się plastyczna, nałożono na podłoże „dawne”. Rozpuszczalnik odparował, pozostawiając warstwę grafenu, która przybrała kształt leżącej pod spodem struktury. W ten sposób zespół [ kto? ] był w stanie wytworzyć szereg stosunkowo skomplikowanych mikrostrukturalnych kształtów. Funkcje wahają się od 3,5 do 50 μm. Czysty grafen i grafen zdobiony złotem zostały pomyślnie zintegrowane z podłożem.
Aerożel wykonany z warstw grafenu oddzielonych nanorurkami węglowymi zmierzono przy 0,16 miligrama na centymetr sześcienny . Roztwór grafenu i nanorurek węglowych w formie jest liofilizowany w celu odwodnienia roztworu, pozostawiając aerożel. Materiał ma doskonałą elastyczność i chłonność. Może całkowicie zregenerować się po kompresji ponad 90% i wchłonąć do 900 razy więcej oleju niż sam waży, z szybkością 68,8 gramów na sekundę.
Pod koniec 2017 roku zgłoszono wytwarzanie wolnostojących żyroskopów grafenowych z komórkami elementarnymi 35 nm i 60 nm. Żyroidy powstały w drodze kontrolowanego bezpośredniego chemicznego osadzania z fazy gazowej i są samonośne oraz można je przenosić na różne podłoża. Co więcej, reprezentują najmniejsze wolnostojące okresowe struktury 3D grafenu, jakie dotychczas wyprodukowano, z porami o wielkości dziesiątek nm. Ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną, dobre przewodnictwo ( rezystancja warstwy : 240 Ω/sq) i ogromny stosunek pola powierzchni do objętości, żyroidy grafenowe mogą znaleźć zastosowanie w różnych zastosowaniach, począwszy od akumulatory i superkondensatory do filtracji i optoelektroniki .
Filarowy
Grafen filarowy to hybrydowa struktura węglowa składająca się z zorientowanego układu nanorurek węglowych połączonych na każdym końcu z arkuszem grafenu. Po raz pierwszy został opisany teoretycznie w 2008 roku. Grafen słupkowy nie został zsyntetyzowany w laboratorium.
Wzmocniony
Arkusze grafenu wzmocnione osadzonymi nanorurkami węglowymi („ prętami zbrojeniowymi ”) są łatwiejsze w manipulacji, jednocześnie poprawiając właściwości elektryczne i mechaniczne obu materiałów.
Funkcjonalizowane jedno- lub wielościenne nanorurki węglowe są powlekane wirowo na foliach miedzianych, a następnie podgrzewane i chłodzone, wykorzystując nanorurki jako źródło węgla. Podczas ogrzewania funkcjonalne grupy węglowe rozkładają się do grafenu, podczas gdy nanorurki częściowo rozdzielają się i tworzą z grafenem wiązania kowalencyjne w płaszczyźnie , zwiększając siłę. Domeny układające się w stosy π – π dodają więcej siły. Nanorurki mogą zachodzić na siebie, dzięki czemu materiał jest lepszym przewodnikiem niż standardowy grafen hodowany metodą CVD. Nanorurki skutecznie wypełniają granice ziaren znaleźć w konwencjonalnym grafenie. Technika ta eliminuje za pomocą epitaksji ślady podłoża, na którym osadzano później odseparowane arkusze.
Zaproponowano stosy kilku warstw jako opłacalny i fizycznie elastyczny zamiennik tlenku indu i cyny (ITO) stosowanego w wyświetlaczach i ogniwach fotowoltaicznych .
Nanocewka
W 2015 roku w węglu grafitowym (węglu) odkryto zwiniętą formę grafenu. Efekt spirali jest wytwarzany przez defekty w sześciokątnej siatce materiału, która powoduje, że materiał skręca się spiralnie wzdłuż krawędzi, naśladując powierzchnię Riemanna , z powierzchnią grafenu w przybliżeniu prostopadłą do osi. Po przyłożeniu napięcia do takiej cewki prąd przepływa wokół spirali, wytwarzając pole magnetyczne. Zjawisko to dotyczy spirali o orientacji zygzakowej lub fotelowej, chociaż z różnymi rozkładami prądu. Symulacje komputerowe wykazały, że konwencjonalny cewka spiralna o średnicy 205 mikronów może być dopasowana do nanocewki o szerokości zaledwie 70 nanometrów, przy natężeniu pola sięgającym nawet 1 tesli , mniej więcej tyle samo, co cewki w typowych głośnikach, o takim samym natężeniu pola, jak niektóre urządzenia MRI . Odkryli, że pole magnetyczne będzie najsilniejsze w pustej wnęce o szerokości nanometra w środku spirali.
Solenoid wykonany z takiej cewki zachowuje się jak przewodnik kwantowy, którego rozkład prądu między rdzeniem a otoczeniem zmienia się wraz z przyłożonym napięciem, co skutkuje nieliniową indukcyjnością .