Grafén — 2D uhlíkový materiál: definícia, vlastnosti a aplikácie

Grafén: prelomový 2D uhlíkový materiál — definícia, jedinečné vlastnosti (vodivosť, pevnosť) a praktické aplikácie v elektronike, energetike a nanotechnológii.

Grafén je jednou z foriem uhlíka. Podobne ako diamanty a grafit, aj formy (alebo "alotropy") uhlíka majú rôznu kryštálovú štruktúru, ktorá im dáva rôzne vlastnosti. Grafén je základnou 2D (dvojrozmernou) formou mnohých 3D alotropov, ako sú grafit, drevené uhlie, fullerén a uhlíkové nanorúrky.

Termín grafén vznikol ako kombinácia grafitu a prípony "-én" a jeho autorom je Hanns-Peter Boehm, ktorý v roku 1962 opísal jednovrstvové uhlíkové fólie. Grafén je ako štruktúra včelieho plástu alebo "kuracieho drôtu", ktorá je tvorená atómami uhlíka a ich väzbami. Grafit je mnoho grafénových listov uložených na sebe.

Tri milióny grafénových listov poskladaných na seba by tvorili grafit hrubý len jeden milimeter.

Nobelovu cenu za fyziku za rok 2010 získali sir Andre Geim a sir Konstantin Novoselov "za prelomové experimenty týkajúce sa dvojrozmerného materiálu grafénu".

Medzi možné aplikácie patria grafénové superkondenzátory.

Definícia a štruktúra

Grafén je jednovrstvová, atómovo tenká sieť uhlíkových atómov usporiadaných v rovinnom hexagonálnom (včelom plástovom) mriežkovom vzore. Každý atóm uhlíka vytvára tri sigma väzby s okolím pomocou sp2 hybridizácie, zatiaľ čo štvrtý elektrón sa zúčastňuje delokalizovaného π-systému, ktorý je zodpovedný za mnoho elektrických a optických vlastností grafénu.

Hlavné fyzikálne a chemické vlastnosti

• Mechanická pevnosť: grafén patrí medzi najsilnejšie materiály známe človeku — jeho Youngov modul je približne 1 terapascal (TPa) a pevnosť v ťahu môže dosahovať rádovo desiatky až stovky gigapascalov.
• Elektrická vodivosť: veľmi vysoká pohyblivosť nosičov náboja (teoreticky až do ~200 000 cm2/V·s pri nízkych teplotách), nízky odpor a schopnosť viesť prúd s minimálnymi stratami.
• Tepelná vodivosť: extrémne vysoká, až niekoľko tisíc W·m−1·K−1 (v ideálnych vzorkách sa uvádzajú hodnoty až ~5 000 W·m−1·K−1).
• Optické vlastnosti: jednovrstvový grafén absorbuje približne 2,3 % dopadajúceho viditeľného svetla — je teda takmer priehľadný.
• Elektronová štruktúra: grafén je „nulový pásmový“ polovodič (zero-gap semiconductor) — jeho vodivostné a valenčné pásmo sa v bodoch Dirac stretávajú, čo dáva elektrónom netradiálne vlastnosti podobné relatívistickým časticiam (Diracove fermióny).
• Chemická reaktivita: základný grafén je relatívne inertný, avšak pri chybách mriežky, okrajoch a pri chemickej funkcionalizácii sa jeho reaktivita zvyšuje.

Spôsoby výroby

Existuje niekoľko technológií prípravy grafénu s rôznou kvalitou, veľkosťou a nákladmi:

• Mechanické exfoliovanie („scotch-tape“): pôvodná metóda použitá Geimom a Novoselovom na izolovanie monovrstiev z grafitu — jednoduchá, ale nevhodná na priemyselné množstvá.
• Chemické naparovanie z výparov (CVD): výroba veľkoplošných monovrstvových fólií na kovových substrátoch (napr. meď), vhodné pre elektroniku a transparentné elektródy.
• Epitaxná rast na SiC: termická dekompozícia karbidu kremíka vytvára grafén na povrchu, používané pre vysokofrekvenčné elektronické aplikácie.
• Redukcia grafénoxidu: chemická alebo teplotná redukcia z oxidu grafénu poskytuje lacnejšiu, no často defektívnejšiu formu (redukčný grafén) vhodnú do kompozitov alebo elektrodových materiálov.

Výzvy a obmedzenia

• Nedostatok prirodzeného pásmového otvoru (bandgap) obmedzuje použitie v digitálnych tranzistoroch bez dodatočného inžinierstva. Riešenia: grafénové nanopásiky, bilayer grafén s elektrickým poľom, chemická funkcionalizácia.
• Škálovateľnosť a jednotnosť kvality priemyselnej výroby — kontrola defektov, veľkosti zŕn a kontaminácie pri prenose vrstiev.
• Integrácia s existujúcimi výrobnými procesmi v polovodičovom priemysle a spoľahlivé techniky pripojenia a ochrany vrstiev.
• Bezpečnosť a environmentálne aspekty výroby a likvidácie — potenciálny vplyv nanočastíc na zdravie vyžaduje ďalší výskum.

Aplikácie

Vďaka svojím vlastnostiam má grafén široké spektrum potenciálnych aj už komerčne sa rozvíjajúcich aplikácií:

• Elektronika: vysokofrekvenčné tranzistory, transparentné elektródy pre dotykové displeje a OLED, flexibilná elektronika.
• Energetika: elektrody pre batérie a superkondenzátory (pozri aj superkondenzátory), fotovoltické články s vylepšeným odvodom náboja.
• Kompozity a materiály: spevňovanie polymérov a keramík pre ľahké a pevné konštrukčné materiály.
• Senzory: vysoko citlivé plynové a biosenzory vďaka veľkej špecifickej ploche a citlivosti elektrických vlastností na adsorbované molekuly.
• Membrány a filtrácia: presné priepustné vrstvy pre odsoľovanie vody a separáciu molekúl.
• Termálne manažment: tepelné rozvádzače a pasty pre elektroniku vďaka vynikajúcej tepelnej vodivosti.
• Biomedicína: nosiče liečiv, biosnímače — hoci tu sú dôležité otázky biokompatibility a bezpečnosti.

Záver

Grafén predstavuje revolučný materiál s unikátnou kombináciou mechanických, elektrických a termálnych vlastností. Napriek mimoriadnemu potenciálu sú praktické aplikácie závislé od pokroku vo výrobe veľkoplošných, kvalitných a ekonomicky dostupných grafénových materiálov, ako aj od riešenia otázok spojených s integráciou do existujúcich technológií a bezpečnostných štandardov. Výskum v tejto oblasti zostáva veľmi aktívny a v nasledujúcich rokoch možno očakávať ďalšie komerčné využitia.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to grafén?

Otázka: Ako grafén súvisí s grafitom?

Otázka: Kto vymyslel pojem "grafén"?

Otázka: Za čo získali sir Andre Geim a sir Konstantin Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za rok 2010?

Otázka: Aké sú možné aplikácie grafénu?

Otázka: Aké ďalšie formy alebo alotropy má uhlík okrem grafénu?

Hľadajte podľa písmena