Grafeen

Allikas: Vikipeedia
Grafeeni ideaalne kristalliline struktuur
Grafeeni kihid grafiidis

Grafeen on ainult süsiniku aatomitest koosnev ühe aatomi paksune planaarne leht, milles süsiniku aatomid on heksagonaalselt pakitud kärjekujulisse raamistikku.

Grafeeni võib vaadelda lõputult suure aromaatse molekulina, mille moodustavad ainult sp² süsiniku aatomid. Grafeen on süsiniku allotroopne vorm, kusjuures selle struktuurielemendid esinevad mitmetes teistes süsiniku allotroopsetes teisendites nagu grafiit, süsinik nanotorud ja fullereenid. Nimetus on tuletatud sõnadest grafiit + -een.

Grafeenis on süsiniku aatomite vahel konjugeeritud sidemed, see tähendab et esineb valentselektronide delokalisatsioon üle kogu süsteemi, mis suurendab selle stabiilsust ja alandab üldist energiat. C–C sideme pikkus grafeenis on 0,142 nm ning 7 miljonit grafeeni lehte moodustaksid vaid 1 mm paksuse kihi. Tulenevalt struktuurist on grafeenil rida erilisi omadusi, millest kõige olulisemad on grafeeni lehe vastupidavus ja suurepärane elektrijuhtivus.

2010. aastal said Andrei Geim ja Konstantin Novosjolov Nobeli füüsikapreemia kahemõõtmelise materjali grafeeniga seotud põhjapanevate eksperimentide eest.

Ajalugu ja eksperimentaalne avastamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Termin "grafeen" võeti kasutusele 1987. aastal, et kirjeldada grafiidi ühte liistakut kui ühte koostisosa grafiidi ühendist (Graphite Intercalation Compound ehk GIC). GIC on kristalliline sool, mille molekulivalem on XCy , kus X tähistab mingisugust ainet ja C süsinikku, mis on aine X vahel (näiteks KC8). Grafeeni termin oli kasutusel ka varajastes süsiniknanotorude ja epitaksiaalse grafeeni kirjeldustes. Ühekihilisi grafiidi liistakuid on tehtud alates 1970. aastast ning neid kasvatati epitaksiaalselt metallide peale. "Epitaksiaalne grafeen" koosneb ühe aatomi paksusest heksagonaalsest võrest, milles süsiniku aatomeid hoiavad koos sp2-sidemed. Õhukesi grafiidi liistakud on ka uuritud läbivalgustava elektronmikroskoobiga (TEM) ning nähti, et liistakute sisemus on kihistunud. [1] Grafeeni uuriti teoreetiliselt juba 1940. aastatel, et kirjeldada erinevate süsinikku sisaldavate materjalide omadusi. Teoreetiliste arvutuste käigus lähtuti grafeeni mudelist. Hiljem avastati, et grafeen ei saa vabas vormis eksisteerida, kuid[2] 2004. aastal avastasid prof. Andre Geim ja Konstantin Novoselov Manchesteri Ülikoolist, et grafeeni saab eraldada grafiidi liistakutest, kasutades tavalist kleeplinti. Sellist grafeeni saamise viisi hakati nimetama mikromehhaaniliseks lõhestamiseks.[3]

Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeen on meekärjekujuline planaarne allotroop, kus on sp2- sidemed.[4] Sideme pikkused grafeenis on umbes 0,142 nanomeetrit. Grafeeni kihid järjestuvad grafiidiks ning nende vahele jääb 0,335 nanomeetrit. Grafeen kui üheaatomiline süsinikukiht on suurepärane elektri- ja soojusjuht.

Elektroonilised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeen on kolmemõõtmelisest materjalidest erinev ning sellel on null-keelutsooniga pooljuhi omadusi. 1947. aastal avastas P.R. Wallace, et energia impulsi seos (dispersiooni seos) on lineaarne madalatel energiatel just kuusnurga tippude juures ning see viis järeldusele, et elektronide ja aukude efektiivne mass on null. [5]

Termilised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeenil on väga suur soojusmahtuvus. Toatemperatuuril mõõdetud soojusmahtuvus varieerub (4,84±0,44) × 103 kuni (5,30±0,48) × 103 W•m−1•K−1.

Mehaanilised[muuda | redigeeri lähteteksti]

2009. aastal nimetati grafeen kõige tugevamaks materjaliks. Mõõtetulemused näitasid, et grafeeni liistak on 100 korda tugevam kui terase liistak samade mõõtude puhul. Grafeeni elastsusmoodul on 1 TPa (1012 Pa).[6] Kuigi grafeen on tugev materjal, ei ole veel lahendust, kuidas seda tööstuslikult ja suurtes kogustes toota. Grafeen on väga kerge ning kaalub kõigest 0,77 milligrammi ruutmeetri kohta. Guoxiu Wang Sydney ülikoolist arendas välja grafeeni paberi (GP), mida saab modifitseerida erinevateks kujudeks ning taastada selle esialgne olek. Teadlased peenestasid, puhastasid ja filtreerisid grafiiti erinevate kemikaalidega, et muuta grafiiti nanostruktuurseks, mida hiljem töödeldakse paberiliistakuteks. Juhtiv uurija Ali Reza Ranijbartoreh väitis, et selline paberilaadne grafeeni liist on mitte ainult kerge ning tugev vaid ka elastsem kui teras.

Optilised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeeni unikaalne omadus on vähene valguse neelamine. Ühe aatomi paksune grafeeni kiht neelab kõigest 2,3% valgust.

Grafeeni vormid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kahe aatomi paksune grafeen[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kahe aatomi paksune grafeen koosneb kahest grafeeni kihist, mis asetsevad üksteise peal. Kahe aatomi paksune grafeen on näidanud huvitavaid elektrilisi omadusi nagu kvant-Halli efekt.

Kolmemõõtmeline grafeen[muuda | redigeeri lähteteksti]

2013. aastal avastati kolmemõõtmeline heksagonaalselt järjestatud grafeen.

Grafeeni saamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikromehaaniline lõhestamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sageli kutsutakse mikromehaanilist lõhestamise meetodit ka teibimeetodiks. Selle meetodi käigus kasutatakse HOPG-i (kõrgorienteertud püroliitiline grafiit), teipi ning SIO2(ränioksiidi) alust, kuhu grafeen peale kantakse. HOPG-i pinnale kleebitakse korduvalt ühte ja sama kleeplinti ning selle tulemusena jääb kleeplindi külge hulgaliselt grafiidi liistakuid. Seejärel kleebitakse teip SiO2 alusele. SiO2 alusele kinni jäänud liistakud ei pruugi olla ühekihilised ning sellepärast tuleb otsida nende seast välja ühe aatomi paksused liistakud. Sellisel viisil saadud grafeenikristalliidid võivad olla kuni 100 mikromeeri suurused. [7] [8]

Keemiline sadestus aurufaasist (CVD)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna grafeeni on raske kasvatada suurtele pindadele, siis mõeldi välja uus ja küllaltki tõhus meetod. Selleks tehnoloogiaks on keemiline sadestamine aurufaasist (CVD). CVD protseduur on suhteliselt keeruline, kuid selle töötlemisviisiga valmistatud grafeen on üsna hea kvaliteediga. CVD meetodiga kasvatatakse grafeeni peamiselt metallidele: nikkel- ja vaskfooliumist alustele. Kasvatus toimub reaktoris, mis koosneb gaaside edastamise süsteemist, vaakumpumbast, reaktori südamikust (kuhu gaasid edastatakse) ning kõrge temperatuuriga ahjust, mis asetseb reaktori ümber. Et reaktsioon toimuks, on vaja süsteemi viia vajalikud lähteained, mis on gaasifaasis. Põhiliselt kasvatatakse grafeeni kolme gaasi abil: metaan, vesinik ja argoon. Gaasid on suunatud teatud kontsentratsiooniga kõrge temperatuuriga reaktorisse, kus hakkab toimuma keemiline reaktsioon, mis koosneb neljast etapist: [9] [10]

CH4-> CH3 + H

CH3 -> CH2 + H

CH2->CH + H

 CH -> C + H [11]

Reaktsiooni käigus eralduvad ka kõrvalproduktid, mis pumbatakse vaakumpumba abil välja. [12]

Ränikarbiidi termiline lagundamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeeni saab toota ka ränikarbiidi (SiC) lagundades. Ränikarbiidi kuumutatakse vaakumis (rõhul ~ 10 −6 torri) kõrgele temperatuurile (üle 1100 °C), kus ränikarbiid hakkab lagunema ning hiljem moodustavad süsiniku aatomid grafeeni.

Grafiitoksiidi redutseerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafiitoksiidi redutseerumist kasutati tõenäolisest kõige esimese meetodina grafeeni sünteesiks. Töötlemisviisi põhimõtteks on kiiresti kuumutada grafiitoksiid kõrgele temperatuurile, kus saadakse dispergeenne süsiniku pulber. Saadud süsiniku pulbris leidub väga väike kogus grafeeni ning saadud grafeen on väga madala kvaliteediga võrreldes mehaanilise lõhestamise teel saadud grafeeniga.

Grafeeni potentsiaalsed rakendusvaldkonnad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõned potentsiaalsed rakendusvaldkonnad grafeeni jaoks on juba arenemas ning palju on veel tulemas. Grafeeni saaks kasutada kergete, õhukeste ja vastupidavate kuvarite, elektriahelate ja päikesepatareide valmistamiseks. [13]

Integreeritud vooluring[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeenil on suurepärased omadused, et koostada sellest integreeritud vooluring, kuna grafeenil on kõrge elektrijuhtivus. Kuid probleemiks on see, et selliseid grafeeni liistakuid on väga raske teha. Teadlased otsivad uusi tõhusaid meetodeid, kuidas saaks grafeeni liistakuid üle kanda nende esialgsest kasvatusalusest SiO2 (ränioksiid) alustele.[14] 2008. aastal valmistati grafeenist maailma kõige väiksem kiip, mis on kõigest ühe aatomi paksune ja kümne aatomi laiune.[15]

Läbipaistvad elektroodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna grafeenil on väga hea elektrijuhtivus ning ta on peaaegu läbipaistev, siis võib sellest saada uus materjal puutetundlike ekraanidele, vedelkristall monitoridele ning orgaanilistele valgusdioodidele.[16]

Päikesepatareid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Väga hea elektrijuhtivuse ja läbipaistvuse tõttu saab grafeenist teha ka päikesepatareisid. Ühe aatomi paksune grafeeniliistak on null- keelutsooniga pooljuht, mille laengud on delokaliseeritud kogu pinna suhtes ning laengu hajumist ei toimu. Samuti neelab grafeen ainult 2,3% valgust ning ülejäänud 97,7% peegeldub.[17]

Ultrakondensaatorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänu massi ja pindala suhtele saaks teha grafeenist ka juhtivaid plaate, millest omakorda valmistada ultrakondensaatoreid. Usutakse, et grafeenist võib valmistada kõige suurema mahtuvusega kondensaatoreid.[18]

Lisand jahutusvedelikus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõrge soojusjuhtivuse tõttu on grafeeni võimalik kasutada lisandina jahutusvedelikus. Esialgsed uurinud on näidanud, et 5%-line grafeeni sisaldus vedelikus suurendab jahutusvedeliku soojusjuhtivust 86%. [19]

Etanooli destillatsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeenoksiidi membraanid lasevad läbi veeauru, kuid on näidatud, et kõik muud vedelikud ja gaasid, kaasa arvatud heelium, membraanist läbi ei lähe.[20] Seda meetodit on kasutatud viina destilleerimiseks, et suurendada alkoholi kontsentratsiooni, ilma et rakendataks soojust või vaakumit, mis on tavalise destillatsiooni puhul vajalik.[21] Selle meetodi edasiarendamine ja turustamine võib luua revolutsiooni biokütuse ja alkohoolsete jookide tootmises.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Meyer, J. et al. (2007). "The structure of suspended graphene sheets". Nature 446 (7131): 60–63
  2. THE RISE OF GRAPHENE,A.K. Geim and K.S. Novoselov
Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester, Oxford Road M13 9PL, United Kingdom
  3. Graphene: Characterization After Mechanical Exfoliation Charlotte Reeves Research Advisor: R. A. Lukaszew
  4. THE RISE OF GRAPHENE,A.K. Geim and K.S. Novoselov
Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester, Oxford Road M13 9PL, United Kingdom
  5. Wallace, P. R. (1947). "The Band Theory of Graphite". Physical Review 71 (9): 622
  6. Lee, C. et al. (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science 321 (5887): 385–8
  7. Mikhail I. Katsnelson Graphene: carbon in two dimensions. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, 6525 ED Nijmegen, The Netherlands
  8. Graphene: Exploring carbon flatland Andrey K. Geim and Allan H. MacDonald
  9. Chemical Vapor Deposition of Graphene Congqin Miao, Churan Zheng, Owen Liang and Ya-Hong Xie University of California, Los Angeles United States
  10. First-Principles Thermodynamics of Graphene Growth on Cu Surfaces Wenhua Zhang, Ping Wu, Zhenyu Li,* and Jinlong Yang
  11. First-Principles Thermodynamics of Graphene Growth on Cu Surfaces Wenhua Zhang, Ping Wu, Zhenyu Li,* and Jinlong Yang Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
  12. Chemical Vapor Deposition of Graphene Congqin Miao, Churan Zheng, Owen Liang and Ya-Hong Xie University of California, Los Angeles United States
  13. Chen, J., Ishigami, M., Jang, C., Hines, D. R., Fuhrer, M. S., and Williams, E. D. (2007). "Printed graphene circuits". Advanced Materials 19 (21): 3623–3627
  14. Chen, J., Ishigami, M., Jang, C., Hines, D. R., Fuhrer, M. S., and Williams, E. D. (2007). "Printed graphene circuits". Advanced Materials 19 (21): 3623–3627
  15. Ponomarenko, L. A. et al. (2008). "Chaotic Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots". Science 320 (5874): 356–8.
  16. Eda G, Fanchini G, Chhowalla M (2008). "Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material". Nat Nanotechnol 3 (5): 270–4
  17. Mukhopadhyay, Prithu (2013). Graphite, Graphene and their Polymer Nanocomposites. Boca Raton, Florida: Taylor & Francis Group. pp. 202–213.
  18. Stoller, Meryl D.; Sungjin Park, Yanwu Zhu, Jinho An, and Rodney S. Ruoff (2008). "Graphene-Based Ultracapacitors" (PDF). Nano Lett 8 (10): 3498–502.
  19. Significant thermal conductivity enhancement for nanofluids containing graphene nanosheets Wei Yua, b, Huaqing Xiea, , , Xiaoping Wanga, Xinwei Wangb
  20. Nair, R. R.; Wu, H. A.; Jayaram, P. N.; Grigorieva, I. V.; Geim, A. K. (2012). "Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes". Science 335 (6067): 442–4.
  21. Waugh, Rob. "Hi-tech 'wonder material' graphene has an unexpected use – it can distill vodka at room temperature"