ФИО участника:

ФИО участника:

— школа -  МБОУ СОШ №3, г. Енисейск Красноярского края

— класс - 9

— ФИО научного консультанта – учитель физики МБОУ СОШ №3

Тема: ВЕЩЕСТВО БУДУЩЕГО_ ГРАФЕН

Электронный адрес участника: mister. *****@***ru

  В 2004 году британскими учеными российского происхождения Андреем Геймом и Константином Новоселовым было открыто особое вещество, которое получило название «графен», а в 2010 году авторы открытия получили Нобелевскую премию по физике. Это вещество по праву называют веществом будущего. Оно обладает такими свойствами, которых нет ни у одного из природных веществ Это о прозрачное, очень тонкое (максимально тонкое), очень легкое(0,77 мг / кв. м), водонепроницаемое, эластичное, гибкое и одновременно удивительно прочное веществе. Графен является лучшим проводником электричества из когда-либо известных и, к тому же, в изобилии находится в природе, что делает его весьма экономичным. Кроме того, недавние исследования Манчестерского университета подтвердили его способность «самовосстанавливаться». При повреждении кристаллической решетки графеновой пленки атомы графена притягивают к себе свободные атомы углерода, заполняя по мере необходимости образовавшиеся дыры.

  Цель работы.: получение вещества с заданными электрическими свойствами.

  Задачи: изучить литературу по данному вопросу, выбрать наиболее приемлемый способ получения вещества «графен», создать это вещество в условиях школьной лаборатории и  провести исследование электропроводных свойств графена.

  Методы, используемые в работе: анализ литературы по данному вопросу, проведение эксперимента, анализ свойств полученного вещества, измерение электрических свойств графена мультиметром, изучение структуры полученного вещества.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования полученного вещества для прикладных целей  в школьных экспериментах, изготовлении различных энергетически выгодных устройств, а также в развитии своего кругозора.

  В чем же необычность графена?

Графен представляет собой углеродную пленку толщиной в один атом, кристаллическая решетка которой имеет форму сетки из шестиугольников. Получают графен из природного графита, который добывается в угольных шахтах и из которого делают, например, простые карандаши или тормоза автомобиля; хотя возможно также синтезирование этого вещества.

С точки зрения химической структуры, графен является аллотропной модификацией углерода, имеющей плоскую кристаллическую решетку, образованную шестигранниками (как пчелиные соты) из атомов углерода, соединенных посредством ковалентных связей.

  Графен — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Причем графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Е = 10–10 м)!

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми.

Поразительное разнообразие свойств графена обеспечивает многочисленные возможности его промышленного использования. Вот  некоторые примеры:

Транзистор, основанный на вертикальной графеновой структуре Жесткие диски, имеющие возможность хранения данных в 1000 раз большего объема, чем современные устройства. Полупроводники, используемые в производстве сверхбыстрых компьютеров будущего (взамен кремниевым). Гибкие (которые можно свернуть и сложить и которые лягут в основу самых разных устройств) и сверхтонкие экраны, которые позволят интегрировать бесконтактные системы оплаты. Видеокамеры ночного видения, чтобы осуществлять фото - и видеосъемку без источников света Аккумуляторные батареи более длительного срока действия для мобильных телефонов, компьютеров и электромобилей (графеновые электроды позволяют в 10 раз увеличить срок действия батареи, используемой для зарядки наших мобильных телефонов). Новые сверхбыстрые телекоммуникационные сети. Ультраконденсаторы (для автомобилей и электропоездов, а также для повышения кпд линий электропередачи). Применение в аэронавтике: более быстрые самолеты, выбрасывающие в атмосферу меньше вредоносных выхлопов. Мощные солнечные установки с эффективностью 42 % (в настоящее время лишь 16 % улавливаемой энергии солнца преобразуется в электричество). Телевизоры с органическими светодиодами (OLED), при производстве которых используются органические материалы, не приносящие вред окружающей среде. Мембраны, позволяющие экономить энергию при переработкеприродного газа и одновременно сократить выбросы углекислого газатепловых электростанций и выхлопных труб автомобилей. Графен собираются использовать для производства сверхмощных компьютеров.

Более того, графен представляет собой идеальную основу для создания новых материалов «под заказ» в зависимости от конкретных нужд. Эльза Прада, научный сотрудник Мадридского института материаловедения Высшего совета по научным исследованиям Испании CSIC, работавшая вместе с Новоселовым, указала, в частности, на флюорографен (двумерный аналог тефлона, имеющий исключительные смазывающие и изолирующие свойства),гексагональный нитрит бора (прозрачный кристаллический изоляционный материал, обладает высокой твердостью, в комбинации с графеном улучшает электромеханические свойства), дисульфид молибдена (еще один двумерный кристалл, обладающий многообещающими свойствами и возможностью применения в производстве транзисторов нового поколения) и силицен (соединение кремния, подобное графену; имеет некоторые подобные графену свойства, может быть легко использован в современной электронике, основанной на кремнии).

Таким образом, аэронавтика, медицина, телекоммуникации, производство энергии... — графен станет неотъемлемой частью всех сфер нашей жизни, изменяя ее к лучшему.

На сегодняшний день производство графена из графита, а также получение материала заданной чистоты в зависимости от дальнейшего применения представляют собой весьма сложный процесс.

Существует ряд методов, широко используемых для получения графена в лабораторных условиях.

  В их числе ультразвуковая обработка, приводящая к отделению частиц графита.

Первые листы графена были получены с помощью скотча, который приклеивали к поверхности графита, чтобы отделить от него тонкие слои. Продолжая традиции «низких технологий» в изготовлении этого «чудо-материала», исследователи из Тринити-колледжа в Дублине придумали способ получения больших количеств графена. Для этого нужен графит, стабилизирующий состав и блендер.

Конечно, графен, полученный таким способом, имеет мало общего с листами графена размерами с полупроводниковую пластину, которые выращиваются для использования в высокопроизводительной электронике Samsung, IBM и других компаний. Когда речь идет о производстве графена, приходится выбирать — качество или количество. Но и мелкие хлопья графита, которые отслаиваются от зерен графита при перемешивании а затем отделяются центрифугированием, тоже найдут себе применение. Коллоидные растворы, содержащие такие хлопья, могут быть использованы при производстве печатной электроники или проводящих покрытий. Сами хлопья могут входить в состав композиционных материалов, улучшая их механические, электрические или термические характеристики.

Для получения графена было предложено использовать блендер мощностью 400 Ватт (основная часть исследования проводилась с промышленным блендером). В чашу блендера необходимо залить пол-литра воды, а затем добавить от 10 до 25 миллилитров моющего средства и от 20 до 50 граммов графитового порошка (например, толченого карандашного грифеля). Включив аппарат на срок от 10 до 30 минут, можно будет получить взвесь из чешуек графена в воде.

Описанная методика позволяет получить произвольное количество графеновых чешуек средней толщиной в 4–5 слоев без заметных дефектов с сохранением высокой проводимости. Это позволяет использовать их как в электродах фотоэлементов, так и для улучшения свойств пластиков.

Свойства графена, полученного различными методами:

Метод	Размер кристаллита (мкм)	Размер образца (мм)	Подвижность носителей заряда (комнатн. темп.) (см2В-1с-1)	Применения
Механическое отслаивание	>1000	>1	>2Ч105 и 106(при низкой темп.)	Исследования
Химическое отслаивание	≤0,1	-	100 (для слоя из перекрывающих др. др хлопьев)	Покрытия, краски/чернила, композитные материалы, прозрачные проводящие слои, конденсаторы, биоприложения
Химическое отслаивание через оксид графена	~100	-	1 (для слоя из перекрывающих др. др хлопьев)	Покрытия, краски/чернила, композитные материалы, прозрачные проводящие слои, конденсаторы, биоприложения
CVD	1000	~1000	10000	Фотоника, наноэлектроника, прозрачные проводящие слои, сенсоры, биоприложения
SiC	50	100	10000	Высокочастотные транзисторы и др. электронные устройства

  Графен по праву называют материалом будущего. Он тоньше и легче бумаги, но прочнее стали и способен удерживать практически все вещества, кроме воды. Ему нашли множество применений в самых разных сферах, начиная от промышленности и заканчивая здравоохранением. Главной проблемой, сдерживающей его внедрение в производство является сложность его получения, поскольку до этого графен получали только в лабораторных условиях.

Получение графена в условиях школьной лаборатории и исследование его свойств

  Пользуясь методикой британских ученых А. Гейма и К. Новоселова, я получил опытные образце этого «чуда - вещества» - графена, и исследовал его электрические свойства.

В качестве источника графита я использовал грифели карандашей двух степеней твердости. Твердо - мягкий ТМ и очень мягкий 2М, получал с помощью наждачного бруска тонкую пыльцу графита и наносил ее на скотч. Использовал различную плотность напыления графита на скотч. Затем с помощью мультиметра я измерял эл. сопротивление графена. Результаты исследования я занес в таблицу.

ТМ	2М
Малая плотность напыления графита	0,02 *200 мОм 0,04* 750 мОм	0,06 *200мОм 0,02 * 750 мОм
Большая плотность напыления графита	0,03 *200 мОм 0,06 * 750 мОм	0,06  * 200мОм 0,200 * 750 мОм

 

Таким образом, при различной твердости графита мы получаем материал с различными электропроводными свойствами. Чем мягче графит и чем больше плотность напыления, тем больше сопротивление материала, а значит, меньше его электропроводность.

  Кроме того, с помощью электронного микроскопа я получил фотографии этого материала. На них видна структура расположения частиц графита, причем для различных образцов расположение частиц несколько различное.

   

  Проведя исследование свойств графена я выяснил, что легче всего его получить с помощью нанесения на тонкую подложку (в моей работе это была поверхность скотча), графен обладает хорошими электропроводными свойствами, и его возможно использовать для создания различных электротехнических устройств.

  В дальнейшем я планирую рассмотреть также теплопроводные и механические свойства графена и создать на его основе электротехническое устройство типа реостат ( резистор переменного сопротивления) , электропроводность которого можно будет изменять.

Список используемых источников

Графен: материалы Флатландии // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 1299—1311. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 1284—1298. , , Графен: методы получения и теплофизические свойства // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 227—258. , Полупроводниковые наноструктуры на основе графена // УФН. — 2013. — Т. 183. — С. 113–132.