Γραφένιο – Βικιπαίδεια

[et_pb_section fb_built=”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″position background_size=”initial” ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ background_size=”initial” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat” global_colors_info

Το γραφένιο (/ˈɡræfΕγώn/^[1]) είναι ένα αλλοτρόπιο του άνθρακα που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων διατεταγμένων σε ένα δισδιάστατο πλέγμα κηρήθρας^[2][3] νανοδομή.^[4] Το όνομα προέρχεται από τη λέξη «γραφίτης» και την κατάληξη -ένιο, αντανακλώντας το γεγονός ότι το γραφίτης Το αλλότροπο του άνθρακα περιέχει πολυάριθμους διπλούς δεσμούς.

Κάθε άτομο σε ένα φύλλο γραφενίου συνδέεται με τους τρεις πλησιέστερους γείτονές του μέσω ενός σ-δεσμός, και συνεισφέρει ένα ηλεκτρονίου σε ένα ζώνη αγωγιμότητας που εκτείνεται σε ολόκληρο το φύλλο. Αυτός είναι ο ίδιος τύπος συγκόλλησης που παρατηρείται στο νανοσωλήνες άνθρακα   πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες, και (μερικώς) σε φουλερένια   υαλώδης άνθρακας.^[5][6] Αυτές οι ζώνες αγωγιμότητας καθιστούν το γραφένιο ένα ημιμεταλλικό με ασυνήθιστο ηλεκτρονικές ιδιότητες που περιγράφονται καλύτερα από θεωρίες για άμαζα σχετικιστικά σωματίδια.^[2] Οι φορείς φορτίου στο γραφένιο εμφανίζουν γραμμική, αντί για τετραγωνική, εξάρτηση της ενέργειας από την ορμή, και μπορούν να κατασκευαστούν τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος με γραφένιο που εμφανίζουν διπολική αγωγιμότητα. Η μεταφορά φορτίου είναι βαλλιστικός σε μεγάλες αποστάσεις· το υλικό παρουσιάζει μεγάλες κβαντικές ταλαντώσεις και μεγάλα και μη γραμμικά διαμαγνητισμός.^[7] Το γραφένιο άγει τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό πολύ αποτελεσματικά κατά μήκος του επιπέδου του. Το υλικό απορροφά έντονα το φως όλων των ορατών μηκών κύματος,^[8][9] γεγονός που ευθύνεται για το μαύρο χρώμα του γραφίτη. Ωστόσο, ένα μόνο φύλλο γραφενίου είναι σχεδόν διαφανές λόγω της εξαιρετικής λεπτότητάς του. Το υλικό είναι επίσης περίπου 100 φορές ισχυρότερο από τον ισχυρότερο χάλυβα του ίδιου πάχους.^[10][11]

Οι επιστήμονες διατύπωσαν θεωρίες για την πιθανή ύπαρξη και παραγωγή γραφενίου εδώ και δεκαετίες. Πιθανότατα παράγεται εν αγνοία του σε μικρές ποσότητες εδώ και αιώνες, μέσω της χρήσης μολυβιών και άλλων παρόμοιων εφαρμογών γραφίτη. Παρατηρήθηκε αρχικά στο ηλεκτρονικά μικροσκόπια το 1962, αλλά μελετήθηκε μόνο ενώ στηριζόταν σε μεταλλικές επιφάνειες.^[12]

Το 2004 το υλικό ανακαλύφθηκε ξανά, απομονώθηκε και ερευνήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Manchester,^[13][14] by Αντρέ Γκέιμ   Κωνσταντίνος ΝοβοσέλοφΤο 2010, οι Geim και Novoselov τιμήθηκαν με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τα «πρωτοποριακά πειράματά τους σχετικά με το δισδιάστατο υλικό γραφένιο».^[15] Το υψηλής ποιότητας γραφένιο αποδείχθηκε εκπληκτικά εύκολο στην απομόνωση.

Το γραφένιο έχει γίνει ένα πολύτιμο και χρήσιμο νανοϋλικό λόγω της εξαιρετικά υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, της διαφάνειας και του ότι είναι το λεπτότερο δισδιάστατο υλικό στον κόσμο.^[4] Η παγκόσμια αγορά γραφενίου ήταν 9 εκατομμύρια δολάρια το 2012,^[16] με το μεγαλύτερο μέρος της ζήτησης να προέρχεται από έρευνα και ανάπτυξη σε ημιαγωγούς, ηλεκτρονικά, ηλεκτρικές μπαταρίες,^[17]   σύνθετα υλικά.

The IUPAC (Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας) συνιστά τη χρήση της ονομασίας «γραφίτης» για το τρισδιάστατο υλικό και «γραφένιο» μόνο όταν συζητούνται οι αντιδράσεις, οι δομικές σχέσεις ή άλλες ιδιότητες των μεμονωμένων στρωμάτων.^[18] Ένας πιο στενός ορισμός, του «απομονωμένου ή ελεύθερα όρθιου γραφενίου» απαιτεί το στρώμα να είναι επαρκώς απομονωμένο από το περιβάλλον του,^[19] αλλά θα περιλαμβάνει στρώματα που έχουν ανασταλεί ή έχουν μεταφερθεί σε διοξείδιο του πυριτίου or καρβίδιο του πυριτίου.^[20]

Η ιστορία μας

Δομή του γραφίτη και των ενώσεων παρεμβολής του

σε 1859 Μπέντζαμιν Μπρόντι σημείωσε ιδιαίτερα φυλλωτός δομή θερμικά μειωμένης οξείδιο του γραφίτη.^[21][22] Σε 1916, Πίτερ Ντεμπίγιε   Π. Σέρερ προσδιόρισε τη δομή του γραφίτη με περίθλαση ακτίνων Χ σε σκόνη.^[23][24][25] Η δομή μελετήθηκε λεπτομερέστερα από τους V. Kohlschütter και P. Haenni το 1918, οι οποίοι περιέγραψαν επίσης τις ιδιότητες του χαρτί οξειδίου γραφίτη.^[26] Η δομή του καθορίστηκε από μονοκρυσταλλικό περίθλαση το 1924.^[27][28]

Η θεωρία του γραφενίου εξερευνήθηκε για πρώτη φορά από τον PR Γουάλας το 1947 ως σημείο εκκίνησης για την κατανόηση των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του τρισδιάστατου γραφίτη. Η αναδυόμενη άμαζα Εξίσωση Ντιράκ επισημάνθηκε για πρώτη φορά το 1984 ξεχωριστά από Γκόρντον Γουόλτερ Σεμένοφ,^[29] και από τους David P. DiVincenzo και Eugene J. Mele.^[30] Ο Σεμένοφ τόνισε την εμφάνιση σε ένα μαγνητικό πεδίο ενός ηλεκτρονικού Επίπεδο Λαντάου ακριβώς στο Σημείο ΝτιράκΑυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για τον ανώμαλο ακέραιο αριθμό κβαντικό φαινόμενο Hall.^[31][32][33]

Παρατηρήσεις λεπτών στρωμάτων γραφίτη και σχετικών δομών

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης Εικόνες (TEM) λεπτών δειγμάτων γραφίτη που αποτελούνται από μερικά στρώματα γραφενίου δημοσιεύθηκαν από τους G. Ruess και F. Vogt το 1948.^[34] Τελικά, παρατηρήθηκαν επίσης άμεσα μεμονωμένα στρώματα.^[35] Μονά στρώματα γραφίτη παρατηρήθηκαν επίσης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης μέσα σε χύδην υλικά, ιδίως μέσα σε αιθάλη που λαμβάνεται με χημικές ουσίες απολέπιση.^[6]

Το 1961-1962, Χανς-Πέτερ Μπόεμ δημοσίευσε μια μελέτη για εξαιρετικά λεπτά νιφάδες γραφίτη και επινόησε τον όρο «γραφένιο» για την υποθετική μονοστρωματική δομή.^[36] Αυτή η εργασία αναφέρει γραφιτικές νιφάδες που δίνουν ένα επιπλέον ισοδύναμο αντίθεσης έως και ~0.4. nm ή 3 ατομικά στρώματα άμορφου άνθρακα. Αυτή ήταν η καλύτερη δυνατή ανάλυση για τα TEM του 1960. Ωστόσο, ούτε τότε ούτε σήμερα είναι δυνατόν να αμφισβητηθεί πόσα στρώματα υπήρχαν σε αυτές τις νιφάδες. Τώρα γνωρίζουμε ότι η αντίθεση TEM του γραφενίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες εστίασης.^[35] Για παράδειγμα, είναι αδύνατο να γίνει διάκριση μεταξύ αιωρούμενου μονοστρωματικού και πολυστρωματικού γραφενίου από τις αντιθέσεις TEM τους, και ο μόνος γνωστός τρόπος είναι να αναλυθούν οι σχετικές εντάσεις διαφόρων σημείων περίθλασης. Οι πρώτες αξιόπιστες παρατηρήσεις TEM μονοστρωμάτων δίνονται πιθανώς στις αναφορές 24 και 26 της ανασκόπησης των Geim και Novoselov του 2007.^[2]

Ξεκινώντας τη δεκαετία του 1970, Κ. Οσίμα και άλλοι περιέγραψαν μεμονωμένα στρώματα ατόμων άνθρακα που αναπτύχθηκαν επιταξιακά πάνω σε άλλα υλικά.^[37][38] Αυτό το «επιταξιακό γραφένιο» αποτελείται από ένα εξαγωνικό πλέγμα sp2, πάχους ενός ατόμου.²άτομα άνθρακα με δεσμούς, όπως στο ελεύθερα όρθιο γραφένιο. Ωστόσο, υπάρχει σημαντική μεταφορά φορτίου μεταξύ των δύο υλικών και, σε ορισμένες περιπτώσεις, υβριδισμός μεταξύ d-τροχιακά των ατόμων υποστρώματος και των π τροχιακών του γραφενίου, τα οποία μεταβάλλουν σημαντικά την ηλεκτρονική δομή σε σύγκριση με αυτή του ελεύθερα στεγασμένου γραφενίου.

Ο όρος «γραφένιο» χρησιμοποιήθηκε ξανά το 1987 για να περιγράψει μεμονωμένα φύλλα γραφίτη ως συστατικό του ενώσεις παρεμβολής γραφίτη,^[39] τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως κρυσταλλικά άλατα του ενδιάμεσου και του γραφενίου. Χρησιμοποιήθηκε επίσης στις περιγραφές των νανοσωλήνες άνθρακα by R. Saito   Mildred   Τζιν Ντρέσελχαους στο 1992,^[40] και πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων το 2000 από Σ. Γουάνγκ και άλλοι.^[41]

Οι προσπάθειες για την κατασκευή λεπτών μεμβρανών γραφίτη με μηχανική απολέπιση ξεκίνησαν το 1990.^[42] Στις αρχικές προσπάθειες χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές απολέπισης παρόμοιες με τη μέθοδο απολέπισης. Λήφθηκαν πολυστρωματικά δείγματα πάχους έως και 10 nm.^[2]

Σε 2002, Ρόμπερτ Μπ. Ράδερφορντ   Ρίτσαρντ Λ. Ντάντμαν υπέβαλε αίτηση για ευρεσιτεχνία στις ΗΠΑ σε μια μέθοδο παραγωγής γραφενίου με επαναλαμβανόμενη αποκόλληση στρωμάτων από μια νιφάδα γραφίτη προσκολλημένη σε ένα υπόστρωμα, επιτυγχάνοντας πάχος γραφίτη 0.00001 ίντσες (2.5 × 10^-7 μέτραΤο κλειδί της επιτυχίας ήταν η υψηλής απόδοσης οπτική αναγνώριση του γραφενίου σε ένα σωστά επιλεγμένο υπόστρωμα, η οποία παρέχει μια μικρή αλλά αισθητή οπτική αντίθεση.^[43]

Ένα άλλο αμερικανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας κατατέθηκε την ίδια χρονιά από Μπορ Ζ. Τζανγκ   Wen C. Huang για μια μέθοδο παραγωγής γραφενίου με βάση την απολέπιση ακολουθούμενη από τριβή.^[44]

Πλήρης απομόνωση και χαρακτηρισμός

Το γραφένιο απομονώθηκε και χαρακτηρίστηκε σωστά το 2004 από Αντρέ Γκέιμ   Κωνσταντίνος Νοβοσέλοφ κατά τη Πανεπιστήμιο του Manchester.^[13][14] Τράβηξαν στρώματα γραφενίου από γραφίτη με ένα κοινό κολλητική ταινία σε μια διαδικασία που ονομάζεται είτε μικρομηχανική διάσπαση είτε σελοτέιπ τεχνική.^[45] Οι νιφάδες γραφενίου μεταφέρθηκαν στη συνέχεια σε λεπτό διοξείδιο του πυριτίου στρώμα (πυριτίας) σε ένα πυρίτιο πλάκα («γκοφρέτα»). Το πυρίτιο απομόνωσε ηλεκτρικά το γραφένιο και αλληλεπίδρασε ασθενώς με αυτό, παρέχοντας σχεδόν ουδέτερα ως προς το φορτίο στρώματα γραφενίου. Το πυρίτιο κάτω από το ΣιΟ
₂ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο «πίσω πύλης» για να μεταβάλλει την πυκνότητα φορτίου στο γραφένιο σε ένα ευρύ φάσμα.

Αυτή η εργασία είχε ως αποτέλεσμα οι δύο να κερδίσουν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010 «για πρωτοποριακά πειράματα σχετικά με το δισδιάστατο υλικό γραφένιο».^[46][47][45] Η δημοσίευσή τους, και η εκπληκτικά εύκολη μέθοδος παρασκευής που περιέγραψαν, πυροδότησε έναν «πυρετό του χρυσού για το γραφένιο». Η έρευνα επεκτάθηκε και χωρίστηκε σε πολλά διαφορετικά υποπεδία, εξερευνώντας διαφορετικές εξαιρετικές ιδιότητες του υλικού - κβαντομηχανικές, ηλεκτρικές, χημικές, μηχανικές, οπτικές, μαγνητικές κ.λπ.

Εξερεύνηση εμπορικών εφαρμογών

Από τις αρχές της δεκαετίας του 2000, αρκετές εταιρείες και ερευνητικά εργαστήρια εργάζονται για την ανάπτυξη εμπορικών εφαρμογών του γραφενίου. Το 2014, ένα Εθνικό Ινστιτούτο Graphene ιδρύθηκε με αυτόν τον σκοπό στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, με 60 εκατομμύρια GBP αρχική χρηματοδότηση.^[48] In Βορειοανατολική Αγγλία δύο εμπορικοί κατασκευαστές, Εφαρμοσμένα υλικά Graphene^[49]   Thomas Swan Limited^[50][51] έχουν ξεκινήσει την κατασκευή. Νανοσυστήματα Cambridge^[52] είναι μια μεγάλης κλίμακας μονάδα παραγωγής σκόνης γραφενίου στο Ανατολική Αγγλία.

Structure

Συγκόλληση

Τρία από τα τέσσερα εξωτερικά-κέλυφος Τα ηλεκτρόνια κάθε ατόμου σε ένα φύλλο γραφενίου καταλαμβάνουν τρία sp² υβριδικά τροχιακά – ένας συνδυασμός τροχιακών s, p_x και π_y — που μοιράζονται με τα τρία πλησιέστερα άτομα, σχηματίζοντας σ-δεσμοίΤο μήκος αυτών ομολογίες είναι περίπου 0.142 νανόμετρα.^[53][54]

Το υπόλοιπο ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας καταλαμβάνει ap_z τροχιακό που είναι προσανατολισμένο κάθετα στο επίπεδο. Αυτά τα τροχιακά υβριδίζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν δύο ημιγεμάτα ζώνες ελεύθερα κινούμενων ηλεκτρονίων, π και π∗, τα οποία είναι υπεύθυνα για τις περισσότερες από τις αξιοσημείωτες ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου.^[53] Πρόσφατες ποσοτικές εκτιμήσεις της αρωματικής σταθεροποίησης και του περιοριστικού μεγέθους που προέρχονται από τις ενθαλπίες υδρογόνωσης (ΔH_{υδροηλεκτρική ενέργεια}) συμφωνούν απόλυτα με τις βιβλιογραφικές αναφορές.^[55]

Τα φύλλα γραφενίου στοιβάζονται για να σχηματίσουν γραφίτη με απόσταση μεταξύ των επιπέδων 0.335 nm (3.35 Å).

Τα φύλλα γραφενίου σε στερεά μορφή συνήθως εμφανίζουν ενδείξεις περίθλασης για στρωματοποίηση γραφίτη (002). Αυτό ισχύει για ορισμένες νανοδομές μονού τοιχώματος.^[56] Ωστόσο, στον πυρήνα του έχει βρεθεί μη στρωματοποιημένο γραφένιο με μόνο (hk0) δακτυλίους. προηλιακός κρεμμύδια από γραφίτη.^[57] Μελέτες TEM δείχνουν εδραίωση σε ελαττώματα σε επίπεδα φύλλα γραφενίου^[58] και προτείνουν έναν ρόλο για τη δισδιάστατη κρυστάλλωση από ένα τήγμα.

Γεωμετρία

Το εξαγωνικό πλέγμα δομή απομονωμένου, μονοστρωματικού γραφενίου μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (TEM) φύλλων γραφενίου που αιωρούνται ανάμεσα σε ράβδους ενός μεταλλικού πλέγματος.^[35] Ορισμένες από αυτές τις εικόνες έδειχναν μια «κυματώδη διαμόρφωση» του επίπεδου φύλλου, με πλάτος περίπου ενός νανόμετρου. Αυτές οι κυματισμοί μπορεί να είναι εγγενείς στο υλικό ως αποτέλεσμα της αστάθειας των δισδιάστατων κρυστάλλων,^[2][59][60] ή μπορεί να προέρχεται από την πανταχού παρούσα βρωμιά που παρατηρείται σε όλες τις εικόνες TEM του γραφενίου. Φωτοανθεκτικό υπόλειμμα, το οποίο πρέπει να αφαιρεθεί για να ληφθούν εικόνες ατομικής ανάλυσης, μπορεί να είναι το «προσροφημένα"που παρατηρείται σε εικόνες TEM και μπορεί να εξηγήσει τον παρατηρούμενο κυματισμό.^{[παραπομπή που απαιτείται]}

Η εξαγωνική δομή παρατηρείται επίσης σε μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας Εικόνες (STM) γραφενίου υποστηριζόμενης σε υποστρώματα διοξειδίου του πυριτίου^[61] Η κυματοειδής διαμόρφωση που παρατηρείται σε αυτές τις εικόνες προκαλείται από τη διαμόρφωση του γραφενίου στο πλέγμα του υποστρώματος και δεν είναι εγγενής.^[61]

σταθερότητα

Υπολογισμοί Ab initio δείχνουν ότι ένα φύλλο γραφενίου είναι θερμοδυναμικά ασταθές εάν το μέγεθός του είναι μικρότερο από περίπου 20 nm και γίνεται το πιο σταθερό φουλερένιο (όπως στον γραφίτη) μόνο για μόρια μεγαλύτερα από 24,000 άτομα.^[62]

Ιδιοκτησίες

Ηλεκτρονικός

Το γραφένιο είναι ένα μηδενικό χάσμα ημιαγωγός, επειδή του μεταβίβαση   ζώνες σθένους συναντώνται στα σημεία Ντιράκ. Τα σημεία Ντιράκ βρίσκονται σε έξι τοποθεσίες χώρος ορμής, στην άκρη του Ζώνη Brillouin, διαιρούμενο σε δύο μη ισοδύναμα σύνολα τριών σημείων. Τα δύο σύνολα ονομάζονται K και K'. Τα σύνολα δίνουν στο γραφένιο μια εκφύλιση κοιλάδας gv = 2Αντίθετα, για τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς το κύριο σημείο ενδιαφέροντος είναι γενικά το Γ, όπου η ορμή είναι μηδέν.^[53] Τέσσερις ηλεκτρονικές ιδιότητες το διακρίνουν από τα άλλα συμπυκνωμένη ύλη συστήματα.

Ωστόσο, εάν η κατεύθυνση εντός του επιπέδου δεν είναι πλέον άπειρη, αλλά περιορισμένη, η ηλεκτρονική του δομή θα αλλάξει. Αναφέρονται ως νανοκορδέλες γραφενίουΑν είναι «ζιγκ-ζαγκ», το ενεργειακό χάσμα θα είναι ακόμα μηδέν. Αν είναι «πολυθρόνα», το ενεργειακό χάσμα θα είναι διαφορετικό από το μηδέν.

Το εξαγωνικό πλέγμα του γραφενίου μπορεί να θεωρηθεί ως δύο αλληλοεπικαλυπτόμενα τριγωνικά πλέγματα. Αυτή η προοπτική χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για τον υπολογισμό της δομής της ζώνης για ένα μόνο στρώμα γραφίτη χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση σφιχτής σύνδεσης.^[53]

Ηλεκτρονικό φάσμα

Τα ηλεκτρόνια που διαδίδονται μέσω του κυψελοειδούς πλέγματος του γραφενίου χάνουν ουσιαστικά τη μάζα τους, παράγοντας οιονεί σωματίδια που περιγράφονται από ένα δισδιάστατο ανάλογο του Εξίσωση Ντιράκ αντί για το εξίσωση Schrödinger για περιστροφή-1/ /2 σωματίδια.^[63][64]

Σχέση διασποράς

Αναπαραγωγή πολυμέσων

Η τεχνική διάσπασης οδήγησε άμεσα στην πρώτη παρατήρηση του ανώμαλου κβαντικού φαινομένου Hall στο γραφένιο το 2005, από την ομάδα του Geim και από Φίλιπ Κιμ   Yuanbo ZhangΑυτό το φαινόμενο παρείχε άμεση απόδειξη της θεωρητικά προβλεπόμενης επίδρασης του γραφενίου. Φάση του Berry άμαζας Φερμιόνια Ντιράκ και η πρώτη απόδειξη της φερμιονικής φύσης των ηλεκτρονίων κατά Dirac.^[31][33] Αυτά τα φαινόμενα είχαν παρατηρηθεί σε χύδην γραφίτη από Γιακόβ Κόπελεβιτς, Ιγκόρ Α. Λουκγιάντσουκκαι άλλοι, το 2003–2004.^[65][66]

Όταν τα άτομα τοποθετούνται στο εξαγωνικό πλέγμα γραφενίου, η επικάλυψη μεταξύ των p_z(π) τροχιακά και τα s ή η p_x   p_y τροχιακά είναι μηδέν συμμετρικά. Το p_z Τα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν τις π ζώνες στο γραφένιο μπορούν επομένως να υποβληθούν σε ανεξάρτητη επεξεργασία. Μέσα σε αυτήν την προσέγγιση π-ζώνης, χρησιμοποιώντας μια συμβατική στενή δέσμευση μοντέλο, το σχέση διασποράς (περιορίζεται μόνο στις αλληλεπιδράσεις του πρώτου πλησιέστερου γείτονα) που παράγει ενέργεια των ηλεκτρονίων με κυματοδιάνυσμα k is^[29][67]

E ( kx , ky ) = ± γ 0 1 + 4 cos 2 ⁡ 1 2 akx + 4 cos ⁡ 1 2 akx ⋅ cos ⁡ 3 2 aky {displaystyle E(k_,k_)=pm ,gamma _{sqrt {1 + 4 cos {{tfrac }ak_}cdot cos {{tfrac {sqrt }}ak_}}}} 

με την ενέργεια αναπήδησης του πλησιέστερου γείτονα (π τροχιακά) γ₀ ≈ 2.8 eV και την σταθερά πλέγματος a ≈ 2.46 Å. ο μεταβίβαση   ζώνες σθένους, αντίστοιχα, αντιστοιχούν στα διαφορετικά ζώδια. Με ένα p_z ηλεκτρόνιο ανά άτομο σε αυτό το μοντέλο η ζώνη σθένους είναι πλήρως κατειλημμένη, ενώ η ζώνη αγωγιμότητας είναι κενή. Οι δύο ζώνες εφάπτονται στις γωνίες της ζώνης (η K σημείο στη ζώνη Brillouin), όπου υπάρχει μηδενική πυκνότητα καταστάσεων αλλά όχι ενεργειακό χάσμα. Το φύλλο γραφενίου εμφανίζει έτσι έναν ημιμεταλλικό (ή ημιαγωγό μηδενικού χάσματος) χαρακτήρα, αν και το ίδιο δεν μπορεί να ειπωθεί για ένα φύλλο γραφενίου τυλιγμένο σε νανοσωλήνας άνθρακα, λόγω της καμπυλότητάς του. Δύο από τα έξι σημεία Dirac είναι ανεξάρτητα, ενώ τα υπόλοιπα είναι ισοδύναμα από συμμετρία. Στην περιοχή του K-σημεία από τα οποία εξαρτάται η ενέργεια γραμμικά στο κυματοδιάνυσμα, παρόμοιο με ένα σχετικιστικό σωματίδιο.^[29][68] Δεδομένου ότι ένα στοιχειώδες κελί του πλέγματος έχει μια βάση δύο ατόμων, το κυματική συνάρτηση έχει μια αποτελεσματική Δομή 2-σπινορ.

Κατά συνέπεια, σε χαμηλές ενέργειες, ακόμη και αν αγνοήσουμε το πραγματικό σπιν, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περιγραφούν από μια εξίσωση που είναι τυπικά ισοδύναμη με την άμαζα Εξίσωση ΝτιράκΩς εκ τούτου, τα ηλεκτρόνια και οι οπές ονομάζονται Dirac φερμιόνια.^[29] Αυτή η ψευδο-σχετιστική περιγραφή περιορίζεται στο χειρόμορφο όριο, δηλαδή, σε μηδενική μάζα ηρεμίας M₀, κάτι που οδηγεί σε ενδιαφέροντα πρόσθετα χαρακτηριστικά:^[29][69]

v F σ → ⋅ ∇ ψ ( r ) = E ψ ( r ) . {displaystyle v_,{vec {sigma }}cdot nabla psi (mathbf ),=,Epsi (mathbf ).} 

Εδώ v_F ~ 10⁶ m / s (003 γ) είναι το Ταχύτητα Φέρμι στο γραφένιο, το οποίο αντικαθιστά την ταχύτητα του φωτός στη θεωρία Dirac. σ → {εμφάνιση στυλ {vec {sigma }}}  είναι το διάνυσμα του Πίνακες Pauli, ψ ( r ) {displaystyle psi (mathbf )}  είναι η κυματοσυνάρτηση δύο συνιστωσών των ηλεκτρονίων, και E είναι η ενέργειά τους.^[63]

Η εξίσωση που περιγράφει τη γραμμική σχέση διασποράς των ηλεκτρονίων είναι

E(q) = ℏ v Fq {εμφάνιση στυλ E(q)=hbar v_q} 

όπου η κυματοδηγός q μετριέται από την κορυφή K της ζώνης Brillouin, q = | k − K | {εμφάνιση στυλ q=αριστερά|mathbf -mathrm δεξιά|} , και το μηδέν της ενέργειας ορίζεται ώστε να συμπίπτει με το σημείο Dirac. Η εξίσωση χρησιμοποιεί έναν τύπο ψευδοσπιν μήτρας που περιγράφει δύο υποπλέγματα του κυψελοειδούς πλέγματος.^[68]

Διάδοση κύματος ενός ατόμου

Τα ηλεκτρονιακά κύματα στο γραφένιο διαδίδονται μέσα σε ένα στρώμα ενός ατόμου, καθιστώντας τα ευαίσθητα στην εγγύτητα άλλων υλικών, όπως π.χ. διηλεκτρικά υψηλού κ, υπεραγωγοί   σιδηρομαγνητικοί.

Αμφιπολική μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών

Το γραφένιο παρουσιάζει αξιοσημείωτες επιδείξεις κινητικότητα ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου, με αναφερόμενες τιμές που υπερβαίνουν 15000 εκ²⋅V^-1⋅^-1.^[2] Η κινητικότητα των οπών και των ηλεκτρονίων είναι σχεδόν η ίδια.^[64] Η κινητικότητα είναι ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία μεταξύ 10 Κ   100 Κ,^[31][70][71] και παρουσιάζει μικρή αλλαγή ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου (300 K),^[2] πράγμα που υποδηλώνει ότι ο κυρίαρχος μηχανισμός σκέδασης είναι σκέδαση ελαττωμάτωνΣκέδαση από την ακουστική του γραφενίου φωνόνια περιορίζει εγγενώς την κινητικότητα σε θερμοκρασία δωματίου σε ανεξάρτητο γραφένιο σε 200000 εκ²⋅V^-1⋅^-1 σε πυκνότητα φορέων 10¹² cm^-2.^[71][72]

Το αντίστοιχο αντίσταση των φύλλων γραφενίου θα ήταν 10^-6 Ω⋅cmΑυτό είναι μικρότερο από την αντίσταση του αργυροι, η χαμηλότερη γνωστή αλλιώς σε θερμοκρασία δωματίου.^[73] Ωστόσο, το ΣιΟ
₂ υποστρώματα, η σκέδαση ηλεκτρονίων από οπτικά φωνόνια του υποστρώματος έχει μεγαλύτερο αποτέλεσμα από τη σκέδαση από τα ίδια τα φωνόνια του γραφενίου. Αυτό περιορίζει την κινητικότητα σε 40000 εκ²⋅V^-1⋅^-1.^[71]

Η μεταφορά φορτίου παρουσιάζει σημαντικές ανησυχίες λόγω της προσρόφησης ρύπων όπως τα μόρια νερού και οξυγόνου. Αυτό οδηγεί σε μη επαναλαμβανόμενα και μεγάλης υστέρησης χαρακτηριστικά IV. Οι ερευνητές πρέπει να πραγματοποιούν ηλεκτρικές μετρήσεις σε κενό. Η προστασία της επιφάνειας του γραφενίου με μια επικάλυψη με υλικά όπως το SiN, PMMA, h-BN, κ.λπ., έχουν συζητηθεί από ερευνητές. Τον Ιανουάριο του 2015, αναφέρθηκε η πρώτη λειτουργία σταθερής συσκευής γραφενίου στον αέρα για αρκετές εβδομάδες, για γραφένιο του οποίου η επιφάνεια προστατεύτηκε από οξείδιο αργιλίου.^[74][75] σε 2015 λίθιοεπικαλυμμένο γραφένιο που εκτίθεται υπεραγωγιμότητα, μια πρωτιά για το γραφένιο.^[76]

Ηλεκτρική αντίσταση σε πλάτος 40 νανομέτρων νανοκορδέλες των επιταξιακών αλλαγών γραφενίου σε διακριτά βήματα. Η αγωγιμότητα των κορδελών υπερβαίνει τις προβλέψεις κατά 10 φορές. Οι κορδέλες μπορούν να λειτουργήσουν περισσότερο σαν οπτικοί κυματοδηγοί or κβαντικές κουκίδες, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να ρέουν ομαλά κατά μήκος των άκρων της κορδέλας. Στον χαλκό, η αντίσταση αυξάνεται αναλογικά με το μήκος καθώς τα ηλεκτρόνια συναντούν ακαθαρσίες.^[77][78]

Η μεταφορά κυριαρχείται από δύο τρόπους. Ο ένας είναι βαλλιστικός και ανεξάρτητος από τη θερμοκρασία, ενώ ο άλλος ενεργοποιείται θερμικά. Τα βαλλιστικά ηλεκτρόνια μοιάζουν με αυτά σε κυλινδρικά νανοσωλήνες άνθρακαΣε θερμοκρασία δωματίου, η αντίσταση αυξάνεται απότομα σε ένα συγκεκριμένο μήκος—το βαλλιστικό στα 16 μικρόμετρα και το άλλο στα 160 νανόμετρα (1% του προηγούμενου μήκους).^[77]

Τα ηλεκτρόνια γραφενίου μπορούν να καλύψουν μικρομετρικές αποστάσεις χωρίς σκέδαση, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.^[63]

Παρά τη μηδενική πυκνότητα φορέων κοντά στα σημεία Dirac, το γραφένιο παρουσιάζει ελάχιστη αγώγιμο κατόπιν εντολής του 4 e 2 / h {style display 4e^/h} Η προέλευση αυτής της ελάχιστης αγωγιμότητας είναι ακόμη ασαφής. Ωστόσο, η κυματοειδής διαμόρφωση του φύλλου γραφενίου ή οι ιονισμένες ακαθαρσίες στο ΣιΟ
₂ Το υπόστρωμα μπορεί να οδηγήσει σε τοπικές λακκούβες φορέων που επιτρέπουν την αγωγιμότητα.^[64] Αρκετές θεωρίες υποδηλώνουν ότι η ελάχιστη αγωγιμότητα θα πρέπει να είναι 4 e 2 / ( π h ) {style display 4e^/{(pi }h)} Ωστόσο, οι περισσότερες μετρήσεις είναι της τάξης 4 e 2 / h {style display 4e^/h}  ή μεγαλύτερο^[2] και εξαρτώνται από τη συγκέντρωση των προσμίξεων.^[79]

Το γραφένιο με σχεδόν μηδενική πυκνότητα φορέων εμφανίζει θετική φωτοαγωγιμότητα και αρνητική φωτοαγωγιμότητα σε υψηλή πυκνότητα φορέων. Αυτό καθορίζεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ των φωτοεπαγόμενων αλλαγών τόσο του βάρους Drude όσο και του ρυθμού σκέδασης φορέων.^[80]

Το γραφένιο που έχει προσμειχθεί με διάφορα αέρια είδη (τόσο δέκτες όσο και δότες) μπορεί να επιστρέψει σε μη προσμειωμένη κατάσταση με ήπια θέρμανση στο κενό.^[79][81] Ακόμα και για Προσθετικό συγκεντρώσεις άνω των 10¹² cm^-2 Η κινητικότητα των φορέων δεν παρουσιάζει παρατηρήσιμη αλλαγή.^[81] Γραφένιο εμπλουτισμένο με κάλιο in εξαιρετικά υψηλό κενό σε χαμηλή θερμοκρασία μπορεί να μειώσει την κινητικότητα κατά 20 φορές.^[79][82] Η μείωση της κινητικότητας είναι αναστρέψιμη με τη θέρμανση του γραφενίου για την απομάκρυνση του καλίου.

Λόγω των δύο διαστάσεων του γραφενίου, η κλασματοποίηση φορτίου (όπου το φαινόμενο φορτίο των μεμονωμένων ψευδοσωματιδίων σε συστήματα χαμηλών διαστάσεων είναι μικρότερο από ένα μόνο κβαντικό φορτίο)^[83]) πιστεύεται ότι συμβαίνει. Επομένως, μπορεί να είναι ένα κατάλληλο υλικό για την κατασκευή κβαντικούς υπολογιστές^[84]   ανιονικό κυκλώματα.^[85]

Χειρόμορφο ημιακέραιο κβαντικό φαινόμενο Hall

The κβαντικό φαινόμενο Hall είναι μια κβαντομηχανική εκδοχή του Εφέ αιθουσών, η οποία είναι η παραγωγή εγκάρσιας (κάθετης στο κύριο ρεύμα) αγωγιμότητας παρουσία ενός μαγνητικό πεδίοΗ κβάντωση του Εφέ αιθουσών σ xy {εμφάνιση στυλ σίγμα _}  σε ακέραια πολλαπλάσια (το "Επίπεδο Λαντάου«) της βασικής ποσότητας e 2 / h {εμφάνιση στυλ e^/h}  (που e είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο και h is Η σταθερά του Πλανκ). Συνήθως μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε πολύ καθαρά πυρίτιο or αρσενίδιο του γαλλίου στερεά σε θερμοκρασίες περίπου 3 K και πολύ υψηλά μαγνητικά πεδία.

Το γραφένιο παρουσιάζει το κβαντικό φαινόμενο Hall σε σχέση με την κβάντωση της αγωγιμότητας: το φαινόμενο είναι ασυνήθιστο, καθώς η ακολουθία των βημάτων μετατοπίζεται κατά 1/2 σε σχέση με την τυπική ακολουθία και με έναν επιπλέον παράγοντα 4. Η αγωγιμότητα Hall του γραφενίου είναι σ xy = ± 4 ⋅ ( N + 1 / 2 ) e 2 / h {εμφάνιση στυλ sigma _=pm {4cdot left(N+1/2right)e^}/h} , Όπου N είναι το επίπεδο Landau και οι εκφυλισμοί διπλής κοιλάδας και διπλού σπιν δίνουν τον συντελεστή 4.^[2] Αυτές οι ανωμαλίες υπάρχουν όχι μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες αλλά και σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή περίπου στους 20 °C (293 K).^[31]

Αυτή η συμπεριφορά είναι άμεσο αποτέλεσμα των χειρόμορφων, άμαζων ηλεκτρονίων Dirac του γραφενίου.^[2][86] Σε ένα μαγνητικό πεδίο, το φάσμα τους έχει επίπεδο Landau με ενέργεια ακριβώς στο σημείο Dirac. Αυτό το επίπεδο είναι συνέπεια του Θεώρημα δείκτη Atiyah-Singer και είναι μισογεμισμένο με ουδέτερο γραφένιο,^[29] οδηγώντας στο «+1/2» στην αγωγιμότητα Hall.^[32] Διστρωματικό γραφένιο δείχνει επίσης το κβαντικό φαινόμενο Hall, αλλά μόνο με μία από τις δύο ανωμαλίες (δηλ. σ xy = ± 4 ⋅ N ⋅ e 2 / h {displaystyle sigma _=pm {4cdot Ncdot e^}/h} ). Στη δεύτερη ανωμαλία, το πρώτο πλατό στο Ν = 0 απουσιάζει, υποδεικνύοντας ότι το διστρωματικό γραφένιο παραμένει μεταλλικό στο σημείο ουδετερότητας.^[2]

Σε αντίθεση με τα κανονικά μέταλλα, η διαμήκης αντίσταση του γραφενίου εμφανίζει μέγιστα αντί για ελάχιστα για τις ολοκληρωτικές τιμές του συντελεστή πλήρωσης Landau σε μετρήσεις του Οι ταλαντώσεις Shubnikov–de Haas, με βάση το οποίο ο όρος ολοκλήρωμα κβαντικό φαινόμενο Hall. Αυτές οι ταλαντώσεις δείχνουν μια μετατόπιση φάσης του π, γνωστή ως Φάση του Berry.^[31][64] Η φάση του Berry προκύπτει λόγω της χειραλικότητας ή της εξάρτησης (κλειδώματος) του κβαντικού αριθμού ψευδοσπιν από την ορμή των ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας κοντά στα σημεία Dirac.^[33] Η εξάρτηση των ταλαντώσεων από τη θερμοκρασία αποκαλύπτει ότι οι φορείς έχουν μη μηδενική μάζα κυκλοτρονίου, παρά τη μηδενική ενεργό μάζα τους στον φορμαλισμό Dirac-fermion.^[31]

Δείγματα γραφενίου που παρασκευάστηκαν σε μεμβράνες νικελίου και τόσο στην επιφάνεια πυριτίου όσο και στην επιφάνεια άνθρακα του καρβίδιο του πυριτίου, δείχνουν το ανώμαλο φαινόμενο απευθείας στις ηλεκτρικές μετρήσεις.^{[87][88][89][90][91][92]} Τα γραφιτικά στρώματα στην επιφάνεια άνθρακα του καρβιδίου του πυριτίου δείχνουν μια σαφή εικόνα Φάσμα Ντιράκ in φωτοεκπομπή με ανάλυση γωνίας πειράματα, και το φαινόμενο παρατηρείται σε πειράματα κυκλοτρονικού συντονισμού και σήραγγας.^[93]

Ισχυρά μαγνητικά πεδία

Σε μαγνητικά πεδία άνω των 10 Tesla περίπου επιπρόσθετες οροπέδια της αγωγιμότητας Hall στο σ_xy = νe²/h μαζί σου, ν = 0, ±1, ±4 παρατηρούνται.^[94] Ένα οροπέδιο στο ν = 3^[95] και την κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall at ν = 1/ /3 αναφέρθηκαν επίσης.^[95][96]

Αυτές οι παρατηρήσεις με ν = 0, ±1, ±3, ±4 δείχνουν ότι ο τετραπλός εκφυλισμός (δύο βαθμοί ελευθερίας κοιλάδας και δύο βαθμοί ελευθερίας σπιν) των ενεργειακών επιπέδων Landau έχει μερικώς ή πλήρως αρθεί.

Εφέ Casimir

The Εφέ Casimir είναι μια αλληλεπίδραση μεταξύ ασύνδετων ουδέτερων σωμάτων που προκαλείται από τις διακυμάνσεις του ηλεκτροδυναμικού κενού. Μαθηματικά, μπορεί να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη τις κανονικές καταστάσεις λειτουργίας των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, οι οποίες εξαρτώνται ρητά από τις οριακές (ή αντιστοιχιστικές) συνθήκες στις επιφάνειες των αλληλεπιδρώντων σωμάτων. Δεδομένου ότι η αλληλεπίδραση γραφενίου/ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι ισχυρή για ένα υλικό πάχους ενός ατόμου, το φαινόμενο Casimir παρουσιάζει αυξανόμενο ενδιαφέρον.^[97][98]

Δύναμη Van der Waals

The Δύναμη Van der Waals (ή δύναμη διασποράς) είναι επίσης ασυνήθιστη, υπακούοντας σε μια αντίστροφη κυβική, ασυμπτωτική νόμος εξουσίας σε αντίθεση με το συνηθισμένο αντίστροφο τετραγωνικό.^[99]

«Μαζικά» ηλεκτρόνια

Το μοναδιαίο κύτταρο του γραφενίου έχει δύο πανομοιότυπα άτομα άνθρακα και δύο καταστάσεις μηδενικής ενέργειας: μία στην οποία το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο άτομο Α και η άλλη στην οποία το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο άτομο Β. Ωστόσο, εάν τα δύο άτομα στο μοναδιαίο κύτταρο δεν είναι πανομοιότυπα, η κατάσταση αλλάζει. Οι Hunt et al. δείχνουν ότι η τοποθέτηση εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου Το (h-BN) σε επαφή με το γραφένιο μπορεί να μεταβάλει το δυναμικό που γίνεται αισθητό στο άτομο Α έναντι του ατόμου Β αρκετά ώστε τα ηλεκτρόνια να αναπτύξουν μια μάζα και το συνοδευτικό ενεργειακό χάσμα περίπου 30 meV [0.03 Ηλεκτρονιοβολτ (eV)].^[100]

Η μάζα μπορεί να είναι θετική ή αρνητική. Μια διάταξη που αυξάνει ελαφρώς την ενέργεια ενός ηλεκτρονίου στο άτομο Α σε σχέση με το άτομο Β του δίνει θετική μάζα, ενώ μια διάταξη που αυξάνει την ενέργεια του ατόμου Β παράγει αρνητική μάζα ηλεκτρονίων. Οι δύο εκδοχές συμπεριφέρονται παρόμοια και είναι δυσδιάκριτες μέσω οπτική φασματοσκοπίαΈνα ηλεκτρόνιο που ταξιδεύει από μια περιοχή θετικής μάζας σε μια περιοχή αρνητικής μάζας πρέπει να διασχίσει μια ενδιάμεση περιοχή όπου η μάζα του γίνεται και πάλι μηδέν. Αυτή η περιοχή είναι χωρίς κενά και επομένως μεταλλική. Οι μεταλλικές μορφές που οριοθετούν ημιαγώγιμες περιοχές μάζας αντίθετου πρόσημου είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα μιας τοπολογικής φάσης και εμφανίζουν σε μεγάλο βαθμό την ίδια φυσική με τους τοπολογικούς μονωτές.^[100]

Εάν η μάζα στο γραφένιο μπορεί να ελεγχθεί, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περιοριστούν σε περιοχές χωρίς μάζα περιβάλλοντάς τα με ογκώδεις περιοχές, επιτρέποντας τη διαμόρφωση του κβαντικές κουκίδες, σύρματα και άλλες μεσοσκοπικές δομές. Παράγει επίσης μονοδιάστατους αγωγούς κατά μήκος των ορίων. Αυτά τα σύρματα θα προστατεύονται από οπισθοσκέδαση και μπορούσε να μεταφέρει ρεύματα χωρίς διασπορά.^[100]

Επιτρεπτότητα

Γραφένιο διαπερατότητα ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα. Σε ένα εύρος από συχνότητες μικροκυμάτων έως χιλιοστομετρικές συχνότητες κύματος είναι περίπου 3.3.^[101] Αυτή η διαπερατότητα, σε συνδυασμό με την ικανότητα σχηματισμού τόσο αγωγών όσο και μονωτών, σημαίνει ότι θεωρητικά, συμπαγής πυκνωτές κατασκευασμένο από γραφένιο θα μπορούσε να αποθηκεύσει μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας.

Οπτικός

Οι μοναδικές οπτικές ιδιότητες του γραφενίου παράγουν ένα απροσδόκητα υψηλό αδιαφάνεια για μια ατομική μονοστιβάδα στο κενό, απορροφώντας πα ≈ 2.3% of φως, από το ορατό στο υπέρυθρο.^[8][9][102] Εδώ, α είναι το σταθερά λεπτής δομήςΑυτό είναι συνέπεια της «ασυνήθιστης ηλεκτρονικής δομής χαμηλής ενέργειας του μονοστρωματικού γραφενίου που διαθέτει ηλεκτρόνια και οπές». κωνικές ζώνες συναντιούνται μεταξύ τους στο Σημείο Ντιράκ… [το οποίο] είναι ποιοτικά διαφορετικό από τα πιο συνηθισμένα τετραγωνικές μαζικές ζώνες. "^[8] Με βάση το μοντέλο ζώνης Slonczewski–Weiss–McClure (SWMcC) του γραφίτη, η διατομική απόσταση, η τιμή αναπήδησης και η συχνότητα ακυρώνονται όταν υπολογίζεται η οπτική αγωγιμότητα χρησιμοποιώντας Εξισώσεις Fresnel στο όριο της λεπτής μεμβράνης.

Αν και επιβεβαιώθηκε πειραματικά, η μέτρηση δεν είναι αρκετά ακριβής για να βελτιωθεί σε σχέση με άλλες τεχνικές για τον προσδιορισμό της σταθερά λεπτής δομής.^[103]

Πολυπαραμετρικός Συντονισμός Επιφανειακών Πλασμονίων χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό τόσο του πάχους όσο και του δείκτη διάθλασης μεμβρανών γραφενίου που έχουν αναπτυχθεί με χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Οι μετρούμενες τιμές του δείκτη διάθλασης και του συντελεστή απόσβεσης στα 670 nm (6.7 × 10^-7 m) τα μήκη κύματος είναι 3.135 και 0.897, αντίστοιχα. Το πάχος προσδιορίστηκε ως 3.7 Å από μια περιοχή 0.5 mm, η οποία συμφωνεί με τα 3.35 Å που αναφέρθηκαν για την απόσταση ατόμων άνθρακα από στρώση σε στρώση των κρυστάλλων γραφίτη.^[104] Η μέθοδος μπορεί περαιτέρω να χρησιμοποιηθεί και για αλληλεπιδράσεις γραφενίου σε πραγματικό χρόνο χωρίς σήμανση με οργανικές και ανόργανες ουσίες. Επιπλέον, η ύπαρξη μονοκατευθυντικών επιφανειακών πλασμονίων στις μη αμοιβαίες γυροτροπικές διεπαφές που βασίζονται στο γραφένιο έχει αποδειχθεί θεωρητικά. Ελέγχοντας αποτελεσματικά το χημικό δυναμικό του γραφενίου, η μονοκατευθυντική συχνότητα λειτουργίας μπορεί να είναι συνεχώς ρυθμιζόμενη από THz έως εγγύς υπέρυθρο και ακόμη και ορατό.^[105] Συγκεκριμένα, το μονοκατευθυντικό εύρος ζώνης συχνότητας μπορεί να είναι 1-2 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από αυτό στο μέταλλο υπό το ίδιο μαγνητικό πεδίο, κάτι που προκύπτει από την ανωτερότητα της εξαιρετικά μικρής ενεργού μάζας ηλεκτρονίων στο γραφένιο.

Γραφένιο ζώνη μπορεί να ρυθμιστεί από 0 έως 0.25 eV (μήκος κύματος περίπου 5 μικρομέτρων) εφαρμόζοντας τάση σε μια διπλή πύλη διπλοστιβάδα γραφενίου τρανζίστορ πεδίου (FET) σε θερμοκρασία δωματίου.^[106] Η οπτική απόκριση του νανοκορδέλες γραφενίου είναι συντονίσιμο στο terahertz καθεστώς από εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο.^[107] Συστήματα γραφενίου/οξειδίου γραφενίου παρουσιάζουν ηλεκτροχρωμική συμπεριφορά, επιτρέποντας τη ρύθμιση τόσο των γραμμικών όσο και των εξαιρετικά γρήγορων οπτικών ιδιοτήτων.^[108]

Ένα βασισμένο σε γραφένιο Τρίψιμο Bragg (μονοδιάστατο φωτονικός κρύσταλλος) έχει κατασκευαστεί και έχει επιδείξει την ικανότητά του για διέγερση επιφανειακών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην περιοδική δομή χρησιμοποιώντας 633 nm (6.33 × 10^-7 m) Λέιζερ He–Ne ως πηγή φωτός.^[109]

Κορεσμένη απορρόφηση

Μια τέτοια μοναδική απορρόφηση θα μπορούσε να γίνει κορεσμένη όταν η οπτική ένταση εισόδου είναι πάνω από μια τιμή κατωφλίου. Αυτή η μη γραμμική οπτική συμπεριφορά ονομάζεται κορεσμένη απορρόφηση και η τιμή κατωφλίου ονομάζεται ροή κορεσμού. Το γραφένιο μπορεί να κορεστεί εύκολα υπό ισχυρή διέγερση πάνω από το ορατό έως κοντά στο υπέρυθρο περιοχή, λόγω της καθολικής οπτικής απορρόφησης και του μηδενικού χάσματος ζώνης. Αυτό έχει σημασία για το κλείδωμα λειτουργίας του λέιζερ ινών, όπου έχει επιτευχθεί κλείδωμα πλήρους ζώνης μέσω κορεσμένου απορροφητή με βάση το γραφένιο. Λόγω αυτής της ειδικής ιδιότητας, το γραφένιο έχει ευρεία εφαρμογή σε υπερταχεία φωτονικήΕπιπλέον, η οπτική απόκριση των στρωμάτων γραφενίου/οξειδίου του γραφενίου μπορεί να ρυθμιστεί ηλεκτρικά.^{[108][110][111][112][113][114]}

Η κορεσμένη απορρόφηση στο γραφένιο θα μπορούσε να συμβεί στη ζώνη μικροκυμάτων και τεραχέρτζ, λόγω της ιδιότητας οπτικής απορρόφησης ευρείας ζώνης. Η κορεσμένη απορρόφηση μικροκυμάτων στο γραφένιο καταδεικνύει τη δυνατότητα συσκευών φωτονικής μικροκυμάτων και τεραχέρτζ γραφενίου, όπως ένας απορροφητής κορεσμού μικροκυμάτων, ένας διαμορφωτής, ένας πολωτής, μια συσκευή επεξεργασίας σήματος μικροκυμάτων και δίκτυα ασύρματης πρόσβασης ευρείας ζώνης.^[115]

Μη γραμμικό φαινόμενο Kerr

Υπό πιο έντονη ακτινοβολία λέιζερ, το γραφένιο θα μπορούσε επίσης να έχει μια μη γραμμική μετατόπιση φάσης λόγω της οπτικής μη γραμμικής Φαινόμενο KerrΜε βάση μια τυπική μέτρηση z-σάρωσης ανοίγματος και κλεισίματος διαφράγματος, το γραφένιο διαθέτει έναν γιγαντιαίο μη γραμμικό συντελεστή Kerr 10^-7 cm²⋅W^-1, σχεδόν εννέα τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από αυτό των χύδην διηλεκτρικών.^[116] Αυτό υποδηλώνει ότι το γραφένιο μπορεί να είναι ένα ισχυρό μη γραμμικό μέσο Kerr, με τη δυνατότητα παρατήρησης μιας ποικιλίας μη γραμμικών φαινομένων, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι το soliton.^[117]

Εξιτονικό

Πραγματοποιούνται υπολογισμοί πρώτης αρχής με διορθώσεις οιονεί σωματιδίων και φαινόμενα πολλών σωμάτων για τη μελέτη των ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων υλικών με βάση το γραφένιο. Η προσέγγιση περιγράφεται σε τρία στάδια.^[118] Με τον υπολογισμό του GW, οι ιδιότητες των υλικών με βάση το γραφένιο διερευνώνται με ακρίβεια, συμπεριλαμβανομένου του χύδην γραφενίου,^[119] νανοκορδέλες,^[120] άκρες και επιφάνειες λειτουργικοποιημένες οριμπόνες πολυθρόνας,^[121] κορδέλες πολυθρόνων διαποτισμένες με υδρογόνο,^[122] Φαινόμενο Τζόζεφσον σε συνδέσεις SNS γραφενίου με ένα μόνο εντοπισμένο ελάττωμα^[123] και ιδιότητες κλιμάκωσης κορδέλας πολυθρόνας.^[124]

Μεταφορά με σπιν

Το γραφένιο θεωρείται ιδανικό υλικό για σπιντρονική λόγω του μικρού του αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς και η σχεδόν απουσία πυρηνικές μαγνητικές ροπές σε άνθρακα (καθώς και σε ασθενή υπερλεπτή αλληλεπίδραση). Ηλεκτρικά ρεύμα περιστροφής Η έγχυση και η ανίχνευση έχουν αποδειχθεί έως τη θερμοκρασία δωματίου.^{[125][126][127]} Παρατηρήθηκε μήκος συνοχής σπιν άνω του 1 μικρόμετρου σε θερμοκρασία δωματίου,^[125] και παρατηρήθηκε έλεγχος της πολικότητας του ρεύματος σπιν με ηλεκτρική πύλη σε χαμηλή θερμοκρασία.^[126]

Μαγνητικές ιδιότητες

Ισχυρά μαγνητικά πεδία

Το κβαντικό φαινόμενο Hall του γραφενίου σε μαγνητικά πεδία άνω των 10 Teslas περίπου αποκαλύπτει επιπλέον ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. Πρόσθετα οροπέδια της αγωγιμότητας Hall στο σ xy = ν e 2 / h {style display sigma _=nu e^/h}  μαζί σου, ν = 0 , ± 1 , ± 4 {στυλ εμφάνισης nu =0,pm ,pm }  παρατηρούνται.^[94] Επίσης, η παρατήρηση ενός οροπεδίου στο ν = 3 {εμφάνιση στυλ nu =3} ^[95] και το κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall στο ν = 1 / 3 {style display nu =1/3}  αναφέρθηκαν.^[95][96]

Αυτές οι παρατηρήσεις με ν = 0 , ± 1 , ± 3 , ± 4 {στυλ εμφάνισης nu =0,pm 1,pm 3,pm 4}  δείχνουν ότι ο τετραπλός εκφυλισμός (δύο βαθμοί ελευθερίας κοιλάδας και δύο βαθμοί ελευθερίας σπιν) των ενεργειακών επιπέδων Landau ανυψώνεται εν μέρει ή πλήρως. Μια υπόθεση είναι ότι το μαγνητική κατάλυση of σπάσιμο της συμμετρίας είναι υπεύθυνο για την άρση της εκφύλισης.^{[παραπομπή που απαιτείται]}

Οι σπιντρονικές και οι μαγνητικές ιδιότητες μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα στο γραφένιο.^[128] Τα νανομαγνητικά πλέγματα γραφενίου χαμηλών ελαττωμάτων που κατασκευάζονται με μη λιθογραφική μέθοδο εμφανίζουν σιδηρομαγνητισμό μεγάλου πλάτους ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, παρατηρείται φαινόμενο άντλησης σπιν για πεδία που εφαρμόζονται παράλληλα με τα επίπεδα των σιδηρομαγνητικών νανομαγνητικών πλέγματων λίγων στρωμάτων, ενώ παρατηρείται βρόχος υστέρησης μαγνητοαντίστασης υπό κάθετα πεδία.

Μαγνητικά υποστρώματα

Το 2014, οι ερευνητές μαγνητοποίησαν το γραφένιο τοποθετώντας το σε ένα ατομικά λείο στρώμα μαγνητικού υλικού. γρανάτης σιδήρου υττρίουΟι ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου δεν επηρεάστηκαν. Προηγούμενες προσεγγίσεις περιελάμβαναν την προσθήκη άλλων ουσιών στο γραφένιο.^[129] Η παρουσία του προσμίκτη επηρέασε αρνητικά τις ηλεκτρονικές του ιδιότητες.^[130]

Θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική μεταφορά στο γραφένιο είναι ένας ενεργός τομέας έρευνας, ο οποίος έχει προσελκύσει την προσοχή λόγω των δυνατοτήτων για εφαρμογές θερμικής διαχείρισης. Ακολουθώντας τις προβλέψεις για το γραφένιο και τα σχετικά νανοσωλήνες άνθρακα,^[131] πρώιμες μετρήσεις του θερμική αγωγιμότητα αιωρούμενου γραφενίου ανέφερε εξαιρετικά μεγάλη θερμική αγωγιμότητα έως 5300 W⋅m^-1⋅K^-1,^[132] σε σύγκριση με τη θερμική αγωγιμότητα της πυρολυτικής γραφίτης περίπου 2000 W⋅m^-1⋅K^-1 σε θερμοκρασία δωματίου.^[133] Ωστόσο, μεταγενέστερες μελέτες κυρίως σε πιο κλιμακωτό αλλά με περισσότερα ελαττώματα γραφένιο που προέρχεται από χημική εναπόθεση ατμών δεν μπόρεσαν να αναπαράγουν τόσο υψηλές μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας, παράγοντας ένα ευρύ φάσμα θερμικής αγωγιμότητας μεταξύ 1500 - 2500 W⋅m^-1⋅K^-1 για αιωρούμενο μονοστρωματικό γραφένιο.^{[134][135][136][137]} Το μεγάλο εύρος στην αναφερόμενη θερμική αγωγιμότητα μπορεί να προκληθεί από μεγάλες αβεβαιότητες μέτρησης καθώς και από διακυμάνσεις στην ποιότητα του γραφενίου και στις συνθήκες επεξεργασίας. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι όταν το γραφένιο μονής στρώσης υποστηρίζεται σε άμορφο υλικό, η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται σε περίπου 500 - 600 W⋅m^-1⋅K^-1 σε θερμοκρασία δωματίου ως αποτέλεσμα της σκέδασης των κυμάτων πλέγματος γραφενίου από το υπόστρωμα,^[138][139] και μπορεί να είναι ακόμη χαμηλότερη για γραφένιο λίγων στρωμάτων που περιβάλλεται από άμορφο οξείδιο.^[140] Ομοίως, τα πολυμερικά υπολείμματα μπορούν να συμβάλουν σε παρόμοια μείωση της θερμικής αγωγιμότητας του αιωρούμενου γραφενίου σε περίπου 500 - 600 W⋅m^-1⋅K^-1 για διστρωματικό γραφένιο.^[141]

Έχει προταθεί ότι η ισοτοπική σύνθεση, η αναλογία των ¹²C προς την ¹³C, έχει σημαντικό αντίκτυπο στη θερμική αγωγιμότητα. Για παράδειγμα, ισοτοπικά καθαρό ¹²Το γραφένιο C έχει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα είτε από μια αναλογία ισοτόπων 50:50 είτε από την φυσικά απαντώμενη αναλογία 99:1.^[142] Μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας το Νόμος Wiedemann-Franz, ότι η θερμική αγωγιμότητα είναι φωνόν-κυριάρχησε.^[132] Ωστόσο, για μια λωρίδα γραφενίου με πύλη, μια εφαρμοζόμενη πόλωση πύλης που προκαλεί ένα Ενέργεια Φέρμι μετατόπιση πολύ μεγαλύτερη από k_BT μπορεί να προκαλέσει αύξηση της ηλεκτρονικής συνεισφοράς και κυριαρχία έναντι της φωνόν συνεισφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η βαλλιστική θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου είναι ισότροπη.^[143][144]

Το δυναμικό για αυτή την υψηλή αγωγιμότητα μπορεί να φανεί λαμβάνοντας υπόψη τον γραφίτη, μια τρισδιάστατη έκδοση του γραφενίου που έχει βασικό επίπεδο θερμική αγωγιμότητα πάνω από ένα 1000 W⋅m^-1⋅K^-1 (συγκρίσιμο με διαμάντιΣτον γραφίτη, η θερμική αγωγιμότητα του άξονα c (εκτός επιπέδου) είναι κατά ένα παράγοντα ~100 μικρότερη λόγω των ασθενών δυνάμεων σύνδεσης μεταξύ των βασικών επιπέδων καθώς και των μεγαλύτερων απόσταση πλέγματος.^[145] Επιπλέον, η βαλλιστική θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου φαίνεται να δίνει το κατώτερο όριο των βαλλιστικών θερμικών αγωγιμοτήτων, ανά μονάδα περιφέρειας, μήκους των νανοσωλήνων άνθρακα.^[146]

Παρά τη δισδιάστατη φύση του, το γραφένιο έχει 3 ακουστικό φωνόνιο τρόποι λειτουργίας. Οι δύο τρόποι λειτουργίας εντός επιπέδου (LA, TA) έχουν γραμμική σχέση διασποράς, ενώ η εκτός επιπέδου λειτουργία (ZA) έχει μια τετραγωνική σχέση διασποράς. Λόγω αυτού, η T² Η εξαρτώμενη συνεισφορά θερμικής αγωγιμότητας των γραμμικών τρόπων λειτουργίας κυριαρχείται σε χαμηλές θερμοκρασίες από την T^1.5 συμβολή της λειτουργίας εκτός επιπέδου.^[146] Ορισμένες ζώνες φωνονίων γραφενίου εμφανίζουν αρνητική Παράμετροι Grüneisen.^[147] Σε χαμηλές θερμοκρασίες (όπου οι περισσότερες οπτικές λειτουργίες με θετικές παραμέτρους Grüneisen δεν διεγείρονται ακόμη), η συμβολή από τις αρνητικές παραμέτρους Grüneisen θα είναι κυρίαρχη και συντελεστής θερμικής διαστολής (η οποία είναι άμεσα ανάλογη με τις παραμέτρους Grüneisen) αρνητική. Οι χαμηλότερες αρνητικές παράμετροι Grüneisen αντιστοιχούν στις χαμηλότερες εγκάρσιες ακουστικές λειτουργίες ZA. Οι συχνότητες φωνονίων για τέτοιες λειτουργίες αυξάνονται με την ενδοεπίπεδη παράμετρος πλέγματος δεδομένου ότι τα άτομα στο στρώμα κατά την έκταση θα είναι λιγότερο ελεύθερα να κινηθούν προς την κατεύθυνση z. Αυτό είναι παρόμοιο με τη συμπεριφορά μιας χορδής, η οποία, όταν τεντώνεται, θα έχει δονήσεις μικρότερου πλάτους και υψηλότερης συχνότητας. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται «φαινόμενο μεμβράνης», προβλέφθηκε από Lifshitz στο 1952.^[148]

Μηχανικός

Η (δισδιάστατη) πυκνότητα του γραφενίου είναι 0.763 mg ανά τετραγωνικό μέτρο.^{[παραπομπή που απαιτείται]}

Το γραφένιο είναι το ισχυρότερο υλικό που έχει δοκιμαστεί ποτέ,^[10][11] με μια εγγενή αντοχή σε εφελκυσμό του 130 GPa (19,000,000 psi) (με αντιπροσωπευτική μηχανική αντοχή εφελκυσμού ~50-60 GPa για τέντωμα μεγάλου εμβαδού ανεξάρτητου γραφενίου) και ένα Το μέτρο του Young (ακαμψία) κοντά στο 1 ΤΠα (150,000,000 psi). Η ανακοίνωση του Νόμπελ το απέδειξε αυτό λέγοντας ότι μια αιώρα γραφενίου 1 τετραγωνικού μέτρου θα υποστήριζε ένα 4 κιλά γάτα αλλά θα ζύγιζε μόνο όσο ένα από τα μουστάκια της γάτας, στο 0.77 mg (περίπου 0.001% του βάρους του 1 μ² από χαρτί).^[149]

Η μονοστρωματική γραφένιο με μεγάλη γωνία κάμψης έχει επιτευχθεί με αμελητέα παραμόρφωση, δείχνοντας μηχανική ανθεκτικότητα της δισδιάστατης νανοδομής άνθρακα. Ακόμα και με ακραία παραμόρφωση, μπορεί να διατηρηθεί εξαιρετική κινητικότητα φορέων στο μονοστρωματικό γραφένιο.^[150]

The σταθερά του ελατηρίου των αιωρούμενων φύλλων γραφενίου έχει μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM). Φύλλα γραφενίου αιωρούνταν πάνω από ΣιΟ
₂ κοιλότητες όπου χρησιμοποιήθηκε μια άκρη AFM για την εφαρμογή τάσης στο φύλλο για τον έλεγχο των μηχανικών του ιδιοτήτων. Η σταθερά ελατηρίου του ήταν στην περιοχή 1–5 N/m και η ακαμψία ήταν 0.5 TPa, η οποία διαφέρει από αυτή του χύδην γραφίτη. Αυτές οι εγγενείς ιδιότητες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε εφαρμογές όπως επέκταση NEMS ως αισθητήρες πίεσης και συντονιστές.^[151] Λόγω της μεγάλης επιφανειακής τους ενέργειας και της ολκιμότητας εκτός επιπέδου, τα επίπεδα φύλλα γραφενίου είναι ασταθή ως προς την κύλιση, δηλαδή την κάμψη σε κυλινδρικό σχήμα, η οποία είναι η χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση.^[152]

Όπως ισχύει για όλα τα υλικά, οι περιοχές του γραφενίου υπόκεινται σε θερμικές και κβαντικές διακυμάνσεις στη σχετική μετατόπιση. Αν και το πλάτος αυτών των διακυμάνσεων είναι οριοθετημένο σε τρισδιάστατες δομές (ακόμα και στο όριο του άπειρου μεγέθους), το Θεώρημα Mermin-Wagner δείχνει ότι το πλάτος των διακυμάνσεων μεγάλου μήκους κύματος αυξάνεται λογαριθμικά με την κλίμακα μιας δισδιάστατης δομής και επομένως θα ήταν απεριόριστο σε δομές άπειρου μεγέθους. Η τοπική παραμόρφωση και η ελαστική τάση επηρεάζονται αμελητέα από αυτήν την απόκλιση μεγάλης εμβέλειας στη σχετική μετατόπιση. Πιστεύεται ότι μια αρκετά μεγάλη δισδιάστατη δομή, απουσία εφαρμοζόμενης πλευρικής τάσης, θα λυγίσει και θα τσαλακωθεί για να σχηματίσει μια κυμαινόμενη τρισδιάστατη δομή. Οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει κυματισμούς σε αιωρούμενα στρώματα γραφενίου,^[35] και έχει προταθεί ότι οι κυματισμοί προκαλούνται από θερμικές διακυμάνσεις στο υλικό. Ως συνέπεια αυτών των δυναμικών παραμορφώσεων, είναι αμφισβητήσιμο εάν το γραφένιο είναι πραγματικά μια δισδιάστατη δομή.^{[2][59][60][153][154]} Πρόσφατα έχει αποδειχθεί ότι αυτές οι κυματώσεις, εάν ενισχυθούν μέσω της εισαγωγής ελαττωμάτων κενών θέσεων, μπορούν να προκαλέσουν αρνητικό αποτέλεσμα. Αναλογία Poisson σε γραφένιο, με αποτέλεσμα το λεπτότερο αυξητικός υλικό γνωστό μέχρι στιγμής.^[155]

Νανοφύλλα γραφενίου έχουν ενσωματωθεί σε μια μήτρα Ni μέσω μιας διαδικασίας επιμετάλλωσης για να σχηματίσουν σύνθετα υλικά Ni-γραφενίου σε ένα υπόστρωμα-στόχο. Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών αποδίδεται στην υψηλή αλληλεπίδραση μεταξύ Ni και γραφενίου και στην πρόληψη της ολίσθησης λόγω εξάρθρωσης στη μήτρα Ni από το γραφένιο.^[156]

Αντοχή στη θραύση

Το 2014, ερευνητές από Πανεπιστήμιο Rice και την Georgia Institute of Technology έχουν δείξει ότι παρά την αντοχή του, το γραφένιο είναι επίσης σχετικά εύθραυστο, με αντοχή σε θραύση περίπου 4 MPa√m.^[157] Αυτό δείχνει ότι το ατελές γραφένιο είναι πιθανό να σπάσει με εύθραυστο τρόπο όπως κεραμικά υλικά, σε αντίθεση με πολλά μεταλλικά υλικά που τείνουν να έχουν αντοχή σε θραύση στην περιοχή των 15–50 MPa√m. Αργότερα, το 2014, η ομάδα του Rice ανακοίνωσε ότι το γραφένιο έδειξε μεγαλύτερη ικανότητα κατανομής της δύναμης από μια κρούση από οποιοδήποτε γνωστό υλικό, δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτήν του χάλυβα ανά μονάδα βάρους.^[158] Η δύναμη μεταδόθηκε με ταχύτητα 22.2 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο (13.8 μίλια/δευτερόλεπτο).^[159]

Πολυκρυσταλλικό γραφένιο

Διάφορες μέθοδοι – με πιο αξιοσημείωτες τις χημική εναπόθεση ατμών (CVD), όπως συζητείται στην παρακάτω ενότητα – έχουν αναπτυχθεί για την παραγωγή γραφενίου μεγάλης κλίμακας που απαιτείται για εφαρμογές σε συσκευές. Τέτοιες μέθοδοι συχνά συνθέτουν πολυκρυσταλλικό γραφένιο.^[160] Οι μηχανικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού γραφενίου επηρεάζονται από τη φύση των ελαττωμάτων, όπως π.χ. όρια κόκκων (GB)   κενές θέσεις εργασίας, που υπάρχει στο σύστημα και το μέσο μέγεθος κόκκων. Ο τρόπος με τον οποίο αλλάζουν οι μηχανικές ιδιότητες με τέτοια ελαττώματα έχει διερευνηθεί από ερευνητές, θεωρητικά και πειραματικά.^{[161][160][162][163]}

Τα όρια των κόκκων γραφενίου συνήθως περιέχουν ζεύγη επταγώνου-πενταγώνου. Η διάταξη τέτοιων ελαττωμάτων εξαρτάται από το αν το GB βρίσκεται σε ζιγκ-ζαγκ ή σε καμπύλη. Εξαρτάται περαιτέρω από τη γωνία κλίσης του GB.^[164] Το 2010, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Brown προέβλεψαν υπολογιστικά ότι καθώς αυξάνεται η γωνία κλίσης, αυξάνεται και η αντοχή στα όρια των κόκκων. Έδειξαν ότι ο πιο αδύναμος κρίκος στα όρια των κόκκων βρίσκεται στους κρίσιμους δεσμούς των επταγώνων δακτυλίων. Καθώς αυξάνεται η γωνία στα όρια των κόκκων, η τάση σε αυτούς τους επταγώνους δακτυλίους μειώνεται, με αποτέλεσμα τα όρια των κόκκων να είναι ισχυρότερα από τα GBs χαμηλότερης γωνίας. Πρότειναν ότι, στην πραγματικότητα, για GBs αρκετά μεγάλης γωνίας, η αντοχή του GB είναι παρόμοια με το παρθένο γραφένιο.^[165] Το 2012, αποδείχθηκε περαιτέρω ότι η αντοχή μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί, ανάλογα με τις λεπτομερείς διατάξεις των ελαττωμάτων.^[166] Αυτές οι προβλέψεις έχουν έκτοτε υποστηριχθεί από πειραματικά στοιχεία. Σε μια μελέτη του 2013 με επικεφαλής την ομάδα του James Hone, οι ερευνητές εξέτασαν την ελαστική ακαμψία   δύναμη γραφενίου που καλλιεργείται με CVD συνδυάζοντας νανο-εσοχή και υψηλή ανάλυση TEMΔιαπίστωσαν ότι η ελαστική ακαμψία είναι ίδια και η αντοχή είναι μόνο ελαφρώς χαμηλότερη από εκείνη του παρθένου γραφενίου.^[167] Την ίδια χρονιά, ερευνητές από το UC Berkeley και το UCLA εξέτασαν το δικρυσταλλικό γραφένιο με TEM   AFMΔιαπίστωσαν ότι η αντοχή των ορίων των κόκκων πράγματι τείνει να αυξάνεται με τη γωνία κλίσης.^[168]

Ενώ η παρουσία κενών θέσεων δεν είναι διαδεδομένη μόνο στο πολυκρυσταλλικό γραφένιο, οι κενές θέσεις μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην αντοχή του γραφενίου. Η γενική άποψη είναι ότι η αντοχή μειώνεται μαζί με την αύξηση της πυκνότητας των κενών θέσεων. Στην πραγματικότητα, διάφορες μελέτες έχουν δείξει ότι για το γραφένιο με επαρκώς χαμηλή πυκνότητα κενών θέσεων, η αντοχή δεν διαφέρει σημαντικά από αυτή του παρθένου γραφενίου. Από την άλλη πλευρά, η υψηλή πυκνότητα κενών θέσεων μπορεί να μειώσει σημαντικά την αντοχή του γραφενίου.^[162]

Σε σύγκριση με την αρκετά καλά κατανοητή φύση της επίδρασης που έχουν τα όρια των κόκκων και τα κενά στις μηχανικές ιδιότητες του γραφενίου, δεν υπάρχει σαφής συναίνεση σχετικά με τη γενική επίδραση που έχει το μέσο μέγεθος κόκκων στην αντοχή του πολυκρυσταλλικού γραφενίου.^{[161][162][163]} Στην πραγματικότητα, τρεις αξιοσημείωτες θεωρητικές/υπολογιστικές μελέτες πάνω σε αυτό το θέμα έχουν οδηγήσει σε τρία διαφορετικά συμπεράσματα.^{[169][170][171]} Αρχικά, το 2012, οι Kotakoski και Myer μελέτησαν τις μηχανικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού γραφενίου με «ρεαλιστικό ατομιστικό μοντέλο», χρησιμοποιώντας μοριακή δυναμική (MD) προσομοίωση. Για να μιμηθούν τον μηχανισμό ανάπτυξης των καρδιαγγειακών παθήσεων, αρχικά επέλεξαν τυχαία πυρήνωση θέσεις που είναι τουλάχιστον 5Α (επιλεγμένες αυθαίρετα) ξεχωριστές από άλλες θέσεις. Πολυκρυσταλλικό γραφένιο δημιουργήθηκε από αυτές τις θέσεις πυρήνωσης και στη συνέχεια υποβλήθηκε σε ανόπτηση στους 3000K και στη συνέχεια σβήστηκε. Με βάση αυτό το μοντέλο, διαπίστωσαν ότι οι ρωγμές ξεκινούν σε συνδέσεις ορίων κόκκων, αλλά το μέγεθος των κόκκων δεν επηρεάζει σημαντικά την αντοχή.^[169] Δεύτερον, το 2013, οι Z. Song et al. χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις MD για να μελετήσουν τις μηχανικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού γραφενίου με κόκκους εξαγωνικού σχήματος ομοιόμορφου μεγέθους. Οι κόκκοι εξαγώνου ήταν προσανατολισμένοι σε διάφορες κατευθύνσεις πλέγματος και οι GB αποτελούνταν μόνο από επταγωνικούς, πενταγωνικούς και εξαγωνικούς δακτυλίους άνθρακα. Το κίνητρο πίσω από ένα τέτοιο μοντέλο ήταν ότι παρόμοια συστήματα είχαν παρατηρηθεί πειραματικά σε νιφάδες γραφενίου που αναπτύσσονται στην επιφάνεια υγρού χαλκού. Ενώ σημείωσαν επίσης ότι η ρωγμή συνήθως ξεκινά στις τριπλές συνδέσεις, διαπίστωσαν ότι καθώς το μέγεθος των κόκκων μειώνεται, το όριο διαρροής του γραφενίου αυξάνεται. Με βάση αυτό το εύρημα, πρότειναν ότι το πολυκρυσταλλικό ακολουθεί ψευδο- Σχέση Χολ-Πετς.^[170] Τρίτον, το 2013, οι ZD Sha et al. μελέτησαν την επίδραση του μεγέθους των κόκκων στις ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού γραφενίου, μοντελοποιώντας τις κηλίδες των κόκκων χρησιμοποιώντας Κατασκευή VoronoiΤα GB σε αυτό το μοντέλο αποτελούνταν από επτάγωνο, πεντάγωνο και εξάγωνο, καθώς και από τετράγωνα, οκτάγωνα και κενά. Μέσω προσομοίωσης MD, σε αντίθεση με την προαναφερθείσα μελέτη, βρήκαν την αντίστροφη σχέση Hall-Petch, όπου η ισχύς του γραφενίου αυξάνεται καθώς αυξάνεται το μέγεθος των κόκκων.^[171] Πειραματικές παρατηρήσεις και άλλες θεωρητικές προβλέψεις έδωσαν επίσης διαφορετικά συμπεράσματα, παρόμοια με τα τρία που δόθηκαν παραπάνω.^[163] Τέτοιες αποκλίσεις δείχνουν την πολυπλοκότητα των επιδράσεων που έχουν το μέγεθος των κόκκων, η διάταξη των ελαττωμάτων και η φύση των ελαττωμάτων στις μηχανικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού γραφενίου.

Χημική ουσία

Το γραφένιο έχει μια θεωρητική συγκεκριμένη επιφάνεια (SSA) του 2630 m²/gΑυτό είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα για το μαύρο άνθρακα (συνήθως μικρότερο από 900 m²/g) ή για νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), από ≈100 έως 1000 m²/g και είναι παρόμοιο με ενεργός άνθρακας.^[172] Το γραφένιο είναι η μόνη μορφή άνθρακα (ή στερεού υλικού) στην οποία κάθε άτομο είναι διαθέσιμο για χημική αντίδραση από δύο πλευρές (λόγω της δισδιάστατης δομής). Τα άτομα στις άκρες ενός φύλλου γραφενίου έχουν ειδική χημική αντιδραστικότητα. Το γραφένιο έχει την υψηλότερη αναλογία ατόμων στις άκρες από οποιοδήποτε άλλο. αλλότροποΤα ελαττώματα μέσα σε ένα φύλλο αυξάνουν τη χημική του αντιδραστικότητα.^[173] Η θερμοκρασία έναρξης της αντίδρασης μεταξύ του βασικού επιπέδου του μονοστρωματικού γραφενίου και του αερίου οξυγόνου είναι κάτω από 260 °C (530 K).^[174] Το γραφένιο καίγεται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία (π.χ., 350 °C (620 K)).^[175] Το γραφένιο τροποποιείται συνήθως με λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο και άζωτο και αναλύεται με φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας και φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ. Ωστόσο, ο προσδιορισμός των δομών του γραφενίου με οξυγόνο-^[176] και άζωτο-^[177] Οι λειτουργικές ομάδες απαιτούν τον καλό έλεγχο των δομών.

Σε 2013, Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ Οι φυσικοί ανέφεραν ότι το μονοστρωματικό γραφένιο είναι εκατό φορές πιο χημικά αντιδραστικό από τα παχύτερα πολυστρωματικά φύλλα.^[178]

Το γραφένιο μπορεί να αυτοεπιδιορθώσει τρύπες στα φύλλα του, όταν εκτίθεται σε μόρια που περιέχουν άνθρακα, όπως υδρογονάνθρακεςΒομβαρδισμένα με καθαρά άτομα άνθρακα, τα άτομα ευθυγραμμίζονται τέλεια σε εξάγωνα, γεμίζοντας πλήρως τις τρύπες.^[179][180]

Βιολογικός

Παρά τα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα σε διάφορες κυτταρικές μελέτες και μελέτες απόδειξης της έννοιας, εξακολουθεί να υπάρχει ελλιπής κατανόηση της πλήρους βιοσυμβατότητας των υλικών που βασίζονται στο γραφένιο.^[181] Διαφορετικές κυτταρικές σειρές αντιδρούν διαφορετικά όταν εκτίθενται σε γραφένιο και έχει αποδειχθεί ότι το πλευρικό μέγεθος των νιφάδων γραφενίου, η μορφή και η χημεία της επιφάνειας μπορούν να προκαλέσουν διαφορετικές βιολογικές αποκρίσεις στην ίδια κυτταρική σειρά.^[182]

Υπάρχουν ενδείξεις ότι το γραφένιο έχει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα ως χρήσιμο υλικό για την αλληλεπίδραση με νευρικά κύτταρα. Μελέτες σε καλλιεργημένα νευρικά κύτταρα δείχνουν περιορισμένη επιτυχία.^[183][184]

Το γραφένιο έχει επίσης κάποια χρησιμότητα σε οστεογενετικήΕρευνητές στο Κέντρο Έρευνας Γραφενίου στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης (NUS) ανακάλυψαν το 2011 την ικανότητα του γραφενίου να επιταχύνει την οστεογενετική διαφοροποίηση του ανθρώπινου οργανισμού. Μεσεγχυματικά Βλαστοκύτταρα χωρίς τη χρήση βιοχημικών επαγωγέων.^[185]

Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε βιοαισθητήρες. Το 2015, ερευνητές απέδειξαν ότι ένας αισθητήρας που βασίζεται σε γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ενός βιοδείκτη κινδύνου για καρκίνο. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας επιταξιακό γραφένιο σε καρβίδιο του πυριτίου, μπόρεσαν επανειλημμένα να ανιχνεύσουν την 8-υδροξυδεοξυγουανοσίνη (8-OHdG), έναν βιοδείκτη βλάβης του DNA.^[186]

Υπόστρωμα υποστήριξης

Η ηλεκτρονική ιδιότητα του γραφενίου μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά από το υπόστρωμα υποστήριξης. Έχουν πραγματοποιηθεί μελέτες μονοστοιβάδων γραφενίου σε καθαρές και παθητικοποιημένες με υδρογόνο(H) επιφάνειες πυριτίου (100) (Si(100)/H).^[187] Η επιφάνεια Si(100)/H δεν διαταράσσει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου, ενώ η αλληλεπίδραση μεταξύ της καθαρής επιφάνειας Si(100) και του γραφενίου αλλάζει σημαντικά τις ηλεκτρονικές καταστάσεις του γραφενίου. Αυτό το φαινόμενο προκύπτει από τον ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των ατόμων C και του επιφανειακού Si, τροποποιώντας το π-τροχιακό δίκτυο του στρώματος γραφενίου. Η τοπική πυκνότητα καταστάσεων δείχνει ότι οι συνδεδεμένες επιφανειακές καταστάσεις C και Si διαταράσσονται έντονα κοντά στην ενέργεια Fermi.

έντυπα

Μονοστρωμάτινα φύλλα

Το 2013, μια ομάδα Πολωνών επιστημόνων παρουσίασε μια μονάδα παραγωγής που επιτρέπει την κατασκευή συνεχών μονοστρωματικών φύλλων.^[188] Η διαδικασία βασίζεται στην ανάπτυξη γραφενίου σε μια υγρή μεταλλική μήτρα.^[189] Το προϊόν αυτής της διαδικασίας ονομάστηκε Μεταλλουργικό γραφένιο υψηλής αντοχήςΣε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρόδιο γραφενίου μίας στρώσης και μια νέα τεχνική μη γραμμικής φασματοσκοπίας ευαίσθητης στην επιφάνεια για να διερευνήσουν το ανώτερο στρώμα νερού στην ηλεκτροχημικά φορτισμένη επιφάνεια. Διαπίστωσαν ότι η απόκριση του νερού στη διεπιφάνεια στο εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο είναι ασύμμετρη σε σχέση με τη φύση του εφαρμοζόμενου πεδίου.^[190]

Διστρωματικό γραφένιο

Το διστρωματικό γραφένιο εμφανίζει το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall, ένα συντονιζόμενο ζώνη^[191] και δυνατότητα για διεγερτική συμπύκνωση^[192] – καθιστώντας το έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για οπτοηλεκτρονική   νανοηλεκτρονική εφαρμογές. Το διπλοστιβαδικό γραφένιο συνήθως μπορεί να βρεθεί είτε σε στριμμένα διαμορφώσεις όπου τα δύο στρώματα περιστρέφονται το ένα ως προς το άλλο ή γραφιτικές διαμορφώσεις στοιβαγμένες κατά Bernal όπου τα μισά άτομα στο ένα στρώμα βρίσκονται πάνω από τα μισά άτομα στο άλλο.^[193] Η σειρά και ο προσανατολισμός της στοίβαξης διέπουν τις οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του διστρωματικού γραφενίου.

Ένας τρόπος σύνθεσης διπλοστοιβαδικού γραφενίου είναι μέσω χημική εναπόθεση ατμών, η οποία μπορεί να παράγει μεγάλες περιοχές διπλοστιβάδας που σχεδόν αποκλειστικά συμμορφώνονται με τη γεωμετρία μιας στοίβας Bernal.^[193]

Έχει αποδειχθεί ότι τα δύο στρώματα γραφενίου μπορούν να αντέξουν σημαντική καταπόνηση ή αναντιστοιχία πρόσμιξης.^[194] η οποία τελικά θα πρέπει να οδηγήσει στην απολέπισή τους.

Τουρβοστρωματικό γραφένιο

Το στροβοστρωματικό γραφένιο παρουσιάζει ασθενή σύζευξη μεταξύ των στρωμάτων και η απόσταση αυξάνεται σε σχέση με το πολυστρωματικό γραφένιο Bernal-stailed. Η περιστροφική κακή ευθυγράμμιση διατηρεί τη δισδιάστατη ηλεκτρονική δομή, όπως επιβεβαιώνεται από τη φασματοσκοπία Raman. Η κορυφή D είναι πολύ ασθενής, ενώ οι δισδιάστατες και οι κορυφές G παραμένουν εμφανείς. Ένα μάλλον ιδιόμορφο χαρακτηριστικό είναι ότι το I_2D/I_G ο λόγος μπορεί να υπερβαίνει το 10. Ωστόσο, το πιο σημαντικό είναι ότι η κορυφή M, η οποία προέρχεται από τη στοίβαξη AB, απουσιάζει, ενώ η κορυφή TS₁ και TS₂ Οι τρόποι είναι ορατοί στο φάσμα Raman.^[195][196] Το υλικό σχηματίζεται μέσω της μετατροπής μη γραφενικού άνθρακα σε γραφενικό άνθρακα χωρίς να παρέχεται επαρκής ενέργεια για να επιτραπεί η αναδιοργάνωση μέσω της ανόπτησης γειτονικών στρωμάτων γραφενίου σε κρυσταλλικές γραφιτικές δομές.

Υπερπλέγματα γραφενίου

Το περιοδικά στοιβαγμένο γραφένιο και η μονωτική του ισομορφή παρέχουν ένα συναρπαστικό δομικό στοιχείο στην υλοποίηση εξαιρετικά λειτουργικών υπερπλεγμάτων σε ατομική κλίμακα, το οποίο προσφέρει δυνατότητες στο σχεδιασμό νανοηλεκτρονικών και φωτονικών συσκευών. Διάφοροι τύποι υπερπλεγμάτων μπορούν να ληφθούν με τη στοίβαξη του γραφενίου και των σχετικών μορφών του.^[197] Η ενεργειακή ζώνη σε υπερπλέγματα με στοιβάδες διαπιστώνεται ότι είναι πιο ευαίσθητη στο πλάτος του φράγματος από ό,τι σε συμβατικά υπερπλέγματα ημιαγωγών III-V. Όταν προστίθενται περισσότερα από ένα ατομικά στρώματα στο φράγμα σε κάθε περίοδο, η σύζευξη ηλεκτρονικών κυματοσυναρτήσεων σε γειτονικά φρέατα δυναμικού μπορεί να μειωθεί σημαντικά, γεγονός που οδηγεί στον εκφυλισμό των συνεχών υποζωνών σε κβαντισμένα επίπεδα ενέργειας. Όταν μεταβάλλεται το πλάτος του φρέατος, τα επίπεδα ενέργειας στα φρέατα δυναμικού κατά μήκος της κατεύθυνσης LM συμπεριφέρονται διακριτά από εκείνα κατά μήκος της κατεύθυνσης KH.

Ένα υπερπλέγμα αντιστοιχεί σε μια περιοδική ή σχεδόν περιοδική διάταξη διαφορετικών υλικών και μπορεί να περιγραφεί από μια περίοδο υπερπλέγματος η οποία προσδίδει μια νέα μεταφορική συμμετρία στο σύστημα, επηρεάζοντας τις διασπορές φωνονίων τους και στη συνέχεια τις ιδιότητες θερμικής μεταφοράς τους. Πρόσφατα, ομοιόμορφες μονοστρωματικές δομές γραφενίου-hBN έχουν συντεθεί με επιτυχία μέσω λιθογραφικής διαμόρφωσης σε συνδυασμό με χημική εναπόθεση ατμών (CVD).^[198] Επιπλέον, τα υπερπλέγματα του γραφενίου-hBN αποτελούν ιδανικά συστήματα μοντέλων για την υλοποίηση και κατανόηση της συνεκτικής (κυματοειδούς) και ασυνάρτητης (σωματιδιακής) θερμικής μεταφοράς φωνονίων.^{[199][200][201][202][203]}

Νανοκορδέλες γραφενίου

Νανοκορδέλες γραφενίου («νανορίγες» στον προσανατολισμό «ζιγκ-ζαγκ»/«ζιγκ-ζαγκ»), σε χαμηλές θερμοκρασίες, εμφανίζουν μεταλλικά ρεύματα ακμής με πολωμένο σπιν, γεγονός που υποδηλώνει επίσης εφαρμογές στον νέο τομέα της σπιντρονική(Στον προσανατολισμό της «πολυθρόνας», οι άκρες συμπεριφέρονται σαν ημιαγωγοί.)^[63])

Κβαντικές κουκκίδες γραφενίου

A κβαντική κουκκίδα γραφενίου Το (GQD) είναι ένα θραύσμα γραφενίου με μέγεθος μικρότερο από 100 nm. Οι ιδιότητες των GQD διαφέρουν από το «μαζικό» γραφένιο λόγω των φαινομένων κβαντικής περιορισμού που γίνονται εμφανή μόνο όταν το μέγεθος είναι μικρότερο από 100 nm.^{[204][205][206]}

Οξείδιο του γραφενίου

Το οξείδιο του γραφενίου παράγεται συνήθως μέσω χημικής απολέπισης του γραφίτη. Μια ιδιαίτερα δημοφιλής τεχνική είναι η βελτιωμένη μέθοδος Hummer.^[207] Χρησιμοποιώντας τεχνικές κατασκευής χαρτιού σε διασκορπισμένο, οξειδωμένο και χημικά επεξεργασμένο γραφίτη σε νερό, οι μονοστρωματικές νιφάδες σχηματίζουν ένα ενιαίο φύλλο και δημιουργούν ισχυρούς δεσμούς. Αυτά τα φύλλα, που ονομάζονται χαρτί οξειδίου γραφενίου, έχουν μια μετρημένη μέτρο εφελκυσμού του 32 GPa.^[208] Η χημική ιδιότητα του οξειδίου του γραφίτη σχετίζεται με τις λειτουργικές ομάδες που συνδέονται με τα φύλλα γραφενίου. Αυτές μπορούν να αλλάξουν την οδό πολυμερισμού και παρόμοιες χημικές διεργασίες.^[209] Οι νιφάδες οξειδίου του γραφενίου σε πολυμερή εμφανίζουν βελτιωμένες φωτοαγωγικές ιδιότητες.^[210] Το γραφένιο είναι κανονικά υδρόφοβο και αδιαπέραστο από όλα τα αέρια και τα υγρά (κενό-στεγές). Ωστόσο, όταν σχηματίζεται σε τριχοειδή μεμβράνη με βάση το οξείδιο του γραφενίου, τόσο το υγρό νερό όσο και οι υδρατμοί ρέουν μέσα από αυτήν τόσο γρήγορα όσο αν δεν υπήρχε η μεμβράνη.^[211]

Χημική τροποποίηση

Διαλυτά θραύσματα γραφενίου μπορούν να παρασκευαστούν στο εργαστήριο^[212] μέσω χημικής τροποποίησης του γραφίτη. Αρχικά, ο μικροκρυσταλλικός γραφίτης υποβάλλεται σε επεξεργασία με ένα όξινο μείγμα θειικού οξέος και νιτρικό οξύΜια σειρά από βήματα οξείδωσης και απολέπισης παράγουν μικρές πλάκες γραφενίου με καρβοξυλ ομάδες στις άκρες τους. Αυτές μετατρέπονται σε χλωριούχο οξύ ομάδες ανά θεραπεία με θειονυλοχλωρίδιο; στη συνέχεια, μετατρέπονται στο αντίστοιχο γραφένιο αμίδιο μέσω επεξεργασίας με οκταδεκυλαμίνη. Το προκύπτον υλικό (κυκλικά στρώματα γραφενίου 5.3 Å ή 5.3 × 10^-10 m πάχος) είναι διαλυτό σε τετραϋδροφουράνιο, τετραχλωρομεθάνιο   διχλωροαιθάνιο.

Αναρροή μονοστρωματικού οξειδίου γραφενίου (SLGO) σε διαλύτες οδηγεί σε μείωση του μεγέθους και δίπλωση μεμονωμένων φύλλων καθώς και σε απώλεια λειτουργικότητας καρβοξυλικής ομάδας, έως και 20%, υποδεικνύοντας θερμικές αστάθειες των φύλλων SLGO ανάλογα με τη μεθοδολογία παρασκευής τους. Όταν χρησιμοποιείται θειονυλοχλωρίδιο, ακυλοχλωρίδιο προκύπτουν ομάδες, οι οποίες μπορούν στη συνέχεια να σχηματίσουν αλειφατικά και αρωματικά αμίδια με μετατροπή αντιδραστικότητας περίπου 70-80%.

Υδραζίνη η παλινδρόμηση χρησιμοποιείται συνήθως για την αναγωγή του SLGO σε SLG(R), αλλά ογκομετρήσεις δείχνουν ότι μόνο περίπου το 20-30% των καρβοξυλικών ομάδων χάνονται, αφήνοντας έναν σημαντικό αριθμό διαθέσιμο για χημική προσκόλληση. Η ανάλυση του SLG(R) που παράγεται με αυτή την οδό αποκαλύπτει ότι το σύστημα είναι ασταθές και η χρήση ανάδευσης σε θερμοκρασία δωματίου με HCl (< 1.0 M) οδηγεί σε απώλεια περίπου 60% της λειτουργικότητας COOH. Η επεξεργασία του SLGO σε θερμοκρασία δωματίου με καρβοδιιμίδια οδηγεί στην κατάρρευση των μεμονωμένων φύλλων σε αστεροειδή συστάδες που επέδειξαν κακή επακόλουθη αντιδραστικότητα με αμίνες (περίπου 3-5% μετατροπή του ενδιάμεσου στο τελικό αμίδιο).^[213] Είναι προφανές ότι η συμβατική χημική επεξεργασία καρβοξυλικών ομάδων σε SLGO προκαλεί μορφολογικές αλλαγές σε μεμονωμένα φύλλα, οι οποίες οδηγούν σε μείωση της χημικής αντιδραστικότητας, η οποία ενδεχομένως να περιορίζει τη χρήση τους στη σύνθεση σύνθετων υλικών. Ως εκ τούτου, έχουν διερευνηθεί τύποι χημικών αντιδράσεων. Το SLGO έχει επίσης εμβολιαστεί με πολυαλλυλαμίνη, διασυνδεδεμένο μέσω εποξική ομάδες. Όταν φιλτράρονται σε χαρτί οξειδίου του γραφενίου, αυτά τα σύνθετα υλικά εμφανίζουν αυξημένη ακαμψία και αντοχή σε σχέση με το μη τροποποιημένο χαρτί οξειδίου του γραφενίου.^[214]

Πλήρης υδρογόνωση και από τις δύο πλευρές του φύλλου γραφενίου προκύπτει γραφάνιο, αλλά η μερική υδρογόνωση οδηγεί σε υδρογονωμένο γραφένιο.^[215] Ομοίως, η αμφίπλευρη φθορίωση του γραφενίου (ή η χημική και μηχανική απολέπιση του φθοριούχου γραφίτη) οδηγεί σε φθοριογραφένιο (φθοριούχο γραφένιο),^[216] ενώ η μερική φθορίωση (γενικά αλογόνωση) παρέχει φθοριωμένο (αλογονωμένο) γραφένιο.

Υποκαταστάτης/σύμπλοκο γραφενίου

Το γραφένιο μπορεί να είναι ένα συνδέτη για τον συντονισμό μετάλλων και μεταλλικών ιόντων εισάγοντας λειτουργικές ομάδες. Οι δομές των υποκαταστατών γραφενίου είναι παρόμοιες με π.χ. μεταλλικάπορφυρίνη σύνθετο, μεταλλικό-φθαλοκυανίνη σύνθετο και μεταλλικό-φαινανθρολίνη σύμπλοκο. Τα ιόντα χαλκού και νικελίου μπορούν να συντονιστούν με υποκαταστάτες γραφενίου.^[217][218]

Ίνα γραφενίου

Το 2011, ερευνητές ανέφεραν μια νέα αλλά απλή προσέγγιση για την κατασκευή ινών γραφενίου από μεμβράνες γραφενίου που έχουν αναπτυχθεί με χημική εναπόθεση ατμών.^[219] Η μέθοδος ήταν επεκτάσιμη και ελεγχόμενη, παρέχοντας ρυθμιζόμενη μορφολογία και δομή πόρων ελέγχοντας την εξάτμιση των διαλυτών με κατάλληλη επιφανειακή τάση. Εύκαμπτοι υπερπυκνωτές στερεάς κατάστασης που βασίζονται σε αυτές τις ίνες γραφενίου επιδείχθηκαν το 2013.^[220]

Το 2015, η παρεμβολή μικρών θραυσμάτων γραφενίου στα κενά που σχηματίστηκαν από μεγαλύτερα, σπειροειδή φύλλα γραφενίου, μετά την ανόπτηση, παρείχε οδούς αγωγιμότητας, ενώ τα θραύσματα βοήθησαν στην ενίσχυση των ινών.^{[απόσπασμα πρότασης]} Οι ίνες που προέκυψαν προσέφεραν καλύτερη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και μηχανική αντοχή. Η θερμική αγωγιμότητα έφτασε τα 1,290. W/m/K (1,290 βατ ανά μέτρο ανά βαθμό Κέλβιν), ενώ η αντοχή σε εφελκυσμό έφτασε τα 1,080 MPa (157,000 psi).^[221]

Το 2016, συνεχείς ίνες γραφενίου σε κλίμακα χιλιομέτρου με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα παράγονται με υγρή περιδίνηση υψηλής απόδοσης υγρών κρυστάλλων οξειδίου του γραφενίου, ακολουθούμενη από γραφιτοποίηση μέσω μιας στρατηγικής συνεργιστικής μηχανικής ελαττωμάτων πλήρους κλίμακας.^[222] Οι ίνες γραφενίου με ανώτερες επιδόσεις υπόσχονται ευρείες εφαρμογές σε λειτουργικά υφάσματα, ελαφρούς κινητήρες, μικροηλεκτρονικές συσκευές κ.λπ.

Το Πανεπιστήμιο Tsinghua στο Πεκίνο, με επικεφαλής τον Wei Fei του Τμήματος Χημικών Μηχανικών, ισχυρίζεται ότι είναι σε θέση να δημιουργήσει μια ίνα νανοσωλήνων άνθρακα με αντοχή σε εφελκυσμό 80. GPa (12,000,000 psi).^[223]

τρισδιάστατο γραφένιο

Το 2013, ένα τρισδιάστατο κηρήθρα Ένα μείγμα εξαγωνικά διατεταγμένου άνθρακα ονομάστηκε τρισδιάστατο γραφένιο και παράχθηκε επίσης αυτοφερόμενο τρισδιάστατο γραφένιο.^[224] Οι τρισδιάστατες δομές γραφενίου μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας είτε μεθόδους CVD είτε μεθόδους που βασίζονται σε διάλυμα. Μια ανασκόπηση του 2016 από τους Khurram και Xu et al. παρείχε μια σύνοψη των τότε πιο πρόσφατων τεχνικών για την κατασκευή της τρισδιάστατης δομής του γραφενίου και άλλων σχετικών δισδιάστατων υλικών.^[225] Το 2013, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Stony Brook ανέφεραν μια νέα ριζοσπαστική μέθοδο διασύνδεσης για την κατασκευή πορωδών τρισδιάστατων ελεύθερων αρχιτεκτονικών από γραφένιο και νανοσωλήνες άνθρακα χρησιμοποιώντας νανοϋλικά ως δομικά στοιχεία χωρίς καμία πολυμερική μήτρα ως υπόστρωμα.^[226] Αυτά τα ικριώματα/αφροί από τρισδιάστατο γραφένιο (εξ ολοκλήρου από άνθρακα) έχουν εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως η αποθήκευση ενέργειας, η διήθηση, η θερμική διαχείριση και οι βιοϊατρικές συσκευές και εμφυτεύματα.^[225][227]

Γραφένιο σε σχήμα κουτιού (BSG) νανοδομή εμφανίζεται μετά από μηχανική διάσπαση πυρολυτικό γραφίτη αναφέρθηκε το 2016.^[228] Η ανακαλυφθείσα νανοδομή είναι ένα πολυστρωματικό σύστημα παράλληλων κοίλων νανοκαναλιών που βρίσκονται κατά μήκος της επιφάνειας και έχουν τετραγωνική διατομή. Το πάχος των τοιχωμάτων των καναλιών είναι περίπου ίσο με 1 nm. Πιθανά πεδία εφαρμογής BSG περιλαμβάνουν: υπερευαίσθητα ανιχνευτές, καταλυτικά στοιχεία υψηλής απόδοσης, νανοκανάλια για DNA ακολουθία και χειρισμός, επιφάνειες υψηλής απόδοσης που απορροφούν θερμότητα, Επαναφορτιζομενες ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ βελτιωμένης απόδοσης, νανομηχανικοί συντονιστές, κανάλια πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων στην εκπομπή νανοηλεκτρονική συσκευές, υψηλής χωρητικότητας προσροφητικά για ασφαλή αποθήκευση υδρογόνου.

Έχει επίσης αναφερθεί τρισδιάστατο διπλοστιβαδικό γραφένιο.^[229][230]

Γραφένιο με πυλώνες

Το γραφένιο με πυλώνες είναι μια υβριδική δομή άνθρακα που αποτελείται από μια προσανατολισμένη συστοιχία νανοσωλήνων άνθρακα συνδεδεμένων σε κάθε άκρο με ένα φύλλο γραφενίου. Περιγράφηκε για πρώτη φορά θεωρητικά από τον Γιώργο Φρουδάκη και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο Κρήτης στην Ελλάδα το 2008. Το γραφένιο με πυλώνες δεν έχει ακόμη συντεθεί στο εργαστήριο, αλλά έχει προταθεί ότι μπορεί να έχει χρήσιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες ή ως υλικό αποθήκευσης υδρογόνου.

Ενισχυμένο γραφένιο

Γραφένιο ενισχυμένο με ενσωματωμένο νανοσωλήνας άνθρακα ενισχυτικές ράβδοι ("ρεμπάρ«) είναι πιο εύκολο στη χειραγώγηση, βελτιώνοντας παράλληλα τις ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες και των δύο υλικών.^[231][232]

Οι λειτουργικοποιημένοι νανοσωλήνες άνθρακα με ένα ή περισσότερα τοιχώματα επικαλύπτονται με περιδίνηση σε φύλλα χαλκού και στη συνέχεια θερμαίνονται και ψύχονται, χρησιμοποιώντας τους ίδιους τους νανοσωλήνες ως πηγή άνθρακα. Υπό θέρμανση, οι λειτουργικοί νανοσωλήνες ομάδες άνθρακα αποσυντίθενται σε γραφένιο, ενώ οι νανοσωλήνες διασπώνται μερικώς και σχηματίζουν ένα επίπεδο ομοιοπολικούς δεσμούς με το γραφένιο, προσθέτοντας δύναμη. π–π στοίβαξη Οι νανοσωλήνες προσθέτουν περισσότερη αντοχή. Οι νανοσωλήνες μπορούν να επικαλύπτονται, καθιστώντας το υλικό καλύτερο αγωγό από το τυπικό γραφένιο που αναπτύσσεται με CVD. Οι νανοσωλήνες γεφυρώνουν αποτελεσματικά το όρια κόκκων που βρίσκεται στο συμβατικό γραφένιο. Η τεχνική εξαλείφει τα ίχνη του υποστρώματος πάνω στο οποίο εναποτέθηκαν φύλλα που διαχωρίστηκαν αργότερα χρησιμοποιώντας επιταξία.^[231]

Στοίβες μερικών στρώσεων έχουν προταθεί ως οικονομικά αποδοτική και φυσικά ευέλικτη αντικατάσταση για οξείδιο του κασσιτέρου ινδίου (ITO) που χρησιμοποιείται σε οθόνες και φωτοβολταϊκά κύτταρα.^[231]

Χυτό γραφένιο

Το 2015, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Urbana-Champaign (UIUC) ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση για τον σχηματισμό τρισδιάστατων σχημάτων από επίπεδα, δισδιάστατα φύλλα γραφενίου.^[233] Μια μεμβράνη γραφενίου που είχε εμποτιστεί σε διαλύτη για να διογκωθεί και να γίνει εύπλαστη επικαλύφθηκε πάνω σε ένα υποκείμενο υπόστρωμα «διαμορφωτή». Ο διαλύτης εξατμίστηκε με την πάροδο του χρόνου, αφήνοντας πίσω του ένα στρώμα γραφενίου που είχε πάρει το σχήμα της υποκείμενης δομής. Με αυτόν τον τρόπο, μπόρεσαν να παράγουν μια σειρά από σχετικά περίπλοκα μικροδομημένα σχήματα.^[234] Τα χαρακτηριστικά ποικίλλουν από 3.5 έως 50 μm. Το καθαρό γραφένιο και το γραφένιο με διακόσμηση χρυσού ενσωματώθηκαν με επιτυχία στο υπόστρωμα.^[235]

Αεροτζέλ γραφενίου

An αερογέλης Ένα υλικό κατασκευασμένο από στρώματα γραφενίου που χωρίζονται από νανοσωλήνες άνθρακα μετρήθηκε στα 0.16 χιλιοστόγραμμα ανά κυβικό εκατοστό. Ένα διάλυμα γραφενίου και νανοσωλήνων άνθρακα σε ένα καλούπι λυοφιλοποιείται για να αφυδατωθεί το διάλυμα, αφήνοντας το αεροτζέλ. Το υλικό έχει ανώτερη ελαστικότητα και απορρόφηση. Μπορεί να ανακάμψει πλήρως μετά από συμπίεση άνω του 90% και να απορροφήσει έως και 900 φορές το βάρος του σε λάδι, με ρυθμό 68.8 γραμμάρια ανά δευτερόλεπτο.^[236]

Νανοπηνίο γραφενίου

Το 2015 ανακαλύφθηκε μια σπειροειδής μορφή γραφενίου σε γραφιτικό άνθρακα (άνθρακα). Το σπειροειδές φαινόμενο παράγεται από ελαττώματα στο εξαγωνικό πλέγμα του υλικού που το αναγκάζουν να σπειροειδεί κατά μήκος της άκρης του, μιμούμενο ένα Επιφάνεια Ρίμαν, με την επιφάνεια του γραφενίου περίπου κάθετη στον άξονα. Όταν εφαρμόζεται τάση σε ένα τέτοιο πηνίο, το ρεύμα ρέει γύρω από την σπείρα, παράγοντας ένα μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο ισχύει για σπείρες με ζιγκ-ζαγκ ή πολυθρόνα, αν και με διαφορετικές κατανομές ρεύματος. Προσομοιώσεις σε υπολογιστή έδειξαν ότι ένας συμβατικός σπειροειδής επαγωγέας διαμέτρου 205 μικρών θα μπορούσε να συνδυαστεί με ένα νανοπηνίο πλάτους μόλις 70 νανόμετρα, με ένταση πεδίου που φτάνει έως και 1 Tesla.^[237]

Τα νανοσωληνοειδή που αναλύθηκαν μέσω υπολογιστικών μοντέλων στο Rice θα πρέπει να είναι ικανά να παράγουν ισχυρά μαγνητικά πεδία περίπου 1 tesla, περίπου τα ίδια με τα πηνία που βρίσκονται σε τυπικά ηχεία, σύμφωνα με τον Yakobson και την ομάδα του - και περίπου την ίδια ένταση πεδίου με ορισμένες μηχανές μαγνητικής τομογραφίας. Διαπίστωσαν ότι το μαγνητικό πεδίο θα ήταν ισχυρότερο στην κοίλη κοιλότητα πλάτους νανομέτρου στο κέντρο της σπείρας.^[237]

A ηλεκτρομαγνητική κατασκευασμένο με ένα τέτοιο πηνίο συμπεριφέρεται ως κβαντικός αγωγός του οποίου η κατανομή ρεύματος μεταξύ του πυρήνα και του εξωτερικού ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση, με αποτέλεσμα μη γραμμικό επαγωγή.^[238]

Τσαλακωμένο γραφένιο

Σε 2016, Πανεπιστήμιο Brown εισήγαγε μια μέθοδο για την «τσαλάκωμα» του γραφενίου, προσθέτοντας ρυτίδες στο υλικό σε νανοκλίμακα. Αυτό επιτεύχθηκε με την εναπόθεση στρωμάτων οξειδίου του γραφενίου σε μια συρρικνωμένη μεμβράνη, στη συνέχεια συρρικνώνοντας την, με την μεμβράνη να διαλύεται πριν συρρικνωθεί ξανά σε ένα άλλο φύλλο μεμβράνης. Το τσαλακωμένο γραφένιο έγινε υπερυδρόφοβος, και, όταν χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρόδιο μπαταρίας, το υλικό έδειξε αύξηση έως και 400% στο ηλεκτροχημικο τωρινή πυκνότητα.^[239][240]

Παραγωγή

Ένας ταχέως αυξανόμενος κατάλογος τεχνικών παραγωγής έχει αναπτυχθεί για να επιτρέψει τη χρήση του γραφενίου σε εμπορικές εφαρμογές.^[241]

Οι απομονωμένοι δισδιάστατοι κρύσταλλοι δεν μπορούν να αναπτυχθούν μέσω χημικής σύνθεσης πέρα ​​από μικρά μεγέθη, ακόμη και κατ' αρχήν, επειδή η ταχεία ανάπτυξη των φωνόν Η πυκνότητα με την αύξηση του πλευρικού μεγέθους αναγκάζει τους δισδιάστατους κρυσταλλίτες να κάμπτονται στην τρίτη διάσταση. Σε όλες τις περιπτώσεις, το γραφένιο πρέπει να συνδέεται με ένα υπόστρωμα για να διατηρήσει το δισδιάστατο σχήμα του.^[19]

Μικρές δομές γραφενίου, όπως οι κβαντικές κουκκίδες και οι νανοκορδέλες γραφενίου, μπορούν να παραχθούν με μεθόδους «από κάτω προς τα πάνω» που συναρμολογούν το πλέγμα από μονομερή οργανικών μορίων (π.χ. κιτρικό οξύ, γλυκόζη). Οι μέθοδοι «από πάνω προς τα κάτω», από την άλλη πλευρά, κόβουν υλικά γραφίτη και γραφενίου σε όγκο με ισχυρές χημικές ουσίες (π.χ. μικτά οξέα).

Μηχανικός

Μηχανική απολέπιση

Οι Geim και Novoselov αρχικά χρησιμοποίησαν κολλητική ταινία για την απομάκρυνση των φύλλων γραφενίου από τον γραφίτη. Η επίτευξη μονών στρωμάτων συνήθως απαιτεί πολλαπλά βήματα απολέπισης. Μετά την απολέπιση, οι νιφάδες εναποτίθενται σε μια γκοφρέτα πυριτίου. Μπορούν να ληφθούν κρυσταλλίτες μεγαλύτεροι από 1 mm και ορατοί με γυμνό μάτι.^[242]

Από το 2014, η απολέπιση παρήγαγε γραφένιο με τον χαμηλότερο αριθμό ελαττωμάτων και την υψηλότερη κινητικότητα ηλεκτρονίων.^[243]

Εναλλακτικά, ένα αιχμηρή μονοκρυσταλλική σφήνα διαμαντιού διεισδύει στην πηγή γραφίτη για να διασπάσει τα στρώματα.^[244]

Το 2014, παρασκευάστηκαν από γραφίτη υγρά που περιείχαν γραφένιο, χωρίς ελαττώματα, χρησιμοποιώντας αναμικτήρες που παράγουν τοπικούς ρυθμούς διάτμησης μεγαλύτερους από 10 × 10⁴.^[245][246]

Η απολέπιση με διάτμηση είναι μια άλλη μέθοδος που, χρησιμοποιώντας αναμικτήρα ρότορα-στάτορα, κατέστη δυνατή η κλιμακωτή παραγωγή γραφενίου χωρίς ελαττώματα. ^[247] Έχει αποδειχθεί ότι, όπως ταραχή δεν είναι απαραίτητο για μηχανική απολέπιση,^[248] χαμηλή ταχύτητα άλεσμα με σφαιρίδια έχει αποδειχθεί αποτελεσματικό στην παραγωγή γραφενίου υψηλής απόδοσης και υδατοδιαλυτού.

Υπερηχητική απολέπιση

Η διασπορά γραφίτη σε υγρό μέσο μπορεί να παράγει γραφένιο με υπερήχηση ακολουθούμενη από φυγοκέντρηση,^[249][250] παράγοντας συγκεντρώσεις 2.1 mg/ml in Ν-μεθυλοπυρρολιδόνη.^[251] Χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο ιοντικό υγρό καθώς το διασπαρτικό υγρό μέσο παρήγαγε συγκεντρώσεις 5.33 mg/ml.^[252] Η επανατοποθέτηση (restacking) αποτελεί πρόβλημα με αυτήν την τεχνική.

Προσθέτοντας a επιφανειοδραστικό σε διαλύτη πριν από την υπερήχηση αποτρέπει την επανασυσσώρευση μέσω προσρόφησης στην επιφάνεια του γραφενίου. Αυτό παράγει υψηλότερη συγκέντρωση γραφενίου, αλλά η αφαίρεση του επιφανειοδραστικού απαιτεί χημικές επεξεργασίες.^{[παραπομπή που απαιτείται]}

Υπερήχηση γραφίτη στη διεπαφή δύο άμικτος υγρά, κυρίως επτάνιο και νερό, παρήγαγαν μεμβράνες γραφενίου μακροκλίμακας. Τα φύλλα γραφενίου προσροφώνται στη διεπιφάνεια υψηλής ενέργειας μεταξύ των υλικών και εμποδίζονται να επανασυσσωρευτούν. Τα φύλλα είναι έως και 95% διαφανή και αγώγιμα.^[253]

Με συγκεκριμένες παραμέτρους διάσπασης, το γραφένιο σε σχήμα κουτιού (BSG) νανοδομή μπορεί να προετοιμαστεί σε γραφίτης κρύσταλλο.^[228]

Διάσπαση μονοστρωματικού άνθρακα

Τεμαχισμός νανοσωλήνων

Το γραφένιο μπορεί να δημιουργηθεί ανοίγοντας νανοσωλήνες άνθρακα με κοπή ή χάραξη.^[254] Σε μια τέτοια μέθοδο νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων διακόπτονται σε διάλυμα με τη δράση υπερμαγγανικό κάλιο   θειικό οξύ.^[255][256]

Το 2014, κατασκευάστηκε γραφένιο ενισχυμένο με νανοσωλήνες άνθρακα μέσω επίστρωσης με περιδίνηση και ανόπτησης λειτουργικοποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα.^[231]

Διάσπαση φουλερενίου

Μια άλλη προσέγγιση ψεκασμού μπακαλιάρες με υπερηχητικές ταχύτητες πάνω σε ένα υπόστρωμα. Οι σφαίρες άνοιξαν ραγίζοντας κατά την πρόσκρουση και τα προκύπτοντα αποσυμπιεσμένα κλουβιά στη συνέχεια συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια μεμβράνη γραφενίου.^[257]

Χημική ουσία

Αναγωγή οξειδίου του γραφίτη

Ο P. Boehm ανέφερε την παραγωγή μονοστρωματικών νιφάδων αναγμένου οξειδίου του γραφενίου το 1962.^[258][259] Η ταχεία θέρμανση του οξειδίου του γραφίτη και η απολέπιση αποδίδουν σκόνη άνθρακα υψηλής διασποράς με μικρό ποσοστό νιφάδων γραφενίου.

Μια άλλη μέθοδος είναι η αναγωγή μονοστρωματικών μεμβρανών οξειδίου του γραφίτη, π.χ. με υδραζίνη μαζί σου, ξεπύρωμα in αργόν/υδρογόνο με σχεδόν άθικτο πλαίσιο άνθρακα που επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση των λειτουργικών ομάδων. Μετρήθηκε φορέας φόρτισης η κινητικότητα ξεπέρασε τα 1000 cm/Vs (10m/Vs).^[260]

Κάψιμο ενός επικαλυμμένου με οξείδιο του γραφίτη DVD παρήγαγε μια αγώγιμη μεμβράνη γραφενίου (1738 siemens ανά μέτρο) και ειδική επιφάνεια (1520 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο) που ήταν εξαιρετικά ανθεκτική και εύπλαστη.^[261]

Ένα διασκορπισμένο εναιώρημα αναγμένου οξειδίου του γραφενίου συντέθηκε σε νερό με μια μέθοδο υδροθερμικής αφυδάτωσης χωρίς τη χρήση επιφανειοδραστικής ουσίας. Η προσέγγιση είναι εύκολη, βιομηχανικά εφαρμόσιμη, φιλική προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδοτική. Οι μετρήσεις ιξώδους επιβεβαίωσαν ότι το κολλοειδές εναιώρημα γραφενίου (νανορευστό γραφενίου) παρουσιάζει Νευτώνεια συμπεριφορά, με το ιξώδες να δείχνει μεγάλη ομοιότητα με αυτό του νερού.^[262]

Λιωμένα άλατα

Τα σωματίδια γραφίτη μπορούν να διαβρωθούν σε τηγμένα άλατα για να σχηματίσουν μια ποικιλία νανοδομών άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου του γραφενίου.^[263] Κατιόντα υδρογόνου, διαλυμένα σε τηγμένο χλωριούχο λίθιο, μπορούν να εκκενωθούν σε καθοδικά πολωμένες ράβδους γραφίτη, οι οποίες στη συνέχεια παρεμβάλλονται, αποφλοιώνοντας φύλλα γραφενίου. Τα νανοφύλλα γραφενίου που παραγόντουσαν εμφάνισαν μονοκρυσταλλική δομή με πλευρικό μέγεθος αρκετών εκατοντάδων νανομέτρων και υψηλό βαθμό κρυσταλλικότητας και θερμικής σταθερότητας.^[264]

Ηλεκτροχημική σύνθεση

Η ηλεκτροχημική σύνθεση μπορεί να απολεπίσει το γραφένιο. Η μεταβολή μιας παλμικής τάσης ελέγχει το πάχος, την περιοχή των νιφάδων, τον αριθμό των ελαττωμάτων και επηρεάζει τις ιδιότητές του. Η διαδικασία ξεκινά με την εμβάπτιση του γραφίτη σε έναν διαλύτη για παρεμβολή. Η διαδικασία μπορεί να παρακολουθηθεί παρακολουθώντας τη διαφάνεια του διαλύματος με ένα LED και μια φωτοδίοδο. ^[265][266]

Υδροθερμική αυτοσυναρμολόγηση

Το γραφένιο παρασκευάστηκε χρησιμοποιώντας ένα σάκχαρο (π.χ. γλυκόζη, ζάχαρη, φρουκτόζη, κ.λπ.) Αυτή η σύνθεση «από κάτω προς τα πάνω» χωρίς υπόστρωμα είναι ασφαλέστερη, απλούστερη και πιο φιλική προς το περιβάλλον από την απολέπιση. Η μέθοδος μπορεί να ελέγξει το πάχος, που κυμαίνεται από μονοστρωματική έως πολυστρωματική, η οποία είναι γνωστή ως «Μέθοδος Tang-Lau».^{[267][268][269][270]}

Πυρόλυση αιθοξειδίου του νατρίου

Οι ποσότητες γραμμαρίων παρήχθησαν από την αντίδραση αιθανόλη μαζί σου, νάτριο μέταλλο, ακολουθούμενο από πυρόλυση και πλύσιμο με νερό.^[271]

Οξείδωση με υποβοήθηση μικροκυμάτων

Το 2012, αναφέρθηκε ότι η ενέργεια μικροκυμάτων συνθέτει απευθείας γραφένιο σε ένα βήμα.^[272] Αυτή η προσέγγιση αποφεύγει τη χρήση υπερμαγγανικού καλίου στο μείγμα αντίδρασης. Αναφέρθηκε επίσης ότι με τη βοήθεια ακτινοβολίας μικροκυμάτων, το οξείδιο του γραφενίου με ή χωρίς οπές μπορεί να συντεθεί ελέγχοντας τον χρόνο μικροκυμάτων.^[273] Η θέρμανση με μικροκύματα μπορεί να μειώσει δραματικά τον χρόνο αντίδρασης από ημέρες σε δευτερόλεπτα.

Το γραφένιο μπορεί επίσης να παραχθεί με μικροκύματα υποβοηθούμενη υδροθερμική πυρόλυση.^[204][205]

Θερμική αποσύνθεση καρβιδίου του πυριτίου

Θέρμανση καρβίδιο του πυριτίου (SiC) σε υψηλές θερμοκρασίες (1100 ° C) υπό χαμηλές πιέσεις (περίπου 10^-6 τορρ, ή 10^-4 Pa) το ανάγει σε γραφένιο.^{[88][89][90][91][92][274]}

Εναπόθεση χημικών ατμών

Επιταξία

Επιταξιακή ανάπτυξη γραφενίου σε καρβίδιο του πυριτίου είναι μια τεχνική σε κλίμακα γκοφρέτας για την παραγωγή γραφενίου. Επιταξιακός Το γραφένιο μπορεί να συνδεθεί με επιφάνειες αρκετά ασθενώς (από Οι δυνάμεις Van der Waals) για να διατηρηθεί η δισδιάστατη ηλεκτρονική δομή μπάντας απομονωμένου γραφενίου.^[275]

Ένα φυσιολογικό γκοφρέτα πυριτίου επικαλυμμένο με ένα στρώμα γερμάνιο (Ge) βουτηγμένο σε αραιό υδροφθορικό οξύ αφαιρεί το φυσικά σχηματιζόμενο οξείδιο του γερμανίου ομάδες, δημιουργώντας γερμάνιο με τερματικά υδρογόνου. Το CVD μπορεί να το επικαλύψει με γραφένιο.^[276][277]

Η άμεση σύνθεση γραφενίου σε μονωτή TiO2₂ με υψηλή διηλεκτρική σταθερά (υψηλό-κ). Μια διεργασία CVD δύο σταδίων αποδεικνύεται ότι αναπτύσσει γραφένιο απευθείας σε TiO2.₂ κρύσταλλοι ή απολεπισμένο TiO₂ νανοφύλλα χωρίς τη χρήση μεταλλικού καταλύτη.^[278]

Μεταλλικά υποστρώματα

Το γραφένιο CVD μπορεί να καλλιεργηθεί σε μεταλλικά υποστρώματα, συμπεριλαμβανομένου του ρουθηνίου,^[279] ιρίδιο,^[280] νικέλιο^[281] και χαλκός.^[282][283]

Roll-to-roll

Το 2014 ανακοινώθηκε μια διαδικασία κατασκευής δύο σταδίων από ρολό σε ρολό. Το πρώτο βήμα από ρολό σε ρολό παράγει το γραφένιο μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών. Το δεύτερο βήμα συνδέει το γραφένιο με ένα υπόστρωμα.^[284][285]

Ψυχρός τοίχος

Υποστηρίχθηκε ότι η καλλιέργεια γραφενίου σε ένα βιομηχανικό σύστημα CVD ψυχρού τοιχώματος με θέρμανση αντίστασης παρήγαγε γραφένιο 100 φορές ταχύτερα από τα συμβατικά συστήματα CVD, μείωνε το κόστος κατά 99% και παρήγαγε υλικό με βελτιωμένες ηλεκτρονικές ιδιότητες.^[286][287]

Γραφένιο CVD σε κλίμακα γκοφρέτας

Το γραφένιο CVD είναι κλιμακωτό και έχει αναπτυχθεί σε καταλύτη λεπτής μεμβράνης Cu που έχει εναποτεθεί σε πρότυπο Si/SiO2 πάχους 100 έως 300 mm.₂ γκοφρέτες^{[288][289][290]} σε ένα σύστημα Axitron Black Magic. Επιτυγχάνεται μονοστρωματική κάλυψη γραφενίου >95% σε υποστρώματα πλακιδίων 100 έως 300 mm με αμελητέα ελαττώματα, όπως επιβεβαιώνεται από εκτεταμένη χαρτογράφηση Raman.^[289][290]

Μείωση διοξειδίου του άνθρακα

Μια έντονα εξώθερμη αντίδραση καίγεται μαγνήσιο σε μια αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής με διοξείδιο του άνθρακα, παράγοντας νανοσωματίδια άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου του γραφενίου και φουλερένια.^[291]

Υπερηχητικό σπρέι

Υπερηχητική επιτάχυνση σταγονιδίων μέσω ενός Ακροφύσιο Laval χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση αναγμένου οξειδίου του γραφενίου σε ένα υπόστρωμα. Η ενέργεια της κρούσης αναδιατάσσει αυτά τα άτομα άνθρακα σε άψογο γραφένιο.^[292][293]

Λέιζερ

Στο 2014, α CO
₂ υπέρυθρο λέιζερ χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή πορωδών τρισδιάστατων δικτύων φιλμ γραφενίου (LIG) με μοτίβο από εμπορικές πολυμερικές μεμβράνες. Το προκύπτον υλικό παρουσιάζει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και επιφάνεια. Η διαδικασία επαγωγής με λέιζερ είναι συμβατή με τις διαδικασίες κατασκευής roll-to-roll.^[294] Ένα παρόμοιο υλικό, οι ίνες γραφενίου που προκαλούνται από λέιζερ (LIGF), αναφέρθηκε το 2018.^[295]

Θέρμανση Flash Joule

Το 2019, η θέρμανση flash Joule (παροδική ηλεκτροθερμική θέρμανση υψηλής θερμοκρασίας) ανακαλύφθηκε ως μια μέθοδος σύνθεσης στροβιλοστρωματικού γραφενίου σε μορφή σκόνης. Η μέθοδος περιλαμβάνει την ηλεκτροθερμική μετατροπή διαφόρων πηγών άνθρακα, όπως η αιθάλη, ο άνθρακας και τα απόβλητα τροφίμων, σε νιφάδες γραφενίου σε κλίμακα μικρών.^[195][296] Πιο πρόσφατες εργασίες κατέδειξαν τη χρήση μικτών πλαστικών αποβλήτων, αποβλήτων ελαστικών και τέφρας πυρόλυσης ως πρώτων υλών άνθρακα.^{[297][298][299]} Η διαδικασία γραφενοποίησης ελέγχεται κινητικά και η δόση ενέργειας επιλέγεται για να διατηρήσει τον άνθρακα στην γραφενική του κατάσταση (η υπερβολική εισροή ενέργειας οδηγεί σε επακόλουθη γραφιτοποίηση μέσω ανόπτησης).

Εμφύτευση ιόντων

Επιτάχυνση ιόντων άνθρακα μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο σε ημιαγωγό κατασκευασμένο από λεπτές μεμβράνες νικελίου σε υπόστρωμα SiO2₂/Si, δημιουργεί ένα στρώμα γραφενίου χωρίς ρυτίδες/σχίσιμο/υπολείμματα σε κλίμακα πλακιδίων (4 ίντσες (100 mm)) σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία 500 °C.^[300][301]

Γραφένιο συμβατό με CMOS

Ενσωμάτωση του γραφενίου στην ευρέως χρησιμοποιούμενη Διαδικασία κατασκευής CMOS απαιτεί την άμεση σύνθεσή του χωρίς μεταφορά σε διηλεκτρικός υποστρώματα σε θερμοκρασίες κάτω των 500 °C. IEDM 2018, ερευνητές από Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Μπάρμπαρα, κατέδειξε μια νέα διαδικασία σύνθεσης γραφενίου συμβατή με CMOS στους 300 °C κατάλληλη για το back-end-of-line (ΜΠΟΛ) εφαρμογές.^{[302][303][304]} Η διαδικασία περιλαμβάνει στερεά κατάσταση με υποβοήθηση πίεσης διάχυση of άνθρακας μέσω μιας λεπτής μεμβράνης μεταλλικού καταλύτη. Οι συνθετικές μεμβράνες γραφενίου μεγάλης επιφάνειας αποδείχθηκαν ότι παρουσιάζουν υψηλή ποιότητα (μέσω Raman χαρακτηρισμός) και παρόμοια αντίσταση τιμές σε σύγκριση με μεμβράνες γραφενίου υψηλής θερμοκρασίας που έχουν συντεθεί με CVD ίδιας διατομής έως και πλάτος 20 nm.

Προσομοίωση

Εκτός από την πειραματική διερεύνηση του γραφενίου και των συσκευών που βασίζονται σε γραφένιο, η αριθμητική μοντελοποίηση και προσομοίωσή τους αποτελούν σημαντικό ερευνητικό θέμα. Ο τύπος Kubo παρέχει μια αναλυτική έκφραση για την αγωγιμότητα του γραφενίου και δείχνει ότι είναι συνάρτηση διαφόρων φυσικών παραμέτρων, όπως το μήκος κύματος, η θερμοκρασία και το χημικό δυναμικό.^[305] Επιπλέον, έχει προταθεί ένα μοντέλο επιφανειακής αγωγιμότητας, το οποίο περιγράφει το γραφένιο ως ένα απειροελάχιστα λεπτό (διπλής όψης) φύλλο με τοπική και ισότροπη αγωγιμότητα. Αυτό το μοντέλο επιτρέπει την εξαγωγή αναλυτικών εκφράσεων για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο παρουσία ενός φύλλου γραφενίου με όρους μιας δυαδικής συνάρτησης Green (που αναπαρίσταται χρησιμοποιώντας ολοκληρώματα Sommerfeld) και διέγερσης ηλεκτρικού ρεύματος.^[306] Παρόλο που αυτά τα αναλυτικά μοντέλα και μέθοδοι μπορούν να παρέχουν αποτελέσματα για διάφορα κανονικά προβλήματα για σκοπούς συγκριτικής αξιολόγησης, πολλά πρακτικά προβλήματα που αφορούν το γραφένιο, όπως ο σχεδιασμός ηλεκτρομαγνητικών συσκευών αυθαίρετου σχήματος, είναι αναλυτικά δυσεπίλυτα. Με τις πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της υπολογιστικής ηλεκτρομαγνητικής (CEM), έχουν καταστεί διαθέσιμες διάφορες ακριβείς και αποτελεσματικές αριθμητικές μέθοδοι για την ανάλυση των αλληλεπιδράσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου/κύματος σε φύλλα γραφενίου ή/και συσκευές που βασίζονται σε γραφένιο. Προτείνεται μια ολοκληρωμένη περίληψη των υπολογιστικών εργαλείων που αναπτύχθηκαν για την ανάλυση συσκευών/συστημάτων που βασίζονται σε γραφένιο.^[307]

Ανάλογα γραφενίου

Ανάλογα γραφενίου^[308] (που αναφέρονται επίσης ως «τεχνητό γραφένιο») είναι δισδιάστατα συστήματα που εμφανίζουν παρόμοιες ιδιότητες με το γραφένιο. Τα ανάλογα του γραφενίου μελετώνται εντατικά από την ανακάλυψη του γραφενίου το 2004. Οι άνθρωποι προσπαθούν να αναπτύξουν συστήματα στα οποία η φυσική είναι ευκολότερη στην παρατήρηση και στον χειρισμό από ό,τι στο γραφένιο. Σε αυτά τα συστήματα, τα ηλεκτρόνια δεν είναι πάντα τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται. Μπορεί να είναι οπτικά φωτόνια,^[309] φωτόνια μικροκυμάτων,^[310] πλασμόνια,^[311] πολαριτόνια μικροκοιλοτήτων,^[312] ή ακόμα και άτομα.^[313] Επίσης, η κυψελοειδής δομή στην οποία εξελίσσονται αυτά τα σωματίδια μπορεί να είναι διαφορετικής φύσης από τα άτομα άνθρακα στο γραφένιο. Μπορεί να είναι, αντίστοιχα, μια φωτονικός κρύσταλλος, μια σειρά από μεταλλικές ράβδοι, μεταλλικά νανοσωματίδια, ένα πλέγμα από συζευγμένες μικροκοιλότητες, ή ένα οπτικό πλέγμα.

Εφαρμογές

Το γραφένιο είναι ένας διαφανής και εύκαμπτος αγωγός που υπόσχεται πολλά για διάφορες εφαρμογές υλικών/συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών κυψελών,^[314] διόδους εκπομπής φωτός (LED), οθόνες αφής και έξυπνα παράθυρα ή τηλέφωνα.^[315] Προϊόντα smartphone με οθόνες αφής από γραφένιο κυκλοφορούν ήδη στην αγορά.

Το 2013, η Head ανακοίνωσε τη νέα της σειρά ρακετών τένις από γραφένιο.^[316]

Από το 2015, υπάρχει ένα προϊόν διαθέσιμο για εμπορική χρήση: μια σκόνη εκτυπωτή με έγχυση γραφενίου.^[317] Πολλές άλλες χρήσεις του γραφενίου έχουν προταθεί ή βρίσκονται υπό ανάπτυξη, σε τομείς όπως η ηλεκτρονική, βιολογική μηχανική, διήθηση, ελαφρύ/ισχυρό σύνθετα υλικά, φωτοβολταϊκά   αποθήκευσης ενέργειας.^[225][318] Το γραφένιο παράγεται συχνά ως σκόνη και ως διασπορά σε πολυμερική μήτρα. Αυτή η διασπορά υποτίθεται ότι είναι κατάλληλη για προηγμένα σύνθετα υλικά,^[319][320] χρώματα και επιστρώσεις, λιπαντικά, έλαια και λειτουργικά υγρά, πυκνωτές και μπαταρίες, εφαρμογές θερμικής διαχείρισης, υλικά και συσκευασίες προβολής, ηλιακά κύτταρα, μελάνια και υλικά για τρισδιάστατους εκτυπωτές, καθώς και φράγματα και μεμβράνες.^[321]

Τον Αύγουστο 2, 2016, ΠΑΤο νέο μοντέλο Mono της εταιρείας λέγεται ότι είναι κατασκευασμένο από γραφένιο, ως το πρώτο αυτοκίνητο πίστας που είναι νόμιμο για κυκλοφορία στο δρόμο και αυτοκίνητο παραγωγής.^[322]

Τον Ιανουάριο του 2018, η σπείρα με βάση το γραφένιο επαγωγείς εκμετάλλευση κινητική επαγωγή σε θερμοκρασία δωματίου αποδείχθηκαν για πρώτη φορά στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Μπάρμπαρα, με επικεφαλής τον Κάουσταβ ΜπανερτζίΑυτοί οι επαγωγείς προβλεπόταν ότι θα επέτρεπαν σημαντική σμίκρυνση στο ραδιοσυχνοτητα ολοκληρωμένο κύκλωμα εφαρμογές.^{[323][324][325]}

Οι δυνατότητες του επιταξιακού γραφενίου σε SiC για τη μετρολογία έχουν αποδειχθεί από το 2010, επιδεικνύοντας ακρίβεια κβαντικής κβάντωσης αντίστασης Hall τριών μερών ανά δισεκατομμύριο σε μονοστρωματικό επιταξιακό γραφένιο. Με την πάροδο των ετών, έχουν αποδειχθεί ακριβείς ποσότητες μερών ανά τρισεκατομμύριο στην κβάντωση αντίστασης Hall και σε γιγάντια κβαντικά οροπέδια Hall. Οι εξελίξεις στην ενθυλάκωση και την πρόσμιξη επιταξιακού γραφενίου έχουν οδηγήσει στην εμπορευματοποίηση προτύπων κβαντικής αντίστασης επιταξιακού γραφενίου.^[326]

Το 2021, αποδείχθηκε ότι η σκόνη γραφενίου με λειτουργική επιφανειοδραστική ουσία, όταν προστέθηκε στο σκυρόδεμα, βελτίωσε την αντοχή σε θλίψη, εφελκυσμό και κάμψη.^[327]

Τοξικότητα

Μια ανασκόπηση σχετικά με την τοξικότητα του γραφενίου που δημοσιεύτηκε το 2016 από τους Lalwani et al. συνοψίζει τα εξής: in vitro, ίη νίνο, αντιμικροβιακές και περιβαλλοντικές επιδράσεις και υπογραμμίζει τους διάφορους μηχανισμούς τοξικότητας του γραφενίου.^[328] Μια άλλη ανασκόπηση που δημοσιεύτηκε το 2016 από τους Ou et al. επικεντρώθηκε στο νανοϋλικά οικογένειας γραφενίου (GFNs) και αποκάλυψαν αρκετούς τυπικούς μηχανισμούς όπως η φυσική καταστροφή, το οξειδωτικό στρες, DNA βλάβη, φλεγμονώδης απόκριση, απόπτωση, αυτοφαγίακαι νέκρωση.^[329]

Μια μελέτη του 2020 έδειξε ότι η τοξικότητα του γραφενίου εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως το σχήμα, το μέγεθος, η καθαρότητα, τα στάδια επεξεργασίας μετά την παραγωγή, η οξειδωτική κατάσταση, οι λειτουργικές ομάδες, η κατάσταση διασποράς, οι μέθοδοι σύνθεσης, η οδός και η δόση χορήγησης και οι χρόνοι έκθεσης.^[330]

Το 2014, έρευνα στο Πανεπιστήμιο Stony Brook έδειξε ότι νανοκορδέλες γραφενίου, τα νανοσωματίδια γραφενίου και τα νανοκρεμμύδια γραφενίου είναι μη τοξικά σε συγκεντρώσεις έως και 50 μg/ml. Αυτά τα νανοσωματίδια δεν μεταβάλλουν τη διαφοροποίηση των ανθρώπινων βλαστοκυττάρων του μυελού των οστών προς οστεοβλάστες (οστό) ή λιποκύτταρα (λίπος), γεγονός που υποδηλώνει ότι σε χαμηλές δόσεις τα νανοσωματίδια γραφενίου είναι ασφαλή για βιοϊατρικές εφαρμογές.^[331] Το 2013, έρευνα στο Πανεπιστήμιο Brown διαπίστωσε ότι νιφάδες γραφενίου πάχους 10 μm με λίγες στρώσεις είναι ικανές να διαπεράσουν τις κυτταρικές μεμβράνες σε διάλυμα. Παρατηρήθηκε ότι εισέρχονται αρχικά μέσω αιχμηρών και οδοντωτών σημείων, επιτρέποντας στο γραφένιο να εσωτερικευτεί στο κύτταρο. Οι φυσιολογικές επιδράσεις αυτού παραμένουν άγνωστες και ο τομέας αυτός παραμένει σχετικά ανεξερεύνητος.

Πηγή: Γραφένιο – Βικιπαίδεια

[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]