石墨烯的挑战

碳原子薄床单正在席卷全球的材料。Richard Van Noorden化学家发现现在是完美的时间来参加聚会

展开一个纳米管,你就只剩下一张碳,仅有一个原子厚的薄的所有材料。被称为石墨烯,是21世纪材料科学的最新的明星。

一次似乎不可能的平面石墨烯可以孤立地研究。化学家检查补丁的碳原子连接到表面早在1970年代,但无论何时摆脱石墨碳层,将曲线或聚集。然而在2004年,安德烈·海姆,克斯特亚诺沃肖洛夫和曼彻斯特大学的同事们,英国宣布裂开的简单的方法用一条胶带把石墨,他们能够查看单个石墨烯片在光学显微镜下观察。

新材料迅速成为理论物理学的宠儿。由于显著的交互的电子通过一个二维蜂窝状晶格,石墨烯被用来展示一些令人惊讶的相对论量子力学的预言。但却实用潜力:建议应用包括传感器、晶体管、太赫兹成像,复合材料,膜,能源存储设备、电池、太阳能电池和液晶显示器和薄涂层。最诱人的是,石墨烯可能形成的新一代计算机芯片的基础上,比基于硅的体积更小、运行速度更快。和聪明的化学开始迎接挑战的石墨烯加工、移动基础物理的领域学术之外的操场。

让它大

石墨烯晶格的hexagonally-arranged碳原子非常自由的缺陷或杂质。这种原始的质量有助于电子拍摄通过成千上万的原子间距离的材料没有散射,也有助于迅速消散多余的热量,使石墨烯比硅质量更好的导体。不仅将石墨烯晶体管或电路工作速度比传统的硅,它们也可能是小。碳碳键的表在一起甚至在几个纳米大小,在硅设备分解或泄漏电流。

与硅计算预计在15 - 20年后达到极限,纳米管或石墨烯替代有强烈的兴趣。主要的计算公司,如惠普、IBM和英特尔,资助研究领域,而EU-supported项目大(石墨烯纳米电子设备)在2008年1月推出。

一个问题是,没有人能够创造足够大的石墨烯与传统光刻技术模式。“抓石墨是一个伟大的概念验证方法,为实验室提供了高质量的石墨烯,但它不会为工业应用工作,“海姆说。

石墨烯是石墨烯的唯一商业供应商产业,英国曼彻斯特大学的一个子公司。因为所需的人力寻找干净的单层片(包括透过显微镜不同颜色对比硅晶片),服务并不便宜:董事总经理Tim布斯说,雪花几百平方微米卖几百英镑。扩展这些价格上涨意味着理论平方米清洁石墨烯成本吗? 5000亿,而购买一克重的石墨烯被子(和覆盖三个网球场)需要更比美国国债。

更便宜的方法是将存款从蒸汽到惰性碳原子的支持。但这一过程已经用于生产纳米管商业:碳原子倾向于蜷缩在杂质,而不是剩下的表。研究人员约翰·Coraux等,科隆大学的德国,最近表明,高质量的石墨烯可以沉积在金属表面,如铱,现在希望将这些层绝缘薄片上。沃尔特德陆军在乔治亚理工学院的小组,亚特兰大,我们有另一种方法:在真空中加热碳化硅,这样的硅原子逃跑,留下石墨烯层。

晶体管修修补补

德陆军、海姆和马克斯让我在电子公司领导的研究小组在亚琛AMO,德国已经声称第一个概念验证石墨烯晶体管,可用于开关电流开关(见manbetx手机客户端3.0,2007年4月,p25)。在一个类型,一个变量电场是用来控制电流通过石墨烯表。在另一个模型中,两个石墨烯带环绕中央量子点,也由石墨烯,同样限制了电子的通道。问题在于石墨烯太好的导体,持续让电子通过当当前是。正如海姆所说,“石墨烯晶体管泄漏像地狱”。

雕刻部分石墨烯电路到非常狭窄(5-10nm直径)丝带可能有帮助。这个技巧的变化从金属,半导体材料的电子性质,通过将电子的横向运动开放带隙。原则上,整个电路可以由石墨烯雕刻不同的宽度,但可靠的蚀刻等细决议可能超出了光刻技术的限制。

Phaedon Avouris说,这些内在的困难,研究纳米尺度电子在IBM的T J沃森中心在纽约,我们,意味着研究人员最好避免逻辑器件,并专注于电子迁移率的优点。波长通过石墨烯的电子超速可能达到更受欢迎的太赫兹范围,例如,允许高频太赫兹波的成像用于安全扫描和医学成像(见manbetx手机客户端3.0,2007年3月,p52)。

调用所有的化学家

巧妙的化学模式可能春天石墨烯的援助,然而。石墨烯的化学部分的故事才刚刚开始,”罗德·劳夫说,在奥斯丁的德克萨斯大学工作,我们。

罗夫希望分子可以被绑定到石墨烯的边缘或表面,和改变材料的电子性质。如果氢可以沉积到碳原子的渠道,创建四面体的条纹(不导电的)碳原子,把开展核心,会有更棘手的光刻技术的必要性。

所谓的“化学修饰石墨烯”(发生)尚未达到这种程度的复杂性——尽管海姆和让我的亚琛团队之间的合作导致了预印纸表明氢和羟基离子可逆地绑定到石墨烯的导电性,可能会使一个电化学开关。

迄今为止,最有用的石墨烯的化学修饰石墨涉及分割成单个发生表。罗夫的小组在2006年显示,氧化石墨,石墨不同,在溶液中容易分解为氧原子击退水分子。这使氧化石墨烯表,他的团队正在沉积到基板和转换回导电改性石墨烯。

2008年1月,与此同时,澳大利亚研究人员由丹李伍伦贡大学,新南威尔士,使用一系列的化学反应在氧化石墨在溶液中产生的说法石墨烯;在同一个月,Hongjie Dai斯坦福大学和他的同事们,我们宣布了一项化学替代光刻制作10 nm宽平稳的石墨烯带,由石墨在高温氢气和氩气,洗澡前摇动它与超声波分开。

但肯定有改进的余地。石墨的氧化。不可避免地引入了缺陷的石墨烯,由于含氧集团的形成,“解释克劳斯米呢?llen,谁在大聚合物研究所工作在美因茨,德国。他的团队正试图从其成分苯合成石墨烯环——一项艰巨的任务,但它保证纯度高。2008年3月,M ?llen报道,由芳香环耦合在一起,他的团队生产石墨烯带的制作都到12海里长,溶解在有机溶剂。

能否经得住时间的考验

化学家不会太担心如果他们的替代方法,石墨烯电子电路中不要立刻结出果实。他们将注意力转向其他令人兴奋的应用程序,更接近商业意识。可溶性石墨烯可以很容易地喷洒或过滤创建一个薄的透明导电涂层,例如,适合液晶显示屏。M ?llen的团队,全球短缺为由铟(这是用于制造氧化铟锡(ITO)液晶显示器和太阳能电池的电极)的努力集中在从石墨烯制作透明电极。

罗夫的小组,与此同时,在聚合物封装康联表,石英玻璃强复合材料,和去年以氧化石墨烯为极强,但薄,纸。所有这些应用程序的好处,曼彻斯特是克斯特亚诺沃肖洛夫笔记,是石墨烯不需要接近电子电路所需的质量——事实上,石墨烯粉末可以相当廉价的生产。

纳米管在伪装?

与潜在应用包括气体传感器、电池和电容器、复合材料和电极,围绕近期应用石墨烯似乎相当熟悉。研究者,不出所料,铸件在同样的领域碳纳米管显示的承诺。毕竟,纳米管是简单的石墨烯表折叠起来,所以为什么不使用它们呢?

电子电路,碳纳米管,石墨烯可能有一些困难克服。他们很难产生良好定义的大小和导电性,因为它们不是平床单可以雕刻,连接管成电路可以产生高电阻连接。但随着Avouris警告说,对每个应用程序的石墨烯并非灵丹妙药。”

石墨烯的平面度意味着它有一个很大的表面积与体积比。使它,也许稍微更好的候选人任何需要吸收原子或离子。罗夫还推测,可能是卷成“蛋糕”风格的电容器。结合这表面积和高导电率意味着任何分子破坏表是容易检查出来的,和海姆的团队表明,石墨烯可以算上单个气体分子很敏感,其表面在室温下(见manbetx手机客户端3.0,2007年9月,第29页)。“根据特定问题,石墨烯的前景可以有时优越,有时低,和经常完全不同于碳纳米管,“海姆总结在最近的评论文章。

成功的几率

宣传过度警惕,海姆警告说,石墨烯成为下一个硅谷的前景至少20年遥远——还有一个巨大的实验目标。“最近的利基应用程序的电脑屏幕涂层或ITO电极,或许三年,”他说。

有益的是要记住,石墨烯不是城里唯一的二维晶体。诺沃肖洛夫指出氮化硼和硫属化合物平坦,atomically-thin材料创造了自2004年以来。更重要的是,强调单层石墨烯可能是毫无根据的。Avouris和其他研究人员正在调查两个甚至更多的碳层的属性表之前(大约需要10层的电子属性还原的石墨)。

无论发生什么,我们知道石墨烯是独一无二的,并将存在了几十年。它至少打开财富的新物理,海姆总结说。实际上,这是理论物理学家与石墨烯最有趣。化学家们入党的时候了。

进一步的阅读

K S诺沃肖洛夫et al,科学,2004,306年科学,666 (DOI: 10.1126 /。1102 896)
P Avouriset al,自然纳米技术,2007,2,605 (DOI: 10.1038 / nnano。2007 300)
一个K和K S毋庸置疑,自然母亲。,2007,6,183 (DOI: 10.1038 / nmat.1849)
L智和K M ? llen,j .板牙。化学,2008,(DOI: 10.1039 / b717585j)
R·劳夫,自然纳米技术,2008,310 (DOI: 10.1038 / nnano。2007年,432年)
D李et al,自然纳米技术2008年,DOI: 10.1038 / nnano.2007.451