Графіт використовується в олівцях з 1564 г. Як мінерал його описав Геснер в 1565 р назву дав Вернер Шеєле в 1779 р від грец. γράφω - малювати, писати.
Графіт складається з атомів вуглецю, є напівметал, оскільки з ростом температури опір зменшується.
Кристал графіту є стопку плоских шестикутних кристалічних решіток. Сусідні шари розташовані на відстані 3,37 Å один від одного і повернені на
(0,6-0,8) Å, відстань між сусідніми атомами 1,42 Å. Зв'язки ковалентні - валентні електрони сусідніх атомів є загальними для двох атомів - в своєму русі охоплюють обидва атома. Зв'язки сильні, тому решітка практично не має дефектів.
Графен в тунельному мікроскопі
1. Хімічно стабільний, оптично прозорий. Графен на Si, покритому шаром SiO2 товщиною d
300 нм, спостерігається оптично у вигляді темної плями. Модуль Юнга перевищує сталь в
2. Атом вуглецю має чотири валентних електрони, три забезпечують ковалентні зв'язки з сусідніми атомами гексагональної решітки. Четвертий не утворює ковалентного зв'язку, його орбиталь зосереджена поблизу перпендикуляра до кристалічної площині. Орбіталі сусідніх атомів спрямовані в протилежні сторони від площини. Тому гексагональная решітка складається з двох трикутних подрешеток. Провідність без вільних носіїв забезпечується перескакиванием четвертого електрона з одного атома на інший в обох підгратках. Відсутність цього електрона є діркою.
3. У просторі векторів оберненої гратки перша зона Бріллюена має форму шестикутника з двома нееквівалентними вершинами
Решітка графена Зона Брілюена
Точка Дирака K збігається з рівнем Фермі, в ній стикаються зона провідності з валентної зоною, заборонена зона відсутня. У зоні провідності носієм струму є електрон, в валентної зоні - дірка. При кімнатній і більш низькій температурі носії струму знаходяться поблизу рівня Фермі.
4. Електрони і дірки мають нульову ефективну масу. високу рухливість і при кімнатній температурі проходять без розсіювання більш 1 мкм - тисячі міжатомних відстаней. Провідність кінцева навіть при нульовій концентрації вільних носіїв струму і дорівнює кванту провідності
5. У графені спостерігається релятивістський ефект Клейна - при нормальному падінні на потенційний бар'єр будь-якої висоти електрон проходить його без відображення.
6. У магнітному полі спектр НЕ еквідистантним, як для рівнів Ландау, є рівень з нульовою енергією. Магнітні стану термостабільним - різниця енергій рівнів перевищує теплову енергію при кімнатній температурі.
7. нанострічках графена може бути напівметал з нульовою шириною забороненої зони, або напівпровідником із забороненою зоною, ширина якої залежить від поперечного розміру наноленти, від кристалічної форми краю, від сторонніх атомів, приєднаних до краю, від зовнішніх електричного і магнітного полів.
8. У графені спостерігається цілочисельний квантовий ефект Холлапрі нормальній температурі в сильному магнітному полі
9. Пружне напруга зсуву вздовж головних кристалографічних напрямків розсовує конуси енергетичних зон в точках Дірака в протилежні сторони і створює поля, подібні електромагнітного поля.
10. Молекули, адсорбовані на поверхню графена, виступають як донори (
11. Для рухомих носіїв заряду n -p-перехід в графені створює негативний показник заломлення. Плоский n-p- перехід перетворює розходиться електронний пучок в сходиться.
12. Приєднання атомів водню до атомів графена за допомогою хімічної реакції дає графан. є діелектриком з енергетичної щілиною
5,4 еВ. Комбінування на одній плівці графена і графана (провідника і ізолятора) створює пристрої з різноманітними фізичними властивостями.
14. Графен є перспективним матеріалом в наноелектроніки - в елементах пам'яті, в сонячних елементах, як накопичувач електроенергії, як оптично прозорий електрод з високою електро- і теплопровідністю, як стандарт електричного опору, як транзистор терагерцового діапазону частот (
Термодеструкція. При нагріванні кристала карбіду кремнію SiC в вакуумі відбувається перехід в газову фазу кремнію, на поверхні кристала залишається вуглець, утворюються ковалентні зв'язки, виникає графен. Існує проблема відділення графена від підкладки. Якщо його залишити на подожке, то графен має енергетичну щілину
Розшарування графіту за допомогою липкої плівки з подальшим перенесенням на поверхню окисленого кремнію. Механічні напруги при розшаровуванні перевищують межу міцності плівки і не дозволяють отримати її розмір, більший декількох мікрометрів. Присутні багатошарові ділянки;
Осадження з газової фази. Перехідний метал Ni, Cu, Pt, Co витримується в парах вуглеводню, наприклад метану, або бензолу
Інтеркаляція. Використовується пиролитический графіт у вигляді м'якої, еластичною, непріліпающей плівки з рекордно високою теплопровідністю. молекули
Мембрана графена виходить відділенням графенового шару від підкладки шляхом її травлення. Далі графен переноситься на пристрій. На рис. (А) показаний електромеханічний резонатор на основі графену. Графен і підкладка з Si утворюють конденсатор. Змінне електричне поле викликає коливання графена. На рис. (Б) дано зображення реального пристрою в скануючому електронному мікроскопі з масштабом 1 мкм.
Концентрація вільних носіїв струму. ступінь заповнення зон і положення рівня Фермі регулюється затвором. Електрична напруга V прикладається між підкладкою з кремнію і графеном. Залежно від полярності напруги графен збагачується електронами або дірками, виникає p-n перехід.
Величина напруги обмежена пробоєм діелектрика SiO2 товщиною
n - поверхнева концентрація зарядів;
S - площа графена.
Поверхнева концентрація вільних носіїв струму пропорційна напрузі
.
.
У разі дірок це означає видалення практично всіх електронів, які не задіяні в ковалентних зв'язках. Мінімальне значення
При нормальній температурі носії струму мають високу і слабо залежить від температури рухливість
Вона істотно знижується при приміщенні графена на SiO2. Відсутність дефектів решітки не дає розсіювання. В результаті великі час розсіювання
,
