Углеродное чудо или как графен изменит наш мир

How can we use graphene?

We can answer that question in at least three
different ways. First, because graphene has so many excellent
properties, and because all those properties probably aren’t
needed in the same material (for the same
applications), it makes sense to start talking about different types
of graphene (or even different graphenes) that are being used in
different ways or being optimized for particular purposes. So we’re likely
to see some graphenes being developed for structural uses (in
composites materials), some being optimized to make the most of their
extraordinary electron-carrying properties (for use in electronic
components), others where we make the most of low-resistivity (in
energy-saving power systems), and still others where excellent
transparency and electrical conductivity are the important things (in
solar cells and computer displays).

Photo: Computer memory chips like this might become smaller and faster if graphene replaces the silicon we currently use.

Second, we can see graphene as an
exciting replacement for existing materials that have been pushed to
their physical limits. Silicon transistors
(the switching devices used as
memories and «decision-making» logic gates in
computers), for example, have
consistently become smaller and more powerful over the last few
decades, following a trend known as , but computer
scientists have long expressed concerns that the same rate of
progress can’t continue as we approach basic limitations imposed by
the laws of physics. Some scientists are already imagining smaller and faster
transistors in which silicon is replaced by graphene, taking computer devices
even closer to the absolute limits of physics. In theory, we could use graphene to make
ballistic transistors that store information or switch
on and off at super-high speeds by manipulating single electrons. In much the same way,
graphene could revolutionize other areas of technology constrained
by conventional materials. For example, it could spawn lighter
and stronger airplanes (by replacing composite materials or metal
alloys), cost-competitive and more efficient solar panels (replacing silicon again),
more energy-efficient power transmission equipment (in place of superconductors), and
supercapacitors with
thinner plates that can be charged in seconds and store more energy in a smaller space than
has ever previously been possible (replacing ordinary, chemical
batteries entirely). Companies such as Samsung, Nokia, and IBM are
already developing graphene-based replacements for such things as
touchscreens, transistors, and flash memories, though the work is at
a very early stage.

Third, and most exciting of all, is the likelihood
that we’ll develop all kinds of brand-new, currently unimaginable technologies that take
advantage of graphene’s amazing properties. In the 20th century,
plastics didn’t simply replace older materials such as
metal and
wood: for better or worse, they completely changed our culture
into one where disposability and convenience overtook durability. If
graphenes lead us to ultra-light, ultra-thin, strong, transparent, optically and
electrically conducting materials, who knows what possibilities might
lie ahead. How about super-lightweight clothes made of graphenes, wired to
batteries, that change color at the flick of a switch? Or an
emergency house built for disaster areas, with graphene walls so
strong and light that you can fold it up and carry it in a backpack?

Спиноры

Волновая функция для гамильтониана имеет вид столбца:

Ψ=(ψKAψKBψK′AψK′B),{\displaystyle \Psi =\left({\begin{array}{c}\psi _{KA}\\\psi _{KB}\\\psi _{K’A}\\\psi _{K’B}\\\end{array}}\right),}

где индексы соответствуют подрешёткам кристалла в прямом пространстве: A и B, а также долинам в обратном пространстве: K{\displaystyle K} и K′{\displaystyle K’}. Гамильтониан для K{\displaystyle K} долины можно записать кратко

H^K=−iℏvFσ→⋅∇→.{\displaystyle {\hat {H}}_{K}^{0}=-i\hbar v_{F}{\vec {\sigma }}\cdot {\vec {\nabla }}.}

Этот двумерный гамильтониан аналог уравнения Дирака для безмассовых частиц, за исключением скорости света, в качестве которой выступает скорость Ферми. Из трёхмерного уравнения Дирака следует существование ферми-частиц, то есть частиц обладающих полуцелым спином. В графене из формально подобного уравнения следует существование характеристики названной псевдоспин, которая имеет отношение только к распределению электронной плотности между подрешётками кристалла. Таким образом состояние псевдоспин вверх означает подрешётку A, а псевдоспин вниз — подрешётку B. Для двух долин в k-пространстве вводят характеристику изоспин, и электроны конечно имеют внутреннюю степень свободы: спин (не отражённую в этом гамильтониане для графена).

Решения для свободных частиц для долин K{\displaystyle K} и K′{\displaystyle K’} имеют различный вид для положительной энергии (электроны) и отрицательной энергии (дырки):

ψKe,h(κ→)=(ψKAψKB)=12(exp⁡(−iϕκ→2)±exp⁡(iϕκ→2)),ψK′e,h(κ→)=(ψK′AψK′B)=12(exp⁡(iϕκ→2)±exp⁡(−iϕκ→2)).{\displaystyle \psi _{K}^{e,h}({\vec {\kappa }})=\left({\begin{array}{c}\psi _{KA}\\\psi _{KB}\\\end{array}}\right)={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\exp(-i\phi _{\vec {\kappa }}/2)\\\pm \exp(i\phi _{\vec {\kappa }}/2)\\\end{array}}\right),\,\psi _{K’}^{e,h}({\vec {\kappa }})=\left({\begin{array}{c}\psi _{K’A}\\\psi _{K’B}\\\end{array}}\right)={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\exp(i\phi _{\vec {\kappa }}/2)\\\pm \exp(-i\phi _{\vec {\kappa }}/2)\\\end{array}}\right).}

Здесь ϕκ→=arctan⁡(κyκx){\displaystyle \phi _{\vec {\kappa }}=\arctan(\kappa _{y}/\kappa _{x})} — полярный угол волнового вектора.

Полный гамильтониан можно представить в более симметричной форме:

H^=−iℏvFτ⊗σ→⋅∇→,{\displaystyle {\hat {H}}^{0}=-i\hbar v_{F}\tau _{0}\otimes {\vec {\sigma }}\cdot {\vec {\nabla }},}

где единичная матрица τ действует на индексы долин. Тогда спинор имеет вид:

Ψ=(ψKAψKBψK′B−ψK′A).{\displaystyle \Psi =\left({\begin{array}{c}\psi _{KA}\\\psi _{KB}\\\psi _{K’B}\\-\psi _{K’A}\\\end{array}}\right).}

Roadmap

Details on the roadmap of the project will be posted on the site in the near future.

To get an idea of the near term roadmap, check out the . The vast majority of the issues filed in the trackers are planned enhancements, with care taken to make sure all of the issues open in the tracker are concrete and actionable.

In the long term, GrapheneOS aims to move beyond a hardened fork of the Android Open Source Project. Achieving the goals requires moving away from relying the Linux kernel as the core of the OS and foundation of the security model. It needs to move towards a microkernel-based model with a Linux compatibility layer, with many stepping stones leading towards that goal including adopting virtualization-based isolation.

The initial phase for the long-term roadmap of moving away from the current foundation will be to deploy and integrate a hypervisor like Xen to leverage it for reinforcing existing security boundaries. Linux would be running inside the virtual machines at this point, inside and outside of the sandboxes being reinforced. In the longer term, Linux inside the sandboxes can be replaced with a compatibility layer like gVisor, which would need to be ported to arm64 and given a new backend alongside the existing KVM backend. Over the longer term, i.e. many years from now, Linux can fade away completely and so can the usage of virtualization. The anticipation is that many other projects are going to be interested in this kind of migration, so it’s not going to be solely a GrapheneOS project, as demonstrated by the current existence of the gVisor project and various other projects working on virtualization deployments for mobile. Having a hypervisor with verified boot still intact will also provide a way to achieve some of the goals based on extensions to Trusted Execution Environment (TEE) functionality even without having GrapheneOS hardware.

Hardware and firmware security are core parts of the project, but it’s currently limited to research and submitting suggestions and bug reports upstream. In the long term, the project will need to move into the hardware space.

Красота не требует жертв

Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.

В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так, физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов.

Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос.

• globallookpress.com

Американские учёные также полагают, что их краска абсолютно безвредна.

«Наружный слой ваших волос, или кутикула, выполняет защитную функцию и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы приподнять эти чешуйки и позволить молекулам краски быстро проникнуть в волосы, используются аммиак, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.

Из-за подобных манипуляций волосы постепенно истончаются. Проблему позволяет решить краска, которая покрывает волосы, но не проникает в их структуру. Однако такая краска очень быстро смывается. Как утверждают специалисты Северо-Западного университета, их изобретение позволяет справиться с обеими проблемами.

В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.

• Платье на основе графена, Манчестер, 2017 год
• Reuters

«Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине этого материала — в Манчестере. 

Graphene Infographic

We’ve put together an infographic that summarizes key properties, facts and application areas of graphene. Click to enlarge and feel free to embed and share.

Understanding graphene (click on image to enlarge). Download as PDF (13.9 MB). Share this image on your site:

Please include attribution to nanowerk.com with this graphic

The extraordinary characteristics of graphene originate from the 2p orbitals, which form the π state bands that delocalize over the sheet of carbons that constitute graphene.
Graphene has emerged as one of the most promising nanomaterials because of its unique combination of superb properties: it is not only one of the thinnest but also strongest materials; it conducts heat better than all other materials; it is a great conductor of electricity; it is optically transparent, yet so dense that it is impermeable to gases – not even helium, the smallest gas atom, can pass through it.
These amazing properties, and its multifunctionality, make graphene suitable for a wide spectrum of applications ranging from electronics to optics, sensors, and biodevices.
Graphene research has evolved into a vast field with approximately 10,000 scientific papers now being published every year on a wide range of topics.

Резюмируем — что же такое графен?

Графен на скотче

Графен — самый тонкий, самый прочный, самый теплопроводный и самый электропроводный материал при комнатной температуре.

Графен является двумерной конфигурацией графита, который имеется в стержне каждого карандаша. Когда мы пишем или рисуем карандашом, то графит слой за слоем сходит, оставаясь на бумаге. И если мы возьмем один такой слой графита, сошедшего с карандаша, то как раз получим графен.

В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов создали графен, используя лишь скотч и карандаш. Они поместили чешуйку графита на скотч, сложили скотч в два раза и разлепили скотч, разделив чешуйку. Проделав эту операцию некоторое количество раз, они получили графит толщиной всего в один атом. Это был совершенно неожиданный результат потому что считалось, что монослой графита будет химически нестабильным при комнатной температуре.

Графен проводит электроны быстрее, чем любой другой материал при комнатной температуре. Всё по причине того, что графен имеет идеальную кристаллическую структуру. Ученые до сих пор ни разу не обнаружили, чтобы какой-либо атом в структуре был не на своем месте. Поскольку в кристаллической решетке нет изъянов, то электроны не замедляются и движутся с такими скоростями, что для описания их движения требуется Специальная Теория Относительности Эйнштейна.

Структура графена

Безупречная структура создана очень прочными и гибкими связями между атомами углерода. Такая структура делает графен одновременно очень гибким и прочным, как бриллиант. Графен настолько прочен, что если взять машину, уравновесить ее на шпильке и поставить на графен, то с графеном ничего не случится.

В 2010 году Гейму и Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике за изучение графена.

На данный момент производство графена в промышленных масштабах вызывает ряд сложностей, однако этому материалу уже пророчат невероятно широкий спектр применения: это и новый материал для производства процессоров, использование графена в качестве сверхчувствительного детектора молекул, создание нового типа светодиодов на основе данного материала, средство борьбы с раком и многое другое.

Графен — материал, который изменит мир.

Многослойные пироги

Объединив несколько одноатомных слоев разного состава в многослойные гетероструктуры, можно получить сложные функциональные устройства, состоящих из нескольких элементов, выполняющих разные функции: например, для кодирования, в качестве транзисторов или солнечных батарей.
Чтобы получить такие сложные многослойные структуры, студентам из группы Константина Новоселова приходится атом за атомом с помощью вандерваальсовых пинцетов составлять нужный двумерный кристалл. В результате один слой нужного состава можно составить примерно за полдня, а на сборку некоторых сложных гетероструктур уходит до полутора недель.

Да, это только сила Ван-дер-Ваальса.

N+1: Разве эти силы не больше
обычных сил Ван-дер-Ваальса?

Нет, это те же самые силы
Ван-дер-Ваальса. Они довольно-таки
сильные. Но не бесконечно сильные,
поэтому иногда мы видим, что, например,
слои сами по себе поворачиваются.
С одной стороны, это не очень
хорошо, потому что эти повороты иногда
ломают контакты или еще что-то. А с другой
стороны, мы можем попробовать использовать
это в полезных целях. Можно представить
эту систему как наномоторчик, который
мы можем заставить поворачиваться
на микро- и наноуровне. И это само
по себе будет интересно.

Структура гетерогенного кристалла, составленного из слоев различного состава

K. S. Novoselov et al./ Science, 2016

N+1: И такое взаимодействие
будет возникать между любыми слоями?

Нужны атомарно плоские слои,
а сила притяжения зависит от их
химического состава. Между каким-то
слоями взаимодействие лучше, между
какими-то — хуже. Мы, в основном,
работаем с таким, где сильное
взаимодействие.

ПМ: А предсказать свойства
такого многослойного пирога — это
пока тяжелая задача?

Да, это всегда очень сложно
понять. Эта система сама по себе очень
сложная. Как нас учили на физтехе,
всегда нужно найти малый параметр
и им пренебречь. И нужно
определить, каким именно параметром
можно пренебречь в конкретном случае.
Это наша задача, экспериментаторов.
Мы пренебрегаем, и смотрим, получается ли
в этом случае описать поведение системы.
Если нет, то начинаем этот параметр
учитывать. Это сложный итерационный
процесс изучения новых материалов.

Александр Дубов

Возможные применения

Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.

Оксиды наноматериала

Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.

Биомедицинское применение

Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.

Индустриальное применение

Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.

Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.

Дополнительная информация. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Замена кремния в микросхемах сделает переворот в создании новых компьютеров с огромными возможностями.

Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.

Использование в автомобилестроении

Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.

Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.

Графеновый аккумулятор

Обратите внимание! Автомобилисты часто пользуются аэрогелем с графитовой смазкой. Средство покрывает тонкой плёнкой автодетали, предохраняя их от коррозии, проникая в заржавевшие резьбовые соединения

В какой-то мере это прообраз графена.

Сенсорные экраны

Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

Физика

Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.

Теория

Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.

Кристаллическая структура

Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.

Кристаллическая графеновая решётка

Зонная структура

Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.

Конусы зонной структуры

Линейный закон дисперсии

Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.

Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.

Эффективная масса

Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.

Хиральность и парадокс Клейна

Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.

Эксперимент

Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.

Проводимость

Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.

Квантовый эффект холла

Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.

Producing graphene

Graphene is indeed very exciting, but producing high quality materials is still a challenge. Dozens of companies around the world are producing different types and grades of graphene materials — ranging from high quality single-layer graphene synthesized using a CVD-based process to graphene flakes produced from graphite in large volumes.

High-end graphene sheets are mostly used in R&D activities or in extreme applications such as sensors, but graphene flakes, produced in large volumes and at lower prices, are adopted in many applications such as sports equipment, consumer electronics, automotive and more.

Цели в области устойчивого развития

1. Повсеместная ликвидация нищеты во всех её формах
2. Ликвидация голода, обеспечение продовольственной безопасности и улучшение питания и содействие устойчивому развитию сельского хозяйства
3. Обеспечение здорового образа жизни и содействие благополучию для всех в любом возрасте
4. Обеспечение всеохватного и справедливого качественного образования и поощрение возможности обучения на протяжении всей жизни для всех
5. Обеспечение гендерного равенства и расширение прав и возможностей всех женщин и девочек
6. Обеспечение наличия и рациональное использование водных ресурсов и санитарии для всех
7. Обеспечение доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех
8. Содействие неуклонному, всеохватному и устойчивому экономическому росту, полной и производительной занятости и достойной работе для всех
9. Создание прочной инфраструктуры, содействие обеспечению всеохватной и устойчивой индустриализации и внедрению инноваций
10. Снижение уровня неравенства внутри стран и между ними
11. Обеспечение открытости, безопасности, жизнестойкости и устойчивости городов и населенных пунктов
12. Обеспечение рациональных моделей потребления и производства
13. Принятие срочных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями
14. Сохранение и рациональное использование океанов, морей и морских ресурсов в интересах устойчивого развития
15. Защита, восстановление экосистем суши и содействие их рациональному использованию, рациональное управление лесами, борьба с опустыниванием, прекращение и обращение вспять процесса деградации земель и прекращение процесса утраты биологического разнообразия
16. Содействие построению миролюбивых и открытых обществ в интересах устойчивого развития, обеспечение доступа к правосудию для всех и создание эффективных, подотчетных и основанных на широком участии учреждений на всех уровнях
17. Укрепление средств достижения устойчивого развития и активизация работы механизмов глобального партнерства в интересах устойчивого развития

Сложно? Возможно. Но у ученых, кажется, есть ответ. Всего одно слово: графен. Футуристический материал с растущим набором потенциальных применений.

Графен состоит из плотно соединенных атомов углерода, выстроенных в решетке толщиной в один атом. Это делает его самым тонким веществом в мире, которое при этом в 200 раз прочнее стали, гибкое, растяжимое, самовосстанавливающееся, прозрачное, проводящее и даже сверхпроводящее. Квадратный метр графена весом всего в 0,0077 грамма может выдерживать четыре килограмма нагрузки. Это удивительный материал, что, впрочем, не удивляет ученых и технических специалистов.

Заголовки, рекламирующие графен как чудо-материал, регулярно появлялись на протяжении последних десяти лет, и переход от обещания к реальности слегка затянулся. Но это логично: чтобы новый материал нашел себя во всех сферах жизни, требуется время. Между тем эти годы исследования графена дали нам длинный список причин не забывать о нем.

С тех пор как графен впервые выделили в 2004 году в Манчестерском университете — и эта работа заслужила Нобелевскую премию в 2010 году — ученые по всему миру находили все новые способы использования и, что важно, создания графена. Одним из главных факторов, сдерживающих широкое распространение графена, было масштабное производство дешевого графена

К счастью, в этом направлении были предприняты семимильные шаги.

В прошлом году, к примеру, группа из Канзасского государственного университета применила взрывы для синтеза больших количеств графена. Ее метод прост: заполните камеру ацетиленом или этиленом и кислородом. Используйте свечу зажигания автомобиля для детонации. Соберите образовавшийся по итогу графен. Ацетилен и этилен состоят из углерода и водорода, и когда водород поглощается при взрыве, углерод свободно связывается с самим собой, образуя графен. Этот метод эффективен, потому что все, что требуется, это одна искра.

Сможет ли этот метод начать графеновую революцию, как считают некоторые, еще предстоит узнать. Что очевидно, так это то, что вместе с наступлением этой революции начнут решаться многие проблемы. Например…

Описание графена

Чтобы понять, что это такое графен, достаточно провести карандашом по бумаге. Графитовый след будет состоять из слоя кристаллов этого вещества. Грифель состоит из множества слоёв кристаллических решёток нановещества. Такой материал, как графен, представляет собой слой атомов углерода, объединённых в форму шестигранных сот.

Структура графена

На рисунке в левом нижнем углу изображен графит, его можно обнаружить в простом карандаше. Его структура выглядит, как слои торта. Прочные пласты графена перемежаются слабыми прослойками. Свёрнутые листы в виде трубки или шара называют фуллеренами. Их подразделяют на цилиндры – углеродные нанотрубки (в нижнем ряду по центру) и на сферы – бакиболсы (там же справа).

Механические методы

Графен

H^K=−iℏvFσ→⋅∇→{\displaystyle {\hat {H}}_{K}=-i\hbar v_{F}{\vec {\sigma }}\cdot {\vec {\nabla }}}

Физика графена Математическая формулировка …

Основа Квантовая механика · Уравнение Дирака · Двумерный кристалл Нейтрино · (2+1)-мерная КЭД · Постоянная тонкой структуры · Фаза Берри · Углеродные нанотрубки

Фундаментальные понятия История ·Зонная структура · Уравнение Дирака · Хиральность · Гексагональная решётка · Волновая функция · Точка электронейтральности · e-h лужи · Видимость графена · Фаза Берри · Двухслойный графен

Получение и технология Получение графена · Механическое расщепление · Химические методы получения · Эпитаксия на металлы · Подвешенный графен · Верхний затвор · Перенос графена

Применения Применение графенаГрафеновый полевой транзисторГрафеновые наноленты

Транспортные свойства Электроны и дырки · Проводимость · Фононы· Парадокс Клейна · Линза Веселаго · 1/f · Дробовой шумСлучайный телеграфный сигнал · p — n переход · Ферми-жидкость

Магнитное поле Магнетосопротивление · Осцилляции Шубникова — де Гааза · КЭХ · Спиновый квантовый эффект Холла · ДКЭХ · Осцилляции Вейса · Магнетоэкситоны · Сверхпроводимость · Слабая локализация · Эффект Ааронова — Бома

Оптика графена Рамановское рассеяние света · α

Известные учёные Андре Гейм · Константин Новосёлов · Филипп Ким · Михаил Кацнельсон

См. также: Портал:Физика

Основная статья: Механическое расщепление

Рис. 1. Кусочки тонких слоёв графита, полученные в процессе отшелушивания, на поверхности липкой ленты.

При механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит можно получить плёнки графена вплоть до ~100 мкм. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом плёнки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в заранее известных местах подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Графен можно также определить при помощи рамановского рассеяния света или измерением квантового эффекта Холла. Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Альтернативный метод предложен в работе. Метод заключается в том, что окисленную подложку кремния покрывают эпоксидным клеем (в работе использовался слой толщиной ~10 мкм) и тонкую пластинку графита прижимают к клею при помощи пресса. После удаления графитовой пластинки с помощью липкой ленты на поверхности клея остаются области с графеном и графитом. Толщину графита определяли с помощью комбинационного рассеяния света и атомно-силовым микроскопом измеряли шероховатость графена, которая оказалась равной всего 0.16 нм (в два раза меньше шероховатости графена на подложке кремния).

В статье предложен метод печати графеновых электрических схем (ранее этот метод использовался для печати тонкоплёночных транзисторов на основе нанотрубок и для органической электроники.). Сам процесс печати состоит из последовательного переноса с подложки Si/SiO₂ золотых контактов, графена и наконец диэлектрика (PMMA) с металлическим затвором на прозрачную подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) предварительно нагретую выше температуры размягчения до 170 °C, благодаря чему контакты вдавливаются в ПЭТФ, а графен приобретает хороший контакт с материалом подложки. При таком методе нанесения графена подвижность не становится меньше, хотя и появляется заметная асимметрия между электронной (μ_e=10000 см2В−1с−1) и дырочной (μ_h=4000 см2В−1с−1) областями проводимости. Этот метод пригоден для нанесения графена на любую подложку, пригодную, в частности, для оптических измерений.

How do we make graphene?

Photo: Vapor deposition is used to create a layer of graphene on another surface (known as a substrate). Picture by Warren Gretz courtesy of US Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Take a pencil and some sticky tape. Stick the tape
to the graphite, peel it away, and you’ll get a layer of graphite
made up of multiple layers of carbon atoms. Repeat the process very
carefully, over and over again, and you’ll (hopefully) end up with
carbon so thin that it’ll contain just one layer of atoms. That’s
your graphene! This rather crude method goes by the technical
name of mechanical exfoliation.
An alternative method involves loading up a super-precise
atomic force microscope with
a piece of graphite and then rubbing it very precisely on something
so that single layers of graphene flake off, a bit like graphite
from a pencil lead only one layer at a time. Techniques like this are
fiddly and intricate and explain why graphene is currently the
most expensive material on the planet!

What is Graphene?

Graphene is a lightweight guest OS, designed to run a single
application with minimal host requirements. Graphene can run applications in an
isolated environment with benefits comparable to running a complete OS in
a virtual machine — including guest customization, ease of porting to
different OSes, and process migration.

Graphene supports native, unmodified Linux applications on any platform.
Currently, Graphene runs on Linux and Intel SGX enclaves on Linux platforms.

With Intel SGX support, Graphene can secure a critical application in
a hardware-encrypted memory region. Graphene can protect applications
from a malicious system stack with minimal porting effort.

Our papers describe the motivation, design choices, and measured performance of
Graphene: