Grafén — a kétdimenziós szén: definíció, tulajdonságok és alkalmazások

Grafén — fedezze fel a kétdimenziós szén definícióját, kiemelkedő tulajdonságait és alkalmazásait az elektronikától az energiatárolásig és anyagtudományig.

A grafén a szén egyik formája. A gyémánthoz és a grafithoz hasonlóan a szén különböző kristályszerkezetű formái (vagy "allotrópjai") eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. A grafén a 2D (kétdimenziós) alapformája számos 3D allotrópnak, például a grafitnak, a szénnek, a fullerénnek és a szén nanocsöveknek.

Definíció és szerkezet

A grafén kifejezést Hanns-Peter Boehm alkotta meg a grafit és az "-ene" utótag kombinációjaként, aki 1962-ben írta le az egyrétegű szénfóliákat. A grafén atomvastag, sík réteg, amelyben a szénatomok hatszögű, méhsejt-szerű rácsot alkotnak. Minden szénatom három szomszédhoz kapcsolódik sp2 hibridkötéssel, a negyedik elektron pedig delokalizált pí-kötésként járul hozzá a vezetőképességhez és az elektronikai tulajdonságokhoz.

Alapvető fizikai és kémiai tulajdonságok

• Mérete és vastagsága: egyetlen atomrétegű anyag — minden réteg ~0,34 nm vastag.
• Szerkezeti szilárdság: a grafén rendkívül erős; a Young-modulus értéke közel 1 TPa, szakító szilárdsága ~130 GPa.
• Elektronikai tulajdonságok: a grafén vezetőképessége kivételes: a töltéshordozók viselkedése a rácsban a Dirac-kúpok miatt hasonlít a tömeg nélküli relativisztikus részecskékéhez, ami nagyon nagy mobilitást eredményezhet (kísérleti körülmények között akár 200 000 cm2/Vs nagyságrendű értékek is mérhetők).
• Hővezetés: a grafén hővezetése rendkívül magas (több ezer W/mK), ezért hatékony hőelvezető anyag lehet.
• Optikai tulajdonságok: egyetlen grafénréteg kb. 2,3% fényt nyel el a látható tartományban, így egyszerre átlátszó és vezető.
• Gázáteresztés: tömör, jól záró réteg — egy hibátlan grafénlap gyakorlatilag átjárhatatlan a gázok és folyadékok számára.
• Sávszélesség: a tökéletes monolayer grafén gyakorlatilag nincs sávszélessége (zero bandgap), ami előnyös a vezetőképesség szempontjából, de hátrány az olyan alkalmazásoknál, ahol ki- és bekapcsolható elektród szükséges (pl. hagyományos tranzisztoroknál).

Előállítási módszerek

A grafén előállítása többféle technikával történhet, mindegyiknek megvannak az előnyei és korlátai:

• Mechanikai leválasztás: az úgynevezett "scotch tape" módszerrel (exfoliáció) nagyon jó minőségű monolayer grafén készíthető laboratóriumi körülmények között, de nem skálázható ipari mennyiségre.
• CVD (Chemical Vapor Deposition): gázfázisú lerakódással fém hordozófelületeken (pl. réz, nikkel) nagy területű, relatíve jó minőségű grafén állítható elő, amelyet utólag hordozóra lehet vinni.
• Epitaxiális növesztés SiC-on: magas hőmérsékleten a szilícium-karbid felületén grafit/grafén rétegek alakulnak ki, ami integrációs előnyt adhat elektronikai alkalmazásokhoz.
• Grafén-oxid redukciója: kémiai vagy hőkezeléssel grafén-oxidból (GO) redukált grafén állítható elő; ez olcsóbb és nagyobb mennyiségben skálázható, de a visszamaradó hibák és funkcionális csoportok rontják az elektromos és mechanikai tulajdonságokat.

Alkalmazások

A grafén sokféle területen ígéretes megoldásokat kínál:

• Elektronika és optoelektronika: átlátszó, vezető elektródák, gyors tranzisztorok (különösen RF és analóg alkalmazások), fotodetektorok és optikai modulok.
• Energiatárolás és -átadás: akkumulátorok és szuperkondenzátorok elektrodáinak javítása — nagy felületi terület és jó vezetőképesség előnyös a kapacitás és töltési sebesség növeléséhez.
• Kompozitok és szerkezeti anyagok: műanyagok, fémek és kerámiák megerősítése; kisebb tömeg mellett nagyobb mechanikai teljesítmény.
• Szenzorok: gáz- és biológiai szenzorok, ahol a nagy felületi terület és érzékenység lehetővé teszi az alacsony koncentrációk detektálását.
• Membrántechnológiák: vízszűrés, sóeltávolítás és gázszeparáció — a grafén- és grafén-oxid rétegek szelektív áteresztést tesznek lehetővé.
• Orvosi és biotechnológiai alkalmazások: gyógyszerhordozók, bioszenzorok és sejtinterfészek; azonban itt fontos a biokompatibilitás és a toxicitás alapos vizsgálata.
• Katalízis és felületfunkcionalizálás: elektrokatális felületek, üzemanyagcellák kiegészítő anyagai.

Történeti jelentőség és kutatás

Hárommillió grafénlap egymásra helyezve grafittá válna, és mindössze egy milliméter vastag lenne. A 2010. évi fizikai Nobel-díjat Sir Andre Geim és Sir Konsztantyin Novoszelov kapta "a kétdimenziós anyaggal, a grafénnel kapcsolatos úttörő kísérletekért". Azóta a grafén kutatása intenzíven folyik mind alapkutatás, mind alkalmazott fejlesztések terén.

Kihívások és korlátok

• Skálázhatóság és minőségellenőrzés: ipari léptékű, költséghatékony és egyenletes minőségű grafén-előállítás még mindig kihívás.
• Hibák és szennyeződések: rácshibák, szemcsés határok és felületi szennyeződések rontják az ideális tulajdonságokat.
• Integráció: a grafén beillesztése meglévő gyártási folyamatokba és eszközökbe technológiai és gazdasági problémákat vet fel.
• Biztonság és környezeti hatás: a nanoméretű anyagok egészségügyi és környezeti kockázatai még nem minden tekintetben tisztázottak; szükséges a szabályozás és hosszú távú vizsgálatok kiterjesztése.

Összegzés

A grafén egy különleges, atomvastag szénalapú anyag, amely kivételes mechanikai, elektromos és hővezetési tulajdonságokkal rendelkezik. Számos potenciális alkalmazása van az elektronikától az energiatermelésig és -tárolásig, de a széleskörű ipari elterjedést a megbízható és olcsó előállítás, valamint a minőségellenőrzés és integrációs problémák megoldása feltételezi.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a grafén?

K: Hogyan kapcsolódik a grafén a grafithoz?

K: Ki alkotta meg a "grafén" kifejezést?

K: Miért kapta meg Sir Andre Geim és Sir Konstantin Novoselov a 2010. évi fizikai Nobel-díjat?

K: Melyek a grafén lehetséges alkalmazásai?

K: Milyen más formái vagy allotrópjai vannak a szénnek a grafénen kívül?

Keresés betűvel