Hva er forskjellen mellom grafen og grafitt?

Et bemerkelsesverdig kjemisk grunnstoff, karbon er et som beleilig ligger på nummer 6 i den fjortende gruppen av den andre perioden av det periodiske systemet for kjemiske elementer. Siden antikken har folk kjent diamant og grafitt, to av de mer enn ni allotropiske modifikasjonene av dette elementet som er oppdaget så langt. Forresten, det er karbon som har det største, sammenlignet med andre stoffer, antall allotropiske modifikasjoner kjent for moderne vitenskap.

Allotropi innebærer muligheten for eksistensen i naturen av det samme kjemiske elementet i form av to eller flere enkle stoffer, de såkalte allotropiske formene eller allotropiske modifikasjoner, som forårsaker forskjeller i disse stoffene både i struktur og egenskaper. Så, karbon har 8 slike grunnleggende former: diamant, grafitt, lonsdaleite, fullerener (C60, C540 og C70), amorft karbon og enkeltvegget nanorør.

Blant disse formene for karbon er det helt andre egenskaper og karakter: mykt og hardt, gjennomsiktig og ugjennomsiktig, billige og dyre stoffer. La oss imidlertid sammenligne to lignende karbonmodifikasjoner - grafitt og grafen.

Vi er alle kjent med graffiti siden skolen.Ledningen til en vanlig blyant er nøyaktig grafitt. Det er ganske mykt, glatt og fettete å ta på, krystallene er plater, lagene med atomer er plassert over hverandre, derfor flasser enkelt flak av den lagdelte krystallstrukturen av grafitt enkelt av når du gnider, for eksempel på papir. , og etterlater et karakteristisk mørkt spor på papiret.

Grafitt leder elektrisk strøm godt, motstanden er i gjennomsnitt 11 Ohm * mm2 / m, men ledningsevnen til grafitt er ikke den samme på grunn av den naturlige anisotropien til krystallene. Dermed er ledningsevnen langs krystallplanene hundrevis av ganger høyere enn ledningsevnen i disse planene. Tettheten av grafitt er fra 2,08 til 2,23 g / cm3.

I naturen dannes grafitt ved høye temperaturer i magmatiske og vulkanske bergarter, i skarner og pegmatitter. Det forekommer i kvartsårer med mineraler i hydrotermiske polymetalliske avsetninger med middels temperatur. Det er vidt distribuert i metamorfe bergarter.

Siden 1907 har dermed verdens største reserver av naturlig flakgrafitt blitt utviklet på øya Madagaskar. Øya består av prekambriske metamorfe bergarter som stiger til overflaten i et fjellterreng med hypsometriske merker på 4000-4600 fot. Grafitten finnes her i et belte som er 400 mil langt og dominerer fjellene i den østlige delen av sentrum av øya.

Grafen, i motsetning til grafitt, har ikke en bulkkrystallstruktur; den har et todimensjonalt sekskantet krystallgitter, bare ett atom tykt. I en slik allotrop modifikasjon forekommer ikke karbon naturlig i det hele tatt, men kan teoretisk oppnås kunstig. Vi kan si at et fly med vilje skilt fra den flerlags bulkkrystallstrukturen til grafitt vil være nettopp denne grafenen.

Forskere var i utgangspunktet ikke i stand til å skaffe grafen i form av en enkel todimensjonal film, på grunn av ustabiliteten til materie i denne formen. På et silisiumoksidsubstrat (på grunn av bindingen med det dielektriske laget) var det imidlertid fortsatt mulig å oppnå ett atom-tykt grafen: i 2004 publiserte russiske forskere Andrey Geim og Konstantin Novoselov fra University of Manchester en rapport i Science på å skaffe grafen på denne måten.

Og selv i dag er slike enkle metoder for å skaffe grafen for forskning, som mekanisk peeling av et karbonmonolag fra en bulk grafittkrystall ved bruk av selvklebende tape (og lignende metoder), rettferdiggjort.

Forskerne tror at takket være deres fremgang vil det snart dukke opp en ny klasse grafenbasert nanoelektronikk, der felteffekttransistorer vil være mindre enn 10 nm tykke. Faktum er at mobiliteten til elektroner i grafen er så høy (10 000 cm2 / V * s) at det ser ut til å være det mest lovende alternativet til konvensjonelt silisium i dag.

Høy bærermobilitet er elektroners og hulls evne til å reagere ekstremt raskt på effekten av påførte elektriske felt, og dette er ekstremt viktig for felteffekttransistorer, den grunnleggende driftsenheten til moderne elektronikk.

Det er også utsikter til å lage ulike biologiske og kjemiske sensorer, samt tynne filmer for solcelleapparater og berøringsskjermer. Til tross for alt dette er den termiske ledningsevnen til grafen 10 ganger høyere enn for kobber, og dette kriteriet er alltid veldig viktig for elektronikk.