Электропроводность графена: Уникальные свойства графена. Электропроводность, теплопроводность, прочность.

Графеновая революция: Часть 2 | Блог COMSOL

В предыдущем топике обсуждались некоторые необычные свойства графена. Тот факт, что графен состоит из единственного слоя атомов означает, что аспектное отношение сторон любой структуры на основе графена может быть очень высоким. Высокие геометрические аспектные соотношения получаемых структур вызывают при моделировании целый ряд трудноразрешимых проблем.

Тепловое моделирование графена

Среда COMSOL предоставляет широкий выбор диапазон инструментов, способных помочь при моделировании особых областей с очень высоким аспектным отношением. Недавно, в среде COMSOL было выполнено термическое моделирование мозаичных графеновых структур, которое появилось в Nature Communications: «Мозаичные графеновые структуры для управления тепловым режимом GaN транзисторов большой мощности». Авторы статьи используют среду COMSOL Multiphysics для демонстрации того, что локальное тепловое управление гетеропереходом AlGaN/GaN полевого транзистора может быть существенно улучшено посредством введения дополнительных теплоотводящих каналов — поверхностных распределителей тепла — изготовленных из слоистого графена (few-layer graphene — FLG). Интерфейс

Теплопередача COMSOL Multiphysics позволяет вам моделировать очень высокое аспектное отношение объектов, используя функцию Высокопроводящий слой (Highly Conductive Layer) . Этот компонент позволяет решать уравнение теплопроводности только в касательной плоскости, таким образом избавляя от необходимости использовать очень мелкую сетку при высоком аспектном отношении слоев. При использовании такого подхода существенно сокращаются время вычислений и требования к памяти.

Окно настроек для функции Высокопроводящий слой.

Электрическое моделирование графена

Среда COMSOL была использована для исследования электрических характеристик графена еще в 2006 году. В данной статье ученые использовали среду COMSOL для вывода значений электропроводности композитного материала на основе графена как в плоскости слоя, так и в поперечном направлении. Предоставление тензорных величин электропроводности в среде COMSOL Multiphysics реализовано очень удобно. Вам просто нужно ввести элементы тензора проводимости, которые могут быть функциями температуры или любой другой величины.

В настройках окна функции Сохранение тока (Current Conservation) в интерфейсе Электрические токи, можно легко задать анизотропную электропроводность.

Структурное моделирование графена

Среда COMSOL может также использоваться для моделирования конструкционных применений графена. В этой статье ученые вычислили прогиб и деформацию в графеновой мембране, вызванные разностью давлений по различные стороны мембраны. Изменения в зонной структуре могут быть обнаружены электрически, что свидетельствует о возможности применении такого устройства в качестве сверхчувствительного датчика давления. Интерфейс Оболочка (Shell), имеющийся в модуле Механика конструкций, предназначен для структурного анализа тонкостенных конструкций и, следовательно, идеально подходит для таких применений. Формализм, использованный в интерфейсе Оболочка, представляет собой тип формулировки Миндлина-Рейсснера, что позволяет учитывать деформации поперечного сдвига. Это означает, что результаты с высокой степенью точности могут быть получены без применения сетки для очень тонкой структуры.

Окно настроек для материальной модели в интерфейсе Оболочка.

Соответствующий пример

Теперь, когда мы ознакомились с концепциями теплового, электрического и структурного моделирования, вы могли бы задаться вопросом, а существует ли один большой пример, который демонстрирует все аспекты сразу. Такой пример есть — он располагается в Библиотеке приложений, а также приводится ниже.

Модель разонагревания электрической цепи накаливания, демонстрирующая концепции теплового, электрического и структурного моделирования.

В этом мультифизическом примере анализируется электрическое выделение тепла, теплообмен и механические деформации устройства в электрической цепи накаливания. Модель использует интерфейс Теплопередача соответствующего модуля в сочетании с интерфейсами Оболочка и Постоянный ток в проводящей среде (Conductive Media DC) из модуля AC/DC, и интерфейсами Твердое тело, Напряжения-Деформации и Оболочка из модуля Механика конструкций.

Как графен, только из фосфора / Хабр

Учёные активно изучают возможности получения новых материалов, аналогичных графену, — состоящих из слоя вещества толщиной в один атом. Существенный прогресс в последнее время был продемонстрирован в получении фосфорена — материала, состоящего из одного слоя атомов фосфора.

Кристаллическая структура фосфорена (Credit: Han Liu et al.)

В январе этого года были опубликованы работы сразу двух независимых групп, американской и китайской, которым удалось значительно продвинуться в получении фосфорена. Получают фосфорен из так называемого чёрного фосфора — слоистого материала, похожего на графит, из которого получают графен. Чёрный фосфор известен с 1960-х годов, но только в 2013 году начались попытки выделить из него отдельный слой. В работах, о которых идёт речь, чёрный фосфор был очищен до толщины в два — три атомных слоя. Интересно, что, как и при первом получении графена в 2004 году, для снятия лишних слоёв использовалась банальная липкая лента.

Внешний вид чёрного фосфора (Credit: Theodore W. Gray)

Получение новых материалов, состоящих из одного слоя атомов различных веществ, стало в последние годы одним из заметных направлений в материаловедении. Учёные даже окрестили этот тренд «постграфеновой эрой».

Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, обладает уникальными свойствами, делающими его практически идеальным для использования в электронных устройствах. В частности, графен отличается исключительно высокой подвижностью электронов, то есть хорошо проводит электричество, а также тепло. Проблема заключается в том, что в графене отсутствует так называемая запрещённая зона — интервал энергий, которые электрону иметь запрещено. Наличие такой зоны крайне желательно, поскольку она является основой всей современной полупроводниковой электроники, позволяя создавать такие важнейшие элементы, как диоды и транзисторы.

Именно поэтому активно идут поиски веществ с высокой подвижность электронов, и одновременно с наличием запрещённой зоны. Поскольку высокая электропроводность графена во многом связана с его двумерной, плоской структурой, то и новые материалы ищут среди тех веществ, которые способны образовать двумерную сетку. В июле 2013 года путём численного моделирования удалось обнаружить 92 кандидата в такие материалы, но их экспериментальное получение оказалось связанным с большим количеством сложностей.

Как и графен, фосфорен состоит из шестиугольников, но не является полностью плоским — некоторые атомы находятся чуть выше плоскости, другие — чуть ниже. Это, однако, несильно замедляет электроны по сравнению с графеном. В то же время фосфор обладает запрещённой зоной, позволяющей ему в разных условиях то проводить ток, то нет.

Ещё одна иллюстрация кристаллической структуры фосфорена (Credit: Likai Li et al.)

Несмотря на то что достичь толщины в один слой, то есть получить чистый фосфорен, пока не удалось, учёные полны оптимизма. Например, было показано, что даже в полученных образцах скорость движения электронов сравнима с другим кандидатом в «постграфены» — дисульфидом молибдена, состоящим из атомов серы и молибдена. При этом наличие в структуре фосфорена атомов только одного вещества — фосфора, — а не двух, делает новый материал более привлекательным с точки зрения простоты изготовления.

Фосфорен не единственный аналог графена, состоящий из одного сорта атомов. Ранее удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен. Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны. Теоретически, более интересным кандидатом является станен — одноатомный слой олова, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, все равно пока не позволяют использовать этот материал в реальных устройствах. Фосфорен должен быть более стабильным, чем его конкуренты, но его производство сложнее: для получения чёрной модификации фосфор высокой чистоты требуется помещать под огромные давления. Процесс дальнейшего снятия слоёв также пока не оптимизирован.

В любом случае сама возможность получения двумерного материала с запрещённой зоной является достаточно привлекательной для продолжения исследований в этой области, а потенциальный коммерческий успех обещает покрыть любые временные затраты.

При подготовке текста использованы материалы Nature News.

Может ли графен конкурировать с медью по электропроводности?

Эта статья является частью исследовательского блога Bosch

Откройте для себя всю серию

Соавтор: Лео Рицци Графен, атомарно тонкий углеродный слой с гексагональным расположением атомов углерода, известен своими выдающимися электрическими свойствами на наноуровне. . Электропроводность чистого однослойного графена может быть на 70% выше, чем у меди. В течение многих лет я задавался вопросом, что возможно в макромасштабе для графеновых пленок и волокон. Поэтому мой аспирант Лео Рицци тщательно исследовал эту тему за последние 3 года с помощью моделирования и экспериментальной проверки. Результат его работы открывает новые пути увеличения электропроводности графена в макроскопическом масштабе до 70-80% его электропроводности в наномасштабе.

В 1962 г. Böhm et al. опубликовали снимки углеродной фольги, полученные с помощью электронной сканирующей микроскопии, и назвали однослойную углеродную фольгу «Графен». В 2004 г. Гейм и соавт. опубликовали о синтезе однослойного графена с помощью скотча для удаления графена слой за слоем графена с графитовой чешуйки, пока не останется только один слой графена. С тех пор графен стал одной из самых горячих научных тем, привлекающих значительный интерес и финансирование во всем мире.

Уже проведено множество исследований наноразмерных применений графена. В последние годы также растет интерес к исследованиям для макроскопических приложений. Отправной точкой для синтеза макроскопического графена обычно является порошок графена, диспергированный в жидкости. Волокна или пленки получают из такой дисперсии путем специальной обработки, такой как мокрое прядение или фильтрация. Соответствующее легирование увеличивает электропроводность от прибл. 1 МС/м до прибл. 15 мс/м. Это все еще значительно ниже 100 MS/м для одного слоя графена. Эта разница является источником моей мотивации понять, что может быть возможно в лучшем случае.

Мы смоделировали небольшие фрагменты графеновой пленки как слоистый материал, состоящий из случайно распределенных, но параллельных в плоскости слоев графена. Наша модель позволяет нам манипулировать средним размером и распределением по размерам, а также использовать произвольную плотность упаковки. Важным параметром является пространственное распределение внутри слоя, которое варьируется от полностью однородного до сильно сгруппированного графена. Каждая чешуйка приобрела индивидуальную, но равномерную электрическую проводимость в плоскости.

Затем мы рассмотрели перекрытие между чешуйками, введя электрическую проводимость вне плоскости и настроив электрическую сеть с узлами и ребрами, как показано на рисунке ниже. В исследованиях систематических параметров мы определили, что минимально необходимый размер системы составляет 30 слоев и 40 000 графеновых чешуек всего.

Мартин и Лео проводят исследования по вопросу, сколько остается от высокой электропроводности графена в макроскопических пленках или филаментах. Схематическая диаграмма электрической сети с узлами и ребрами для моделирования ситуации в графеновом проводнике.

Наши результаты показывают, что есть два основных параметра для получения высокой электропроводности макроскопического графена. Крайне важно иметь высокую электрическую проводимость в плоскости большинства чешуек графена. Значение электропроводности в плоскости определяет максимально возможную проводимость. Конечно, также необходимо достичь приемлемой внеплоскостной электропроводности. Тем не менее, латеральный размер чешуек графена в определенной степени компенсирует меньшую внеплоскостную проводимость из-за большей площади перекрытия и меньшего контактного сопротивления, как показано на диаграмме ниже. Предполагаемая проводимость в плоскости, используемая в расчетах диаграммы, составляет 100 МС/м.

На диаграмме показаны зависимости между размером латеральных чешуек, внеплоскостной проводимостью и общей электропроводностью.

Соответствующая настройка этих трех основных параметров позволит превзойти все проводники на металлической основе.

Экспериментальная проверка в диапазоне низкой электропроводности показывает хорошее соответствие результатам моделирования, как показано на диаграмме ниже. Линии представляют результаты моделирования, а кружки — экспериментальные результаты.

На диаграмме показана экспериментальная проверка в диапазоне низкой электропроводности. Линии представляют результаты моделирования, а кружки — экспериментальные результаты. (Риззи Л., Виджая А.Ф., Паланисами Л.В., Шустер Дж., Кёне М. и Шульц С.Е. (2020). Количественная оценка влияния наноструктуры графеновой пленки на макроскопическую электропроводность. Nano Express, 1( 2), 020035, DOI:10.1088/2632-959x/abb37a)

При соответствующем легировании обеспечивается проводимость в плоскости 100 МС/м для чешуек графена с размером чешуек в десятки микрометров, макроскопический графен может достигать электропроводность до 80 мСм/м. Проводник на основе графена с электропроводностью 80 МС/м позволяет значительно повысить эффективность, вес, а также уменьшить объем и позволяет создавать новые конструкции трансмиссии для электромобилей.

Автор: Мартин Кёне

Мартин является руководителем проекта Bosch Research по разработке разрушающих проводниковых материалов для электромобилей. Его текущая работа направлена ​​на улучшение профилей свойств углеродных нанотрубок или проводников на основе графена до уровня, при котором они смогут заменить медь в электрических силовых агрегатах.

Подробнее о Мартине

Мартин в Google Scholar

Мартин в ResearchGate

Мартин в Orcid

Соавтор : Leo Rizzi

Исследование Электрифицированная мобильность

• Электрифицированная мобильность и системы

  Узнайте больше

• Bosch Research Blog

  .

  Узнать больше

Графен — Energy Education

Energy Education

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Одиночный слой атомов углерода, образующих гексагональную «сотовую» структуру, образующую графен ^[1] .

Графен представляет собой кристаллическую форму углерода толщиной в один атом. Структура графена организована в шестиугольную (сотовую) форму и может существовать в природе в виде стопки графита или древесного угля. Графен также образует фундаментальные структурные единицы графеновых нанотрубок. Графен наиболее известен своей превосходной прочностью на растяжение, прозрачностью для света и высокой электро- и теплопроводностью 9. 0080 [2] . Он имеет чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к весу, что отвечает за многие его свойства.

Свойства

Электрическая и теплопроводность графена является одной из самых высоких среди всех известных элементов при комнатной температуре. Теплопроводность — это скорость, с которой тепловая энергия может передаваться через материал. Площадь поверхности – это общая площадь граней объектов. Электрическое сопротивление графена является одним из самых низких среди всех известных материалов при комнатной температуре. Его можно определить как легкость, с которой электроны могут проходить через материал. Графен также имеет очень высокую прозрачность для света, поглощая только 2,3% всего проходящего через него белого света. В настоящее время графен очень дорог, но, по прогнозам, к 2022 году его цена упадет в 4 раза (9).0084 цитировать? ).

Таблица 1. Площадь поверхности, сопротивление и теплопроводность графена, меди и серебра ^{[3] [4]} .

Области применения

Электроника : Графен имеет низкое электрическое сопротивление, что позволяет использовать его в экранах ЖК-дисплеев, транзисторах и электрических схемах. Графен также применяется в солнечных элементах из-за его высокой оптической прозрачности.

Аккумулятор энергии : Благодаря большой площади поверхности графена и низкой электропроводности его можно применять в качестве электродов в суперконденсаторах и литий-ионных батареях ^[5] .

Перегонка : графен с порами одинакового размера используется при перегонке этанола и опреснении воды ^[6] .

Медицинский : Из-за все более удешевления методов производства ученые предложили использовать графен для обнаружения микробов ^[7] .

Производство

Графен можно производить различными способами. В настоящее время самыми дешевыми методами производства графена являются лазерная гравировка графена, струйная печать, термическое восстановление оксида графена, а также химическое осаждение графена.

Образец графена с лазерной разметкой в ​​лаборатории Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе ^[8] .

Графен с лазерной гравировкой

Графен с лазерной гравировкой получают путем заливки оксида графена на DVD-диск с пластиковым покрытием и оставляют для сушки. После сушки графен и DVD-диск вставляются в устройство записи DVD LightScribe. DVD-рекордер излучает излучение на оксид графена, расщепляя связи между углеродной и кислородной группами. Графен является продуктом этой реакции, и его можно увидеть по изменению цвета со светло-коричневого на черный на DVD 9.0080 [8] .

Струйная печать и термическое восстановление графена

Графен, полученный методом струйной печати, использует растворенный в воде оксид графена в качестве «чернил» для принтера. Размер частиц коммерчески доступного оксида графена намного больше размера внутреннего диаметра сопла. Это приводит к засорению сопла, препятствующему прохождению частиц. Это смягчается путем фильтрации графена с помощью шприца mylex и бомбардировки молекул оксида графена звуковыми волнами для уменьшения размера частиц. Затем раствор оксида графена загружается в картридж для распыления. Крошечные капли, создаваемые соплом, печатаются на жестяном листе и помещаются в печь. Печь добавляет тепловую энергию к оксиду графена, отщепляя атом кислорода, производя графен 9.0080 [9] .

Химическое осаждение графена из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы — это процесс, при котором атомы углерода связываются с нижележащим слоем (металлической подложкой) при очень высоких температурах. Когда атом углерода связывается с материалом, он занимает положение в пространстве на поверхности материала. Атомы углерода отталкивают друг друга, когда они связываются с нижележащим слоем. Как только каждая позиция в нижележащем слое заполнена, формируется непрерывный слой атомов углерода толщиной в один атом. Затем температура снижается, и атомы углерода образуют связи друг с другом, создавая лист графена 9.0080 [10] .

Углеродные нанотрубки

Графен используется для создания углеродных нанотрубок, которые представляют собой небольшие полые волокна с самой высокой прочностью на растяжение, известной человеку. На данный момент они чрезвычайно дороги, но будущие области применения включают легкие бронежилеты, сверхпрочное углеродное волокно и даже небольшие и легкие провода для передачи электричества.

Для дополнительной информации

• Графит
• Проводник
• Углерод
• Резистор
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ H. Zhang et al., «Послойная струйная печать изготовления композитной пленки из восстановленного полиоксометаллата графена для химических датчиков», Phys. хим. хим. физ. , том. 14, нет. 37, стр. 12757–12763, октябрь 2012 г.
2. ↑ Y. Song, H. Yang, Y. Wang, S. Chen, D. Li, S. Zhang и X. Zhang, «Контроль сборки оксида графена с помощью электролита», Nanoscale, vol. . 5, нет. 14, стр. 6458–63, июль 2013 г.
3. ↑ G. C. Chinchen et al., «Измерение площади поверхности меди с помощью реактивной фронтальной хроматографии», J. Catal ., vol. 103, нет. 1, стр. 79–86, январь 1987 г.
4. ↑ Дж. Э. Шредер, Д. Поули и Х. Дж. Сейм, «Серебряный порошок с большой площадью поверхности в качестве кислородного катализатора».
5. ↑ М. Д. Столлер, С. Парк, Ю. Чжу, Дж. Ан и Р. С. Руофф, «Ультраконденсаторы на основе графена», Nano Lett., vol. 8, нет. 10, стр. 3498–502, октябрь 2008 г.
6. ↑ Д. Коэн-Тануги и Дж. К. Гроссман, «Опреснение воды с помощью нанопористого графена», Nano Lett.