1

Γραφένιο: Θεωρία και Εφαρμογές

«Σεμινάριο Φυσικής»Μπίκα Αικατερίνη

8.5.2012ΣΕΜΦΕ-ΕΜΠ

Chemical Vapor Deposition, Graphene Foam, SEM

ΤΙ ΘΑ ΔΟΥΜΕ ΣΗΜΕΡΑ;• Aπό μm σε nm• Τι είναι το γραφένιο; • Ανακάλυψη και έρευνα• Ηλεκτρονικές ιδιότητες• Νανολωρίδες γραφενίου• Εφαρμογές• Μαγνήτιση• Μηχανικές ιδιότητες

2

Από μm σε nm

3

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΓΡΑΦΕΝΙΟ;

ΓραφίτηςΤα επίπεδα άνθρακα συγκρατούνται μεταξύ τους με

ασθενείς δυνάμεις Van der Waals

4

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΓΡΑΦΕΝΙΟ;•Άτομα άνθρακα: υβριδισμός •σ και π δεσμοί• σ δεσμοί στις 2D

5

ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟΝ ΑΝΘΡΑΚΑ: ΠΟΙΚΙΛΟΜΟΡΦΙΑ

6

ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣChemical vapor deposition (CVD) σε λεπτά φύλλα μετάλλου«Επιταξιακή» ανάπτυξη (epitaxial growth) πάνω σε μονοκρύσταλλους –SiCOξείδωση- «απολέπιση» –αναγωγή (Oxidation-exfoliation-reduction) σκόνης γραφίτη«Unzipping» carbon nanotubes (CNTs)

7

8

Scanning Electron Microscopy (SEM), επίπεδα γραφενίου

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ• Νεολιθική εποχή ~4000 BC: Στη σημερινή

Βουλγαρία και Ρουμανία χρησιμοποιούσαν γραφίτη για τη διακόσμηση κεραμικών

• 1565 :ανακάλυψη μεγάλων ποσοτήτων γραφίτη (Cumbria, England)

• 1946 : πρώτη θεωρητική ανάλυση γραφίτη από τον P. R. Wallace

• Στρώσεις γραφίτη πάνω σε άλλα υλικά από το 1970

• 2004 : Οι Andre Geim και Κonstantin Novoselov απομονώνουν στρώματα γραφενίου2010: Βραβείο Nobel για Geim και

Novoselov CNTs SEM9

ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝ Άρθρα για το Γραφένιο

Άρθρα του Andre Geim

10

11

Φορείς με μοναδικές ιδιότητες (κινητικότητα, ενεργός μάζα, σκέδαση)

Εξαιρετικός συνδυασμός μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων

Γραμμική σχέση διασποράς: «σχετικιστικά» φαινομένα σε μη-σχετικιστικές ταχύτητες

Πληθώρα εφαρμογών

Επίπεδα γραφενίου, SEM Cross section highly reduced graphene oxideAmin Salehi-Khojin et al., Advanced Materials 2011

ΓΡΑΦΕΝΙΟ: HMI-METAΛΛΟ•Φορείς συμπεριφέρονται σαν άμαζα φερμιόνια Dirac, αλλά με uf << c :

Ε(K) γραμμική διασπορά

0

Σχετικιστική ενέργεια

Σημείο Dirac

12

ΜΗΔΕΝΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΧΑΣΜΑ: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ

ARPES: Angle Resolve Photoemission SpectroscopyEli Rotenburg et al., Berkeley Lab 13

3.Μέση ελεύθερη διαδρομή (mean free path) μερικά μm

• Βαλλιστική διάδοση φορέων

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΦΟΡΕΩΝ

ν=1,2,3,… κβαντισμένο μέγεθος

1.Integer Quantum Hall Effect: παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου και σε χαμηλές Τ η αγωγιμότητα Hall :

2.Κlein Paradox: αν δυναμικό που εφαρμόζεται ~ eV τότε Τ≈1

14

ΝΑΝΟΛΩΡΙΔΕΣ ΓΡΑΦΕΝΙΟΥGraphene Nanoribbons (GNRs) με άκρα:

«unzpipping» CNTs

Στη πραγματικότητα: τα άκρα είναι «μίγμα» armchair & zigzag •Τραχύτητα/ανομοιομορφία κρίσιμος παράγοντας

θέλουμε έλεγχο 15

Ενεργειακό χάσμα (Eg) νανολωρίδων μεταβάλλεται σύμφωνα με:

ΝΑΝΟΛΩΡΙΔΕΣ: ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΤΗΤΑ KAI ΗΜΙΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ

Scanning Tunneling Microscope (STM) lithography

Caterina Soldano et al., Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales

16

FET (Field- Effect Transistor)Θέλουμε:1. γρήγορη ανταπόκριση2. ξεκάθαρο On/off3. μη-μηδενικό4.Φορείς μεγάλη κινητικότητα, μ

TRANSISTORS

ΜΟSFET (metal-oxide-semiconductor FET)

Γιατί το γραφένιο;1. μ~15000 2. Έυκολα ρυθμιζόμενο

μέγεθος γέφυρας3. Υψηλή πυκνότητα

ρεύματος4. Μικρότερο

17

TRANSISTORS

Chinese Academy of Sciences, 2010

Frank Schwierz et al,Nature,2010 18

Spin

ΝΑΝΟΛΩΡΙΔΕΣ: MAΓΝΗΤΙΣΗΣιδηρομαγνητισμός

κατά μήκος των άκρων

Όμως στο σύνολο:

1. Αντισιδηρομαγνητισμ

ός2.Μαγνητική ροπή=0Spin

19

SPINTRONICS

•Son et al (2006): Εξωτερικό ηλεκτρικό μεδίο ημι-μεταλλικότητα

Μεταλλικές καταστάσεις με S +μονωτικές καταστάσεις με S’

Δυνατή η «χειραγώγιση» spin με ηλεκτρισμό

Electronics qSpintronics s

20

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

ΕύπλαστοΗλεκτρονικές, οπτικές, και φωνονικές ιδιότητες μπορούν να μεταβληθούν έντονα με παραμορφώσειςΤάση μεταβολή ενεργειακών ζωνών

Οξείδιο του γραφενίουΑ. σκληρό, εύπλαστο, διαφανές και μονωτικόΒ. πορώδες, εύθραυστο, αδιαφανές, και μεταλλικό R.Nair et al, Manchester

21

22

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ – ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣBreaking strength ~ 40 N/m πολύ μεγάλη μηχανική αντοχήΘερμική αγωγιμότητα (σε Θερμ.δωμ)Θερμοκρασία τήξης; Μετάβαση φάσης;

Εικόνα TEM από επίπεδα γραφενίου που διπλώθηκαν το ένα πάνω στο άλλο ( Michael V. Lee et al., International Center for Materials Nanoarchitectonics)

ΣΎΓΚΡΙΣΗ Κ ΚΑΙ ΜΕΤΡΟ YOUNG ΓΡΑΦΕΝΙΟΥ ΜΕ ΑΛΛΑ ΥΛΙΚΑ

23

GBMs (Graphene Based Materials)

24

25

Το γραφένιο είναι ένα υλικό το οποίο βρίσκεται στις ζωές μας εδώ και δέκα χρόνια, και με δεδομένο το επιστημονικό ενδιαφέρον, θα είναι για πολλά χρόνια ακόμη…!

26……!

27

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ1. O.V.Yazyev, Rep. Prog. Phys. 73 , 056501,(2010)2. A. K. Geim ,Science 324, 1530 (2009)3. A. H. Castro Neto et al.,Rev. Mod. Phys., 81,109,(2009)4. Y.Sun et al., Energy Environ. Sci., 4, 1113 , (2011)5. L.Tsetseris and T.Pandelides, Appl. Phys. Lett. 99, 143119 (2011)6.Xiaolin Li et al., Science 319 ,122, (2008)7. C.Soldano et al., Science Direct, 48, 2127 (2010)8. Changyao Chen et al., , Columbia University, 10.6, 2009 . 9. Fengnian Xia et al., IBM Thomas J. Watson Research Center10. Yasushi Iyechika,Sci. & Techn. Tr., 5,76, 201011. http://english.cas.cn/ST/BR/br_progress/201010/t20101009_59695.shtml12. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/li2/13. http://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/graphene-electronics-unzipped/014. http://www.nano.org.uk/news/1581/