Vad är skillnaden mellan grafen och grafit?

Ett anmärkningsvärt kemiskt element, kol är ett som bekvämt sitter på nummer 6 i den fjortonde gruppen av den andra perioden av det periodiska systemet för kemiska grundämnen. Sedan urminnes tider har människor känt till diamant och grafit, två av de mer än nio allotropa modifieringar av detta element som hittills upptäckts. Förresten, det är kol som har det största antalet allotropa modifieringar jämfört med andra ämnen som är kända för modern vetenskap.

Allotropi innebär möjligheten av att samma kemiska grundämne finns i naturen i form av två eller flera enkla ämnen, de så kallade allotropa formerna eller allotropa modifieringarna, som orsakar skillnader i dessa ämnen både i struktur och egenskaper. Så, kol har 8 sådana grundläggande former: diamant, grafit, lonsdaleite, fullerener (C60, C540 och C70), amorft kol och enkelväggigt nanorör.

Bland dessa former av kol finns helt olika egenskaper och karaktär: mjuka och hårda, transparenta och ogenomskinliga, billiga och dyra ämnen. Men låt oss jämföra två liknande kolmodifieringar - grafit och grafen.

Vi är alla bekanta med graffiti sedan skolan.Ledningen på en vanlig penna är exakt grafit. Det är ganska mjukt, halt och fet vid beröring, kristallerna är plattor, atomskikten är placerade ovanför varandra, så vid gnidning, till exempel på papper, lossnar individuella flingor av den skiktade kristallstrukturen av grafit lätt. lämnar ett karakteristiskt mörkt spår på papperet.

Grafit leder elektrisk ström väl, dess motstånd är i genomsnitt 11 Ohm * mm2 / m, men grafitens ledningsförmåga är inte densamma på grund av den naturliga anisotropin hos dess kristaller. Konduktiviteten längs kristallens plan är således hundratals gånger högre än konduktiviteten i dessa plan. Grafitens densitet är från 2,08 till 2,23 g/cm3.

I naturen bildas grafit vid höga temperaturer i magmatiska och vulkaniska bergarter, i skarn och pegmatiter. Det förekommer i kvartsvener med mineraler i hydrotermiska polymetalliska avlagringar med mellantemperatur. Den är allmänt spridd i metamorfa bergarter.

Sedan 1907 har således världens största reserver av naturlig flinggrafit utvecklats på ön Madagaskar. Ön består av prekambriska metamorfa stenar som stiger till ytan i en bergig terräng med hypsometriska märken på 4 000-4 600 fot. Grafiten finns här i ett 400 mil långt bälte och dominerar bergen i den östra delen av öns centrum.

Grafen, till skillnad från grafit, har inte en bulkkristallstruktur; den har ett tvådimensionellt hexagonalt kristallgitter, bara en atom tjockt. I en sådan allotrop modifiering förekommer inte kol alls naturligt utan kan teoretiskt erhållas på konstgjord väg. Vi kan säga att ett plan som avsiktligt separerats från den flerskiktiga bulkkristallstrukturen hos grafit kommer att vara just denna grafen.

Forskare kunde till en början inte få grafen i form av en enkel tvådimensionell film, på grund av materiens instabilitet i denna form. Men på ett kiseloxidsubstrat (på grund av bindningen med det dielektriska skiktet) var det fortfarande möjligt att få en atomtjock grafen: 2004 publicerade de ryska forskarna Andrey Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester en rapport i Science på att få grafen på detta sätt.

Och även idag är sådana enkla metoder för att erhålla grafen för forskning, såsom mekanisk exfoliering av ett kolmonoskikt från en bulkgrafitkristall med hjälp av tejp (och liknande metoder), motiverade.

Forskarna tror att tack vare deras framsteg kommer en ny klass av grafenbaserad nanoelektronik snart att dyka upp, där fälteffekttransistorer kommer att vara mindre än 10 nm tjocka. Faktum är att rörligheten för elektroner i grafen är så hög (10 000 cm2 / V * s) att det verkar vara det mest lovande alternativet till konventionellt kisel idag.

Hög bärarmobilitet är förmågan hos elektroner och hål att reagera extremt snabbt på effekten av pålagda elektriska fält, och detta är extremt viktigt för fälteffekttransistorer, den grundläggande driftenheten för modern elektronik.

Det finns också utsikter för skapandet av olika biologiska och kemiska sensorer, samt tunna filmer för solceller och pekskärmar. Trots allt detta är den termiska ledningsförmågan hos grafen 10 gånger högre än för koppar, och detta kriterium är alltid mycket viktigt för elektronik.