Dvouvrstvý grafen - Bilayer graphene

Dvouvrstvý grafen je materiál skládající se ze dvou vrstev grafen. Jedna z prvních zpráv o dvouvrstvém grafenu byla v semináři 2004 Věda papír od Geim a kolegové,^[1] ve kterém popsali zařízení „která obsahovala pouze jednu, dvě nebo tři atomové vrstvy“

Struktura

Dvouvrstvý grafen může existovat ve formě AB nebo Bernal^[2] kde polovina atomů leží přímo nad středem šestiúhelníku ve spodním grafenovém listu a polovina atomů leží nad atomem, nebo, méně často, ve formě AA, ve které jsou vrstvy přesně vyrovnány.^[3] V Bernalově skládaném grafenu jsou běžné dvojčata; přechod z AB na BA stohování.^[4] Zkroucené vrstvy, kde se jedna vrstva otáčí vzhledem k druhé, byly také rozsáhle studovány.

Kvantové Monte Carlo byly použity metody pro výpočet vazebných energií AA- a AB-vrstveného dvouvrstvého grafenu, které jsou 11,5 (9) a 17,7 (9) meV na atom.^[5] To je v souladu s pozorováním, že AB-skládaná struktura je stabilnější než AA-skládaná struktura.

Syntéza

Dvouvrstvý grafen lze vyrobit exfoliací z grafitu ^[6] nebo chemická depozice par (CVD).^[7] V roce 2016 Rodney S. Ruoff a kolegové ukázali, že velký monokrystalický dvouvrstvý grafen lze vyrobit chemickou depozicí par aktivovanou kyslíkem.^[8] Později téhož roku korejská skupina ohlásila syntézu monokrystalického dvouvrstvého grafenu v AB s vrstvami na plátky ^[9]

Nastavitelná bandgap

Stejně jako jednovrstvý grafen, i dvouvrstvý grafen má nulové pásmo a chová se tedy jako polokov. V roce 2007 vědci předpovídali, že by mohla být zavedena bandgap, kdyby bylo na dvě vrstvy aplikováno pole elektrického posunu: takzvaná laditelná mezera v pásmu.^[10] V roce 2009 došlo k experimentální demonstraci laditelného pásma v dvojvrstvém grafenu.^[6] V roce 2015 vědci pozorovali 1D balistické elektronové vodivé kanály na dvouvrstvých stěnách grafenové domény.^[11] Další skupina ukázala, že mezeru mezi pásy dvouvrstvých filmů na karbidu křemíku lze regulovat selektivní úpravou koncentrace nosiče.^[12]

Vznikající složité stavy

V roce 2014 vědci popsali vznik složitých elektronických stavů ve dvouvrstvém grafenu, zejména frakční kvantový Hallův jev a ukázal, že toto může být vyladěno elektrickým polem.^[13][14][15] V roce 2017 bylo pozorování frakčního kvantového Hallova stavu sudého jmenovatele hlášeno v dvouvrstvém grafenu.^[16]

Excitonická kondenzace

Dvouvrstvý grafen ukázal potenciál realizovat a Kondenzát Bose – Einstein z excitony.^[17] Elektrony a díry jsou fermiony, ale když vytvoří exciton, stanou se bosony umožňující Bose-Einsteinovu kondenzaci. Ukázalo se, že kondenzáty excitonu ve dvouvrstvých systémech nesou a superproud.^[18]

Supravodivost ve zkrouceném dvouvrstvém grafenu

Pablo Jarillo-Herrero z MIT a kolegové z Harvard a Národní institut pro vědu o materiálech, Tsukuba, Japonsko, nahlásili objev supravodivost ve dvouvrstvém grafenu s úhlem zkroucení 1,1 ° mezi dvěma vrstvami. Objev byl oznámen v Příroda v březnu 2018.^[19] Zjištění potvrdila předpovědi provedené v roce 2011 Allan MacDonald a Rafi Bistritzer, že množství energie, které by volný elektron potřeboval k tunelování mezi dvěma grafenovými listy, se v tomto úhlu radikálně mění.^[20] Grafenová dvojvrstva byla připravena z exfoliovaných jednovrstev grafenu, přičemž druhá vrstva byla ručně otočena o nastavený úhel vzhledem k první vrstvě. Kritická teplota ${ displaystyle T_ {c} = 1,7 tis.}$ byla pozorována u těchto vzorků v původním papíru (u novějších papírů byla uvedena mírně vyšší teplota ^[21]). Jarillo-Herrero navrhl, že je možné: „...... představit si výrobu supravodivého tranzistoru z grafenu, který můžete zapínat a vypínat, od supravodivého po izolační. To otevírá mnoho možností pro kvantová zařízení. “^[22] Studium takových svazů bylo nazváno „twistronics „a byl inspirován dřívějšími teoretickými úpravami vrstvených sestav grafenu.^[23]

Tranzistory s efektem pole

Ke konstrukci lze použít dvouvrstvý grafen tranzistory s efektem pole^[24][25] tranzistory s efektem tunelového pole,^[26] využití malé energetické mezery. Energetická mezera je však menší než 250 meV, a proto vyžaduje použití nízkého provozního napětí (<250 mV), které je příliš malé na to, aby bylo možné dosáhnout přiměřeného výkonu tranzistoru s efektem pole,^[24] ale je velmi vhodný pro provoz tranzistorů s efektem tunelového pole, které podle teorie z článku v roce 2009 mohou pracovat s provozním napětím pouze 100 mV.^[26]

V roce 2016 vědci navrhli použití dvouvrstvého grafenu ke zvýšení výstupního napětí tunelové tranzistory (TT). Pracují při nižším rozsahu provozního napětí (150 mV) než křemíkové tranzistory (500 mV). Energetické pásmo dvouvrstvého grafenu je na rozdíl od většiny polovodičů v tom, že elektrony kolem okrajů tvoří (vysokou hustotu) van Hove singularity. To dodává dostatek elektronů ke zvýšení toku proudu přes energetickou bariéru. Dvouvrstvé grafenové tranzistory používají spíše „elektrický“ než „chemický“ doping.^[27]

Ultrarychlá difúze lithia

V roce 2017 mezinárodní skupina vědců ukázala, že dvouvrstvý grafen může působit jako jednofázový smíšený vodič, který vykazuje difúzi Li rychleji než v grafitu řádově.^[28] V kombinaci s rychlým elektronickým vedením grafenových desek nabízí tento systém iontovou i elektronickou vodivost ve stejném jednofázovém pevném materiálu. To má důležité důsledky pro zařízení k ukládání energie, jako je lithium-iontové baterie.

Ultra tvrdý uhlík z epitaxní dvouvrstvého grafenu

Vědci z City University of New York ukázaly, že listy dvouvrstvý grafen na karbidu křemíku při nárazu špičkou prstu se dočasně stane tvrdší než diamant mikroskop atomové síly.^[29] To bylo přičítáno přechodu grafit-diamant a chování se zdálo být jedinečné pro dvouvrstvý grafen. To by mohlo mít aplikace v osobní zbroji.

Porézní nanoflaky

Hybridizační procesy mění vnitřní vlastnosti grafenu a / nebo indukují špatná rozhraní. V roce 2014 byla oznámena obecná cesta k získání neskládaného grafenu prostřednictvím snadného, ​​templátovaného a katalytického růstu. Výsledný materiál má měrný povrch 1628 m2 g-1, je elektricky vodivý a má mezoporézní struktura.^[30]

Materiál je vyroben z mezoporézní šablony nanoflaků. Vrstvy grafenu jsou uloženy na šabloně. Atomy uhlíku se hromadí v mezopórech a vytvářejí výčnělky, které fungují jako rozpěrky, aby se zabránilo hromadění. Hustota výčnělku je přibližně 5.8×10¹⁴ m⁻². Grafen je uložen na obou stranách vloček.^[30]

Během syntézy CVD výčnělky po odstranění nanoflaků produkují skutečně neskládaný dvouvrstvý grafen. Přítomnost takových výčnělků na povrchu může oslabit interakce π-π mezi grafenovými vrstvami a tím snížit stohování. Dvouvrstvý grafen vykazuje specifický povrch o 1628 m²/G, velikost pórů v rozmezí od 2 do 7 nm a celkový objem pórů 2,0 cm³/G.^[30]

Použití dvojvrstvého grafenu jako katodového materiálu pro a lithiová sirná baterie poskytly reverzibilní kapacity 1034 a 734 mA h / g při rychlostech vybíjení 5, respektive 10 ° C. Po 1000 cyklech byly reverzibilní kapacity asi 530 a 380 mA h / g zachovány při 5 a 10 ° C s coulombická účinnost konstanty na 96, respektive 98%.^[30]

Byla získána elektrická vodivost 438 S / cm. I po infiltraci síry byla zachována elektrická vodivost 107 S cm / 1. Unikátní porézní struktura grafenu umožnila účinné ukládání síry v mezivrstevném prostoru, což vede k účinnému spojení mezi sírou a grafenem a brání difúzi polysulfidů do elektrolyt.^[30]

Charakterizace

Hyperspektrální globální Raman zobrazování^[31] je přesná a rychlá technika pro prostorovou charakteristiku kvality produktu. Charakterizují jej vibrační režimy systému, které poskytují informace o stechiometrie složení morfologie, stres a počet vrstev. Monitorování vrcholů G a D grafenu (kolem 1580 a 1360 cm⁻¹)^[32][33] Intenzita poskytuje přímé informace o počtu vrstev vzorku.

Ukázalo se, že dvě grafenové vrstvy vydrží důležité napětí nebo dopingový nesoulad^[34] což by nakonec mělo vést k jejich exfoliaci.

Kvantitativní stanovení strukturálních parametrů dvouvrstvého grafenu --- jako je drsnost povrchu, mezery mezi a mezi vrstvami, pořadí stohování a kroucení mezivrstvy --- je možné získat pomocí 3D elektronová difrakce^[35]

Reference