Графен (graphene)

Свойства

Графен в 10 раз прочнее стали и является великолепным проводником даже при комнатной температуре. Удельное сопротивление графена при комнатной температуре выше (на 35%), чем у меди (1,72×10-8 Ом•м), уступающей по этому параметру лишь серебру (1,59×10 8 Ом•м). Подвижность электронов в графене достигает 10000 см2/В•с. Для сравнения – в кремнии (1400 см2/В•с) и в антимониде индия (77000 см2/В•с). Теоретически возможная подвижность электронов в графене составляет 200 000 см2/В•с, и его достижение связано с возможностью получения бездефектных образцов на химически и электрически пассивных подложках. Графен имеет рекордную теплопроводность, почти в 10 раз превышающую показатели для алюминия и меди. Несмотря на невероятную прочность, он обладает и достаточной гибкостью – может подвергаться 20% деформации без последствий для кристаллической решетки.

Графен (graphene)

Свойства

Графен является двумерным полупроводником с нулевой запрещенной зоной. Электронные подзоны, образованные симметричной и антисимметричной комбинацией волновых функций, пересекаются на краю зоны Бриллюэна, что приводит к конусообразному энергетическому спектру вблизи точек К и К′. В результате, электроны в графене, подобно безмассовым релятивистским частицам, подчиняются линейному закону дисперсии.

Графен (graphene)

Свойства графеновых нанолент

Значительный практический интерес представляют

графеновые наноленты (graphene nanoribbons). Это полоски графена шириной порядка 10 – 100 нм. По своим физическим свойствам они отличаются от более широких образцов, которые имеют линейный закон дисперсии как в условно бесконечно большом листе графене. Наноленты характеризуются нелинейным законом дисперсии. Это приводит к тому, что фундаментальные электронные свойства нанолент могут изменяться от полупроводниковых до металлических в зависимости от расположения атомов углерода на границах ленты, наличия или отсутствия у граничных атомов пассивирующих их свободные связи примесей, от ширины ленты. Графеновые наноленты бывают с границами типа

зигзаг (zig-zag), типа кресла (armchair) и с комбинированными границами.

Графен (graphene)

Свойства графеновых нанолент

Возможность

изменения границы типа зигзаг на типа кресло.

Графен (graphene)

Свойства графеновых нанолент

Графен с дыркой, обладающий границами типа зигзаг и типа кресло.

Графен (graphene)

Свойства графеновых нанолент

Наноленты с зигзагообразными границами обычно не имеют запрещённой зоны, что обеспечивает им хорошие проводниковые свойства. У нанолент с кресельными границами свойства могут изменяться от проводниковых, типичных для металлов, до полупроводниковых в зависимости от их ширины. Если по ширине ленты

укладывается N = 3i – 1 (i – целое число) элементарных ячеек графена, то она обладает металлическими свойствами. При других соотношениях ее свойства определяются появлением запрещенной зоны типичной для полупроводников.

Графен (graphene)

Свойства графеновых нанолент

Структурные дефекты на границах лент (оборванные связи, примесные атомы) с металлическими свойствами как правило приводят к изменению их свойств на полупроводниковые.

Графеновые наноленты обладают высокой плотностью состояний на уровне Ферми, которая ведет к их парамагнитному поведению, а и при определенной укладке к возникновению антиферромагнитных свойств.

Графен (graphene)

Свойства

Графен является первым и пока самым ярким представителем нового класса наноматериалов – двумерных кристаллов. Его получение и исследование свойств дали толчок к появлению новой научной концепции в физике – «релятивистской» физики твердого тела, в которой квантовые релятивистские явления, часть из которых не реализуема даже в физике высоких энергий, теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях. Уникальность электронных свойств графена обусловлена тем, что носители заряда в нем подобны безмассовым релятивистским фермионам и описываются релятивистским уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера.