(PhysOrg.com) -- En aktuell översyn som analyserar korrelationen mellan syntesmetoder och fysikaliska egenskaper hos enlagers och fålagers grafenflingor.

En genomgång av metoder som används för att syntetisera både enkel- och fåskiktsgrafen och de resulterande egenskaperna presenteras av C.N.R. Rao och kollegor vid Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research och Indian Institute of Science, Bangalore. Artikeln publicerades nyligen i Vetenskap och teknik för avancerade material .

Gruppen jämför inte bara det elektriska, magnetiska och ytegenskaper hos den resulterande grafenen [2] men baserat på deras egen forskning, författarna beskriver de fysikaliska egenskaperna hos grafen-polymerkompositer och fälteffekttransistorer tillverkade med grafen.

Sedan den första rapporten om mekanisk isolering av grafen från grafit, intresset för de fysikaliska egenskaperna och potentiella applikationer - såsom transparenta elektroder för solceller, nanoelektronik och robusta mekaniska strukturer – har lett till en aldrig tidigare skådad ökning av antalet publikationer om syntesen, egenskaper och tillämpningar av detta unika 2D-material.

Men fältet är fortfarande i sin linda, med utmaningar och problem som ska lösas, i synnerhet effekterna av syntesmetoden på egenskaperna hos den resulterande grafenen.

Nobelpriset i fysik 2010 tilldelades Andre Geim och Konstantin Novoselov från University of Manchester "för banbrytande experiment angående det tvådimensionella materialet grafen" - en unik struktur av kol med bara en atomtjocklek som har fångat fantasin hos materialforskare världen- bred.

Manchester-forskarna rapporterade om utvinningen och egenskaperna hos grafen 2004 [1]. Enkelheten i "syntesen" förvånade många forskare, för vem hade kunnat föreställa sig att kunna isolera ett atomlager av kol från ett grafitblock med en bit tejp?

Enkelskiktsgrafen (SLG) framställs genom att mekaniskt "skala av" ett lager kol från högordnad pyrolytisk grafit, som sedan överförs till ett kiselsubstrat. Kemiskt, SLG framställs genom reduktion av en dispersion av enskiktsgrafenoxid med hydrazin. Denna resulterande reducerade grafenoxid (RGO) är en svart suspension som innehåller kvarvarande syre, och detta skiljer den från SLG erhållen med andra metoder.

Icke-kemiska metoder för att producera SLG-skikt inkluderar uppvärmning av Si-terminerad (0001) enkristall 6H-SiC i vakuum mellan 1250 och 1450 ºC under några minuter och sönderdelning av kolväten – metan, eten, acetylen och bensen— på ark av katalytiska övergångsmetaller som Ni. Författarnas egen forskning om kemisk ångavsättning på nickel- och koboltfilmer visade att antalet lager beror på valet av kolväten och experimentella ledningar, och viktigare, att grafenskikten var svåra att ta bort från metallytan efter kylning.

Välkända metoder för att framställa grafen med få lager är termisk exfoliering av grafitoxid vid 1050 ºC, den kemiska reaktionen av en vattenlösning av SGO med hydrazinhydrat vid återflödestemperaturen eller genom uppvärmning i mikrovågsugn, värma 4–6 nm nanodiamantpartiklar i en inert eller reducerande atmosfär över 1500 ºC, och ljusbågsavdunstning av grafit i en väteatmosfär. Teamet fann att den senare metoden ger grafen med endast 2–3 lager av 100–200 nm stora flingor även om de noterar att det fortfarande är en utmaning att kontrollera antalet lager av grafen.

Ytan av grafen är en viktig parameter för applikationer som gasavkänning och lagring av gaser som väte. I jämförelse med enskiktsgrafen, vilken teori förutspår att ha en stor yta på 2600 m ² /g, mätningar av Bangalore-gruppen på fålagers grafen visade att ytan var 270–1550 m ² /g.

Den elektroniska strukturen hos grafen bestäms av "kanttillstånden" för grafenflingor, med tvåskiktsgrafen som förutspås vara ferromagnetisk. Rao och medarbetare visade att Curie-Weiss-temperaturerna erhållna från högtemperaturinversa känslighetsdata var negativa i alla prover som de mätte, indikerar antiferromagnetism. Författarna noterar möjligheten av samexistensen av olika typer av magnetiska tillstånd inom en enda grafenflaka. Dessutom, alla grafenprover visade magnetisk hysteres vid rumstemperatur, med elektronparamagnetiska resonansmätningar som tyder på att detta beteende inte härrörde från övergångsmetallföroreningar.

Elektriska mätningar visade halvledande beteende i grafener med få lager med konduktivitet som ökade mellan 35 och 300 K, som skiljer sig från den metalliska natur som enskiktsgrafenen uppvisar, och den elektriska ledningsförmågan hos grafenprover minskade med ökande antal lager. Vidare, fålagers grafenprover var av n-typ och lämpliga för tillverkning av fälteffekttransistorer, och de bästa transistorerna realiserades med fålagers grafen som producerades genom ljusbågsurladdning av grafit i väte. Vid mätningar på kompositer av en polymer och fålagers grafen (PMMA-RGO, PMMA-HG och PVA-EG), kompositernas elektriska ledningsförmåga ökade med ökande grafenhalt. Termoelektriska mätningar avslöjade en relativt liten termokraft i grafener med få lager jämfört med grafen i ett lager. Intressant, fålagers grafener med den största ytan visade den starkaste interaktionen med elektrondonator- och acceptormolekyler via molekylär laddningsöverföring.

Denna recension innehåller 68 referenser och 21 siffror och ger en ovärderlig källa till aktuell information för nykomlingar och experter inom detta spännande forskningsområde.