¿De dónde viene el grafeno cuando se le llama "al revés"?

La capa de grafeno contiene enlaces σ intracraneales y enlaces π ocultos. El enlace σ le da conductividad electrónica al grafeno y produce interacciones más débiles entre las capas de grafeno. El enlace σ covalente forma una cadena principal rígida de estructura hexagonal y eje C, es decir, el enlace π controla la asociación entre diferentes capas de grafeno. Muestra 3 enlaces Sigma / átomos en una superficie y un orbital π perpendicular a los enlaces Sigma / superficies atómicas.

Veamos, sin más preámbulos, ¿cómo obtuviste estas propiedades físicas del grafeno?

Entonces vayamos a los detalles.

1 conductividad

Ref.:Crecimiento de patrones a gran escala de películas de grafeno para electrodos transparentes extensibles. (Naturaleza457,706-710(5 de febrero de 2009) .|doi:10.1038/nature07719)

Las nuevas propiedades electrónicas del grafeno son que puede mantener grandes corrientes. El enlace π en el grafeno le da conductividad electrónica al grafeno y produce interacciones más débiles entre las capas de grafeno. Los portadores del grafeno se pueden describir mediante la ecuación de Dirac en lugar de la ecuación de Schrodinger. Dado que hay dos subredes de carbono equivalentes en el cristal Honeycomb, la banda de valencia cónica y la banda guía se cruzan en los puntos K y K0 en el distrito de Brillouin en el nivel de Fermi. Estos fermiones sin calidad muestran muchas características superiores. El grafeno es un material semiconductor bidimensional sin banda prohibida que muestra claramente el efecto de campo eléctrico bipolar, cuasi-partículas y una trayectoria libre promedio más larga (escala de micras).

Además, la dispersión de energía bidimensional de Dirac significa que el grafeno es un material semiconductor sin banda prohibida cuya densidad de estado desaparece linealmente al acercarse al nivel de Fermi. Cuando se conduce grafeno, su concentración de electrones u orificios es tan alta como 10E13cm-2. Muestra que la movilidad sobresaliente del portador es de aproximadamente 200.000 cm2 / V. Esta alta movilidad se debe al perfecto entramado de grafeno en forma de panal que permite que los electrones pasen con mucha suavidad y puedan controlar sus espacios de banda. Al igual que los semiconductores, las personas pueden controlar y regular el movimiento de los electrones para producir los resultados deseados. En otras palabras, el grafeno no se puede utilizar para la conducción a menos que pueda proporcionar energía para fortalecer la brecha entre los electrones, es decir, entre la banda de valencia y la banda de conducción.

Aquí, enumere la conductividad del grafeno bajo varias técnicas diferentes:

2 conductividad térmica

La conductividad térmica del grafeno a temperatura casi ambiente está entre (4,84 ± 0,44) × 10 E3 y (5,30 ± 0,48) × 10 E3W / mK, 2008). El grafeno preparado por shows deposición química de vapor un valor más bajo (<UNK> 2500W / mK) (Caietal., 2010).

Se considera que tiene un cierto tipo estructural, tipo IE AA o AB; La cantidad de capas de grafeno también afecta su conductividad térmica. Debido a la alta conductividad térmica del grafeno (debido a sus fuertes enlaces covalentes CAC y a la dispersión de fonones, la impecable monocapa de grafeno puro puede tener una conductividad térmica de hasta 5000 W / mK (Ballandineta, .2008) a temperatura ambiente. (2008) Es considerada una parte importante de los equipos electrónicos.

A temperatura ambiente, la conductividad térmica del grafeno puro monocapa es mucho mayor que la de otros alótropos de carbono previamente estudiados, por ejemplo, los nanotubos de carbono (los nanotubos de carbono de paredes múltiples son 3000W / mK (Kimetal., 2001), los nanotubos de carbono de pared simple 3500W / mK (Popetal., 2005) La conductividad térmica se ve afectada por una serie de factores, como defectos y dispersión de bordes (Nikaetal., 2009) y dopaje isotópico (Jiangetal., 2010).

En general, todos estos factores tienen un efecto adverso sobre la conductividad porque el dopaje conduce a la localización de defectos y patrones de fonones, lo que resulta en la dispersión de fonones.

3 superficie específica

Árbitro. : Ultracapacitores basados en grafeno. (NanoLett., 2008, 8 (10), PP 3498 - 3502. | DOI: 10.1021 / NL 802558 Y)

El grafeno forma una estructura de anillo de benceno hexagonal con una longitud lateral de 0,142 nm y un área de 0,052 nm2. Por lo tanto, la densidad de la superficie es de 0,77 mg / m2 y la superficie específica es de 2630 m2 / G.

4 módulo elástico

Ref .: Medición de las propiedades elásticas y resistencia intrínseca del grafo monocapa E. (science.2008Jul18; 321 (5887): 385-8. | Do i: 10.1126 / science.1157996.)

Según la ecuación de estructura de grafito de Voigt:

En la fórmula, los subíndices 1 y 2 son las dos direcciones principales dentro de la superficie de grafeno y 3 es su dirección normal. Las medidas experimentales fueron C11 = 1060 Gpa, C12 = 36.5 Gpa, C44 = 4Gpa, C12 = 180 Gpa y C13 = 15Gpa. A partir de este momento, también podemos ver que debido al fuerte enlace SP2 entre los átomos de carbono, el módulo elástico en la superficie del grafito es tan alto como 1Tpa.

Dado que el alto grado de anisotropía se debe a la interacción débil entre el grafeno, que generalmente se considera la interacción entre las fuerzas de van der Waals o el acoplamiento entre electrones π, se determinó experimentalmente que el módulo de corte entre las capas de grafeno era 4Gpa, y el La resistencia al cizallamiento fue de 0.08 Mpa, obviamente menor que las propiedades mecánicas entre átomos de carbono.

La siguiente tabla muestra las propiedades mecánicas del grafeno

Las propiedades físicas del grafeno después de la oxidación han cambiado significativamente. Se puede ver que el ángulo de enlace COC en el grupo epoxi es el primer doblado, y el átomo de oxígeno se mueve en la dirección de la superficie del grafito, lo que resulta en un óxido de grafeno con módulo de Young de 610Gpa, que es menor que el del grafeno 1060Gpa. .

5 transmitancia

El grafeno es transparente, y de una sola capa de grafeno absorbe 2,3% π α <UNK> 2,3% de la luz de color blanco (97,7% permeabilidad a la luz), α es una constante de estructura fina, y su valor es de aproximadamente ~ 1/37. El orden y la dirección de apilamiento afectan las propiedades ópticas del grafeno; Por lo tanto, el grafeno de doble capa exhibe propiedades ópticas novedosas e interesantes.

6 Estabilidad química y reactividad

La alta estabilidad química del grafeno se debe a la presencia de poderosos enlaces híbridos SP2 en el plano en la estructura de la red Honeycomb. La inercia química del grafeno se puede aplicar para prevenir la oxidación de metales y aleaciones metálicas. Chen et al. (Chenetal., (2011) Se recubrió grafeno sobre cobre y cobre-níquel con tecnología de deposición de vapor químico, demostrando las propiedades antioxidantes del grafeno por primera vez. El grafeno tiene la estabilidad química y la inercia que se espera que mejore la durabilidad de los dispositivos optoelectrónicos potenciales (Blakeetal., 2008).

7 Barrera

Las tabletas de grafeno tienen un alto grado de flexibilidad. Se pueden estirar como globos, incluso bajo la presión vertical de varias atmósferas. Incluso los átomos pequeños como el helio no pueden penetrarlo. Alguna literatura utilizará óxido de grafeno para bloquear el diafragma. Recién ahora descubrí que el grafeno debe fabricarse debido a la mala dispersión. Después de todo, el grafeno tiene una alta formación de película y el óxido de grafeno es hidrófilo. La absorción de agua y el grafeno es hidrofóbico, mejor resistencia.

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