Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
От графена к фторографену. Этап 1: кристалл графена расположен на подложке из оксида кремния SiO2 толщиной 300 нм и накрыт пленкой полиметилметакрилата (PMMA) толщиной 100 нм. На 2-м этапе накрытый графен переносится на очень мелкую золотую решетку с периодом 7 мкм. Далее (3-й этап) при помощи ацетона тонкая пленка полиметилметакрилата убирается. На 4-м этапе графен фторируется с помощью дифторида ксенона XeF2 при температуре 70°С в течение 30 часов; получается фторографен. На том же этапе новое вещество подвергается всестороннему изучению рамановской спектроскопией, просвечивающим электронным микроскопом, атомно-силовым микроскопом и с помощью облучения образца видимым светом (optics). На 5-м и 6-м этапах фторографен был перенесен на подложку из SiO2, после чего с помощью электронно-лучевой литографии было изготовлено некое устройство, предназначенное для выявления электрических свойств фторографена.
Зависимость удельного сопротивления фторографена (измеряется в относительных единицах) от температуры. Незаполненные синие круги соответствуют экспериментальным данным. Сплошная линия — теоретическая кривая, рассчитанная из предположения, что фторографен является полупроводником с шириной запрещенной зоны приблизительно 3 эВ. Рисунок из обсуждаемой статьи
Зависимость коэффициента прохождения видимого света от его длины волны (в электронвольтах) для фторографеновой «бумаги» (показана на вставке) толщиной несколько микрометров (чтобы перейти от энергетических единиц к длинам волн и частотам см. таблицу). Размер образца около 1 см. Черные участки на «бумаге» соответствуют областям, не вступавшим в реакцию с фтором.

Фторографен

Ключевые слова:  графан, графен, фторографен

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

22 июля 2010

Оригинальная и интересная статья Юрия Ерина "Синтезировано третье соединение с графеном — флюорографен", опубликованная на сайте "Элементы", приводится в небольшой редакторской правке. В русском языке не принято фтор называть флюорином (от англ. fluorine), поэтому по-русски новое соединение графена будет называться "фторграфен" или "фторографен" по аналогии с фторфуллеренами, фторопластами и т.п.

Графен, открытый в 2004 году, по-прежнему привлекает исследователей. Одно из направлений — получение новых веществ на его основе. Большая группа ученых из Великобритании, Китая, Голландии, Польши и России синтезировала фторографен — продукт реакции графена с фтором. Это уже третье соединение графена с другими химическими элементами. Как показало всестороннее исследование его свойств, фторографен, так же как и ранее полученные графеновые соединения, является полупроводником, однако выгодно отличается от них термической и химической устойчивостью. Кроме того, он всего лишь в три раза уступает в механической прочности графену.

Графен — одноатомный слой углерода — вызывает не только научный, но и прикладной интерес. Благодаря своим уникальным характеристикам, в частности атомарной толщине и чрезвычайно высокой подвижности зарядов, графен лучше других полупроводников подходит для создания очень маленьких и очень быстрых полевых транзисторов — главных элементов микроэлектроники. Но чтобы перейти от кремния, составляющего основу современной электронной промышленности, к углероду (точнее, к графену), нужно, во-первых, разработать технологию получения графена в промышленных масштабах, а во-вторых, добиться в нём отличной от нуля ширины запрещенной зоны (минимальной величины энергии, которая требуется электрону, чтобы стать электроном проводимости). Последнее условие очень важно, поскольку наличие запрещенной зоны, грубо говоря, дает возможность создавать в полевых транзисторах попеременно проводящее и непроводящее состояние, что в итоге позволяет реализовать в этих устройствах логические операции.

Говоря о полевых транзисторах на основе графена, стоит отметить публикацию 100 GHz Transistors from Wafer Scale Epitaxial Graphene, появившуюся в одном из февральских выпусков журнала Science за этот год, доступную также в архиве электронных препринтов. В ней сотрудники лаборатории IBM сообщают об успешном создании графенового транзистора, работающего на рекордной частоте 100 ГГц. Эта скорость пока недостижима для транзисторов, изготовленных по кремниевой технологии.

Запрещенную зону в графене можно создать, в частности, синтезируя новые вещества на его основе. Пока ученым удалось получить всего два соединения — оксид и гидрид графена. (Гидрид графена имеет самостоятельное название — графан; см. новость При взаимодействии с водородом графен превращается в графан. Хотя оба вещества можно отнести к полупроводникам, у них есть недостатки, из-за которых они вряд ли будут использованы в качестве материала для углеродной микроэлектроники. Так, оксид графена обладает неоднородной структурой: окислившиеся области графена случайным образом чередуются с «чистыми» участками, не вступавшими в реакцию с кислородом. А графан, хоть и обладает однородной структурой, при температурах чуть выше комнатной становится нестабильным веществом, быстро теряя атомы водорода.

Следовательно, перед учеными стоит задача найти такое вещество на основе графена, которое будет иметь желанную запрещенную зону, обладая при этом стабильным и однородным внутренним строением. Похоже, с этой задачей удалось справиться коллаборации ученых из Великобритании, Китая, Голландии, Польши и России (в этот коллектив из 19 человек входят и первооткрыватели графена Эндрю Гейм и Костя Новосёлов). В своей статье Fluorographene: mechanically strong and thermally stable two-dimensional wide-gap semiconductor, которая недавно появилась в архиве электронных препринтов, они сообщают о синтезе фторографена — нового и, что самое важное, устойчивого соединения фтора и графена с широкой запрещенной зоной.

Примеры соединений углерода с фтором хорошо известны. Например, политетрафторэтилен, более знакомый большинству как тефлон или фторопласт, обладающий целым рядом ценных эксплуатационных свойств. Таких как радиационная стойкость, механическая прочность, низкая газопроницаемость, которые обусловливают применение этих фторполимеров в ряде отраслей промышленности, где требования к указанным свойствам особенно высоки (атомная, авиационная, космическая, химическая). В пищевой промышленности и бытовой технике фторопласт используется для изготовления антиадгезионных и антипригарных покрытий, для изготовления уплотненителей и прокладок и др.

Получение фторографена схематически представлено на рис. 1. На подложке из оксида кремния традиционным способом (механическим отшелушиванием) получали кристалл графена размером более 100 мкм, который затем накрывался тонкой, толщиной 100 нм, пленкой полиметилметакрилата (оргстекло). После этого основание из оксида кремния вытравливалось, и накрытый графен переносился на другую подложку — очень мелкую золотую сетку c периодом 7 мкм (смена подложки была необходима потому, что XeF2 весьма активно с ней взаимодействует, в то время как золото — элемент, инертный по отношению к подавляющему большинству активных веществ). На третьем этапе с помощью ацетона ученые избавлялись от пленки полиметилметакрилата, а графен на новой, золотой, подложке перемещался в тефлоновый контейнер, заполненный дифторидом ксенона XeF2 — мощным фторирующим соединением. Контейнер нагревали до 70°C и удерживали температуру неизменной в течение 30 часов.

Полученные образцы ученые подвергли тщательному исследованию с помощью рамановской спектроскопии, а также просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии. Всё это позволило установить структурные, механические, электрические, оптические и химические свойства нового вещества.

Прежде всего, оказалось, что фторографен представляет собой двумерную структуру с практически такой же гексагональной кристаллической решеткой, что и у графена, но в отличие от его химических производных — графана и оксида графена — обладает прекрасной термической устойчивостью. Как показала рамановская спектроскопия, он остается совершенно стабильным соединением вплоть до 200 °C, начиная терять атомы фтора только тогда, когда его температуру довели до 400 °C. Более того, при обычных условиях фторографен оказался еще и химически стабильным в таких жидкостях, как вода, ацетон, пропанол и т.д. Авторы предполагают, что фторографен имеет химическую стабильность, схожую с тефлоном.

Что касается электрических свойств нового соединения, то оно является полупроводником с большой шириной запрещенной зоны — 3 эВ. Для электронов эта величина выглядит довольно большой энергетической «пропастью», поэтому неудивительно, что фторографен имеет высокое удельное сопротивление; при комнатной температуре оно составляет порядка 1012 Ом·м. На рис. 2 приведен график температурной зависимости удельного сопротивления фторографена. Как видим, изменение удельного сопротивления с температурой согласуется с полупроводниковым экспоненциальным ходом (линия на графике получилась из-за того, что удельное сопротивление отложено в логарифмическом масштабе).

Используя атомно-силовой микроскоп, ученые смогли также получить сведения и о механических свойствах новой химической производной графена. Анализ экспериментальных данных установил, что модуль Юнга (модуль упругости) фторографена всего лишь в три раза уступает аналогичной характеристике для графена и составляет 0,3 ТПа. Это означает, что механическая прочность у фторографена очень высокая — в 1,5 раза больше, чем у стали.

Наконец, чтобы продемонстрировать возможность синтеза фторографена в макроскопических масштабах для практического использования, авторы изготовили из него «бумагу» — большое количество «спаянных» вместе кристаллов фторографена. На рис. 3 показана фторографеновая «бумага» толщиной несколько микрометров с характерным размером приблизительно 1 см. Она имеет коричневый цвет, который, как известно, получается смешиванием красного, зеленого и желтого. Это означает, что «бумага» из фторографена почти без потерь пропускает указанные разновидности видимого излучения и активно поглощает фиолетовый свет. Причина такой избирательности в том, что квантовая механика запрещает электронам в полупроводниках поглощать энергию фотонов электромагнитного излучения меньшую, чем ширина запрещенной зоны (именно поэтому она и называется запрещенной). Электронам позволено «абсорбировать» лишь те фотоны, энергия которых дала бы им возможность как минимум преодолеть энергетическую «пропасть» (запрещенную зону) и стать после этого электронами проводимости. А поскольку фотоны фиолетового света имеют энергию в среднем приблизительно 3 эВ, значит фторографеновая «бумага», как и фторографен, должна быть полупроводником с шириной запрещенной зоны как раз 3 эВ. Оптические исследования показали, это действительно так: «бумага» из фторографена практически свободно пропускает видимый свет и активно поглощает фиолетовое излучение (рис. 3). Как и фторографен, она сохраняет стабильность в условиях повышенной температуры.

Таким образом, фторирование монослоя углерода приводит к появлению нового, тоже двумерного, соединения — фторографена, являющегося полупроводником с широкой запрещенной зоной, имеющего хорошую структурную, температурную и химическую устойчивость и не менее прочного, чем сам графен. Обладая такими свойствами, фторографен, по мнению его первооткрывателей, найдет применение не только в графеновой микроэлектронике в качестве изолирующих «островков» в полевых транзисторах, но и, например, как альтернатива тефлону в различных защитных покрытиях.

Источник: R. R. Nair, W. C. Ren, R. Jalil, I. Riaz, V. G. Kravets, L. Britnell, P. Blake, F. Schedin, A. S. Mayorov, S. Yuan, M. I. Katsnelson, H. M. Cheng, W. Strupinski, L. G. Bulusheva, A. V. Okotrub, K. S. Novoselov, A. K. Geim, I. V. Grigorieva, A. N. Grigorenko. Fluorographene: mechanically strong and thermally stable two-dimensional wide-gap semiconductor // arXiv:1006.3016 (15 June 2010).


Источник: Элементы



Комментарии
интересная статья, а вот если фторографен поглощает УФ излучение, как же тогда быть с рентгеновским, вот если бы лист фторографена поглощал и потом излучал, но только в одном направлении, том, откуда это излучение пришло?
Павел Геннадиевич, это сказки венского леса
Это не сказки Венского леса. Это заметка, содержащая существенные неточности и бездумно перепечатанная на Нанометре. Я вот заступилась в прошлый раз за Федора Александровича, и, как видно, напрасно.
Какие неточности - пожалуйста.
1. "Графен — одноатомный слой углерода" - неверно. Согласно рекомендациям ИЮПАК, графен рекомендуется рассматривать, как полициклический ароматический углеводород с числом циклов, стремящимся к бесконечности. Из этого поределения, по меньшей мере, ясно, что в графене весь углерод имеет sp2 гибридизацию (школьный курс химии, однако), и в наличии имеется сопряженная система электронов, которая во многом определяет его замечательные свойства. Мне лично также нравится определение из англоязычной Википедии.
2. "графен лучше других полупроводников подходит для создания очень маленьких и очень быстрых полевых транзисторов"
"добиться в нём отличной от нуля ширины запрещенной зоны" Противоречия не замечаете?
Дело в том, что графен не полупроводник, а полуметалл, что как раз и согласуется с нулевой шириной запрещенной зоны.
3. Теперь вспоминаем школьную химию. Если профторировать какой-нибудь полициклический арен, да не по краям а в середине, то очевидно, что те атомы углерода, у которых произошло фторирование, станут из sp2 sp3 гибридизованными. И сопряженная система связей в молекуле разрушится. Очевидно, то же может произойти и с молекулой графена при значительной степени фторирования. К сожалению, авторы не говорят ничего о том, сколько фтора им удалось посадить на графен, иначе мы могли бы оценить, осталась ли вообще там сопряженная система электронов. Так или иначе, органические полупроводники обычно содержат сопряженную систему связей (которая и дает им достаточно высокую подвижность носителей заряда). Или же в них есть центры переноса зарядов, но по-видимому, к фторированному графену это относиться не может. Из текста оригинальной статьи этот вопрос, кстати, совсем не ясен, при всем моем уважении к авторам.
4. А теперь немного физики. Во-первых, красная линия на рис. 2 (в статье figure 5) является отнюдь не "теоретической кривой, рассчитанной из предположения, что фторографен является полупроводником с шириной запрещенной зоны приблизительно 3 эВ.". Это аппроксимация экспериментальных точек (вероятно) по мнк, из которой авторам стало ясно, что ширина запрещенной зоны должна быть меньше 3 эВ. Если я правильно поняла авторов, фтор уходит при нагревании. Следовательно, было бы интересно, померить сопротивление того же образца при охлаждении - если приведенное выше предположение верно, то зависимость сопротивления от температуры при охлаждении, очевидно, была бы другой, чем при нагревании.
5. Ну и последнее - про спектр поглощения.
Во-первых, "зависимость коэффициента прохождения видимого света от его длины волны (в электронвольтах)" - это просто УЖАС. Длина волны измеряется в нанометрах, микронах, сантиметрах, метрах и т.д., а в электронвольтах измеряется энергия (школьный курс физики, АУ!). И чтобы энергию пересчитать в длину волны никакая загадочнвя таблица вовсе не нужна, достаточно воспользоваться широко известной формулой E=hc/l (h постоянная Планка, c скорость света,l - длина волны).
Во-вторых, если есть желание честно рассчитать ширину запрещенной зоны полупроводника из спектра поглощения, то необходимо прежде всего найти зависимость коэффицинета поглощения (альфа) от Е. Это можно сделать, например, измерив спектры пропускания двух пластинок полупроводника с разной толщиной, или же, измерив спектр отражения специально подготовленного образца. Но даже если мы возьмем спектр пропусакния бумаги из статьи, и как-нибудь пересчитаем пропускание в коэффициент поглощения (например, сказав, что образец очень тонкий), то все равно "честно" посчитать не получится. Нам, вероятно, следовало бы учесть, что фторографен - полупроводник двумерный, а поэтому зависимость плотности состояний от энергии (а значит, и оптический спектр) у него будет иметь вид ступеней, как у сверхрешетки. Так что мне лично не совсем ясно, что получили и считали в данном случае авторы статьи.
в общем,
Ирина Валерьевна, "я не вижу ничего плохого в том, что дети интересуются тем, что им не известно. По-моему это нормально. Такие дети гораздо более мотивированы в учебе. А если человеку с детства твердить, что он не дорос и мал еще, он вообще может потерять тягу к знаниям. "

Теперь я, кажется, поняла, о чем Вы тогда писали, Равиль Фаридович.

Я и сейчас ничего не вижу плохого в любознательности. Однако Федор Александрович мог бы избежать многих неточностей, просто почитав википедию и немного подумав головой сугубо в рамках школьной программы. Но видать, желание самовыражаться, перепубликовывая чужие статьи, в данном случае, сильнее тяги к знаниям.
Именно об этом я и писал :-) Очень рад, что мы друг друга поняли :-)

ИМХО, у Федора все еще впереди и все будет ОК, главное - усилить тягу к знаниям :-)
Согласен со всеми высказываниями, ведь сейчас мало кто стремится заниматься наукой и учиться вообще, так что все равно это очень похвально, что у человека есть стремление к знаниям. Хороший ВУз и желание все поправят. Но ошибки то, наверное, как всегда от нашей невнимательности, все ляпсусы из-за рассеяности и невдумчивости, у меня тоже такое бывает, а потом думашь: и как это так, стоило только повнимательней быть
На наших глазах закладывается основа новой наноэлектроники, а мы, как всегда, присутствуем. В кибернетике, уверяют, отставание – это Сталин виноват, микроэлектроники нет – вопросы к КПСС. А сейчас из-за кого Гейм в Манчестер уехал? http://www.n...e09211.html
Ира, а, по-моему, п.2 графен не только полуметалл, его свойства со многом определяются размерами ленты и т.д. (кстати об этом довольно много на нанометре написано).
п.3: кстати, в данном случае ещё можно почитать про водород и кислород на графене, эти статьи переведы на нанометре - надо поискать.
п.5: боюсь тебя расстраивать, но это уже не школьный курс химии/физики, а наверное по нынешним меркам достойно магистра...

Про невнимательность: возможно, надо на нанометре для публикаций ввести возрастной ценз или сделать песочницу, как, например на HabraHabr
Может быть всё- таки полуметалл. Но действительно, всё очень сильно определяется подложкой, загрязнениями и действительно т.д.
Но Федор Александрович молодец!
Если уж до сих пор нет полной ясности и даже вики иногда неточна нужно просто помогать.
Кое- какие ссылочки,
да и эта.
Прежде чем перепечатывать чужую статью -
проверь ее и не ленись это делать. И толку
будет больше и люди будут отвлекаться меньше.
Александр Анатольевич, о чём Вы таком говорите в Wiki даже для особо пытливых умов прикрутили анимацию размерной зависимости и дали довольно подробное и полное описание электронных свойств графена.
Евгений Алексеевич,
анимация- это прекрасно. Не спорю, достаточно, значит достаточно.
А как Вам это: Highly ordered pyrolytic graphite or highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) refers to graphite with an angular spread between the graphite sheets of less than 1°?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Углеродная травка выросла на карбидокремниевой почве
Углеродная травка выросла на карбидокремниевой почве

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.