Графен и его свойства

Графен представляет собой одноатомный слой углерода, расположенный в двумерной гексагональной решётке. Каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами через ковалентные σ-связи, образуя прочную и гибкую структуру. Четвёртая валентная электронная орбиталь образует делокализованное π-облако над и под плоскостью, что придаёт графену уникальные электронные свойства.

Гексагональная решётка графена обеспечивает высокую механическую прочность, превосходящую сталь по отношению к плотности материала, и создаёт условия для высокой теплопроводности. Расстояние между соседними атомами углерода составляет примерно 0,142 нм.

Электронная структура

Графен характеризуется нулевой шириной запрещённой зоны, что делает его полуметаллом. Электроны π-облака ведут себя как массо-независимые фермионы, обладающие линейной дисперсией энергии вблизи точек Дирака. Это обеспечивает:

• высокую подвижность носителей заряда, достигающую (10^5) см²/(В·с) при комнатной температуре;
• электронные свойства, аналогичные поведению релятивистских частиц, что открывает перспективы для квантовой электроники;
• минимальное рассеяние электронов в чистой решётке, что приводит к почти идеальной проводимости.

Механические свойства

Ключевыми механическими характеристиками графена являются:

• Прочность на разрыв: до 130 ГПа, что делает его самым прочным известным материалом на единицу площади;
• Модуль Юнга: около 1 ТПа, демонстрирующий высокую жёсткость при малой толщине;
• Эластичность: графен способен растягиваться на 20–25% без разрушения, благодаря гибкости σ-связей.

Двумерная природа материала обуславливает его способность к формированию складок и морщин, что влияет на локальные электронные свойства и позволяет создавать наноструктуры с заданными характеристиками.

Тепловые свойства

Высокая теплопроводность графена, достигающая 3000–5000 Вт/(м·К), объясняется сильной ковалентной связью и низкой рассеяностью фононов. Это делает графен перспективным для использования в:

• тепловых интерфейсных материалах;
• системах отвода тепла в микроэлектронике;
• гибких и прозрачных электронных устройствах.

Электропроводность и оптические свойства

Графен обладает высокой электрической проводимостью, обусловленной подвижными π-электронами. Однослойный графен поглощает примерно 2,3% видимого света, что делает его почти прозрачным и позволяет использовать в прозрачной электронике.

Электропроводность графена можно регулировать через:

• химическую функционализацию;
• наложение электрического поля (эффект поля);
• создание наноструктур, таких как графеновые риббоны, где ширина полосы определяет энергетическую структуру.

Химическая реакционная способность

Графен проявляет низкую химическую активность, благодаря делокализованной π-системе. Основные реакции происходят на дефектах решётки или границах кристаллитов. Возможна функционализация с помощью:

• оксидации и восстановления (получение графенового оксида);
• введения гетероатомов (азот, бор) для изменения электронных свойств;
• адсорбции органических молекул, что расширяет применение в сенсорах.

Применение графена

Уникальные свойства графена позволяют использовать его в различных областях:

• Электроника: создание высокочастотных транзисторов и гибких дисплеев;
• Энергетика: улучшение электродов в суперконденсаторах и литий-ионных батареях;
• Материалы и композиты: армирование полимеров, создание лёгких и прочных конструкционных материалов;
• Биомедицина: сенсоры для детекции биомолекул, носители лекарств;
• Фильтрация и адсорбция: мембраны для очистки воды и газа.

Влияние дефектов и слоистость

Дефекты в графене, включая вакансии и краевые атомы, существенно влияют на механические и электронные свойства. Создание многослойных структур (билеи, трилеи) позволяет управлять:

• межслойной электропроводностью;
• оптическими свойствами;
• механической жёсткостью и стабильностью при деформации.

Слоистая структура способствует появлению эмерджентных явлений, таких как сверхпроводимость в «твистованных» би-слоях графена при определённых углах поворота.

Графен остаётся ключевым материалом для исследований в области нанотехнологий, физики твёрдого тела и материаловедения, открывая новые направления в электронике, энергетике и биотехнологиях.