Сопоставление физических свойств, графита и графена

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение  "Владикавказский колледж электроники"

XX республиканский научный конкурс

молодых исследователей «Шаг в будущее Осетии»

Секция «Физика»

Исследовательская работа по физике:

Сопоставление физических свойств, графита и графена.

Автор работы:

Аладжиков Давид

Студент 1 курса ПКС2-18

 Руководитель:     

Вакулина Елена Александровна,

преподаватель физики;

г. Владикавказ

 2018

Сопоставление физических свойств, графита и графена

Актуальность темы.

Возьмите простой карандаш и что-нибудь нарисуйте – что может быть проще? Рисунок получится благодаря тому, что в карандаше есть графитовый стержень. Графит – это природный материал, его братья – уголь и алмаз, а также графен. Казалось бы, ну что в этом минерале особенного? Жирный на ощупь, цвет темно-серый, с металлическим блеском. Если хорошенько нагреть – сгорит. Однако графит теперь – материал будущего.

То есть все мы знаем, что графит – очень хрупкий материал. Отчасти это правда, но не так все просто. Когда мы слегка нажимаем на грифель карандаша, графит расслаивается, а на бумаге остается тонкая полоска. Эта полоска – графен, вернее несколько слоев графена, соединенных друг с другом. Они легко отслаиваются, отчего создается иллюзия хрупкости графита. На самом деле каждый слой графена в двести раз прочнее стали. Это тем более удивительно, что толщина слоя графена – всего один атом.

Объект исследования: графит и графен.

Предмет исследования: исследовать некоторые физические свойства графита и сравнение их со свойствами графена.

Гипотеза: В результате выполнения работы будут получены новые знания о структуре и свойствах графита и графена. А также изучены перспективы применения графена.

Задачи: 1) выбор методов исследования; 2) Провести сравнительный анализ свойств графита в макро- и наноструктурах.; 3) проанализировать и обобщить результаты работы; 4) определить практическую значимость; 5) создать презентацию.

Методы исследования: анализ, обобщение, сравнение, метод сходства и различия, прогнозирование. Характеристика работы относиться к прикладным исследованиям.

В данной работе будут использованы методы теоретического исследования. Характеристика работы относиться к прикладным исследованиям.

Графит является основой для производства графена - перспективного материала как основы наноэлектроники. Изучение электрических свойств графита является актуальным.

Значимость и новизна работы заключается в том, что изучения нанотехнологии, мы все больше расширяем область их применений – от медицины до космических исследований.

Проанализировать сходство и отличия графита от графена.

Теоретическая часть

Графит-Минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже – агрегат концентрически-зонального строения.

История открытия графита

Графит известен с древних времён, однако точных сведений об истории его использования получить не удаётся из-за сходства красящих свойств с другими минералами, например, молибденитом. Одним из наиболее ранних свидетельств применения графита является глиняная посуда культуры Боян-Марица (4000 лет до н. э.), раскрашенная с помощью этого минерала. Название «графит» предложено в 1789 году Абраамом Вернером, встречаются также названия «чёрный свинец» «карбидное железо», «серебристый свинец».

Впервые в России графит был открыт в 1826 году в Златоустовском округе на Урале.

Строение. В кристаллической структуре графита различаются две ее модификации: гексагональную, или а-модификация, и ромбоэдрическую, или β-модификацию. В альфа-графите каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами sp-3-гибридными облаками, образуя кристаллический слой, состоящий из правильных шестигранников. Каждый слой удерживается с другим, параллельным ему слоем, за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Причем, центры шестигранников верхнего и каждого нижнего слоев совпадают, однако слои смещены относительно друг друга на 0,1418 нм в горизонтальном направлении и в порядке «через один». Слоистая структура объясняет многие свойства графита. (Приложение1)

Физические свойства

Хорошо проводит электрический ток. Обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного более твёрдым и очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Теплопроводность графита от 100 до 354,1 Вт/(м·К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.

Теплоёмкость графита в диапазоне температур 300÷3000К хорошо согласуется с дебаевской моделью. В высокотемпературной области после Т>3500K наблюдается аномальное поведение теплоёмкости графита аналогично алмазу: экспериментальные данные по теплоёмкости резко отклоняются вверх от нормальной (дебаевской) кривой и аппроксимируются экспоненциальной функцией, что обуславливается больцмановской компонентой поглощения тепла кристаллической решеткой.

Пределы температуры плавления –> 3845-3890 С, кипение начинается при 4200 С. Во время сжигания элемента выделяется 7832 ккал тепла.

Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.

Применение

Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.

Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.

Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.

При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.

Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.

Графен

Двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

История открытия

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита.

Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом. Как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны, и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен, как функция волнового вектора. Такого рода спектром, обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science , где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова-- де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов:BN,MoS2,NbSe2,Bi2Sr2CaCu2Oх.

Физические свойства

Атом углерода имеет четыре валентных электрона, три обеспечивают ковалентные связи с соседними атомами гексагональной решетки. Четвертый не образует ковалентной связи, его орбиталь сосредоточена вблизи перпендикуляра к кристаллической плоскости. Орбитали соседних атомов направлены в противоположные стороны от плоскости. Поэтому гексагональная решетка состоит из двух треугольных подрешеток. Проводимость без свободных носителей обеспечивается перескакиванием четвертого электрона с одного атома на другой в обеих подрешетках. Отсутствие этого электрона является дыркой.

Строение. В пространстве векторов обратной решетки первая зона Бриллюэна имеет форму шестиугольника с двумя неэквивалентными вершинами K и Kʹ , называемыми точками Дирака. От этих точек отсчитывается энергия. Области около точек Дирака называются долинами. В долинах при |E|<1ýÂ зонная структура имеет коническую форму в Приложении 2 (a 2,46)

Зоны графена. Точка Дирака K совпадает с уровнем Ферми, в ней соприкасаются зона проводимости с валентной зоной, запрещенная зона отсутствует. В зоне проводимости носителем тока является электрон, в валентной зоне – дырка. При комнатной и более низкой температуре носители тока находятся вблизи уровня Ферми. Приложение3.

Электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу, высокую подвижность и при комнатной температуре проходят без рассеяния более 1 мкм – тысячи межатомных расстояний. Проводимость конечная даже при нулевой концентрации свободных носителей тока и равна кванту проводимости 4е2/h , где множитель 4 учитывает электрон и дырку в двух долинах.

В графене наблюдается релятивистский эффект Клейна – при нормальном падении на потенциальный барьер любой высоты электрон проходит его без отражения.

В магнитном поле спектр не эквидистантный, как для уровней Ландау, имеется уровень с нулевой энергией. Магнитные состояния термостабильны – разность энергий уровней превышает тепловую энергию при комнатной температуре E1- E0 >> kT .

Нанолента графена может быть полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, или полупроводником с запрещенной зоной, ширина которой зависит от поперечного размера наноленты, от кристаллической формы края, от посторонних атомов, присоединенных к краю, от внешних электрического и магнитного полей.

В графене наблюдается целочисленный квантовый эффект Холла при нормальной температуре в сильном магнитном поле ~30 Тл.

Упругое напряжение сдвига вдоль главных кристаллографических направлений раздвигает конусы энергетических зон в точках Дирака в противоположные стороны и создает поля, подобные электромагнитному полю.

Молекулы, адсорбированные на поверхность графена, выступают как доноры (NH3, CO, NO), как или акцепторы (NO2, H2O). В результате изменяется концентрация носителей тока и сопротивление графена. Поэтому графен является сенсором отдельных молекул.

Для движущихся носителей заряда n–p-переход в графене создает отрицательный показатель преломления. Плоский n–p-переход преобразует расходящийся электронный пучок в сходящийся.

Присоединение атомов водорода к атомам графена посредством химической реакции дает графан, являющийся диэлектриком с энергетической щелью ~5,4 эВ. Комбинирование на одной пленке графена и графана (проводника и изолятора) создает устройства с разнообразными физическими свойствами.

Применение

Как известно, графен — это сверхпрочный и сверхэлектроёмкий материал. Он обладает в 100 раз более высокой электропроводностью, чем кремний, используемый сегодня в солнечных батареях

Исследователи из института медицинских наук Amrita и научно-исследовательского центра в Индии показали, что оксид графена способен восстанавливать костную ткань.Они обнаружили, что графеновые чешуйки оксида ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани.

Графен в автомобилестроении

Графеновый аэро-гель

Медицина

Анализ свойств углерода в макро- и наноструктурах.

В таблице (Приложение 4) представлено сравнение свойства графита в макро- и наноструктурах .

По данным таблицы видно, что температура плавления для макро- и наноструктуры почти не отличается; удельное сопротивление меняется значительно и уменьшается в 11,8 раза; плотность уменьшается на 6,7%.

Уменьшение плотности на 6,7% объясняется характером структуры графита: у графита смешанная структура, очень неплотная по сравнению с металлами. Расстояние между атомами графита, особенно между слоями, больше, чем расстояние между атомами плотноупакованной структуры. Из расчета получен коэффициент упаковки графита – 17,08%, который существительно меньше чем коэффициент упаковки плотноупакованной структуры (74%). Поэтому, когда разрывались связи между слоями и образвались нанотрубки (УНТ), коэффициент упаковки не существительно меняется. Это значит, что при определении плотности между нанотрубками существует пустые места, которые уменьшают плотность нанотрубки, но, в общем, по сравнению со структурой графита, эти пустые места являются незначительными. Поэтому получена такая плотность. А для металлов, имеющих плотноупакованную структуру, эти пустые места существительно влияют на плотность.

Изменение температуры плавления незначительное, тоже потому что у графита особая структура. Слои связаны силой Ван-дер-Ваальса, а это очень слабая связь. При получении из графита нанотрубок разрываются связи между слоями, поэтому температура плавления изменяется незначительно.

Практическая часть

Опыт №1. Измерение плотности графита.

Для определения всех обозначенных характеристик, мне пришлось отделить грифель карандаша от деревянной оболочки. Масса определялась на рычажных весах с разновесами.

Форму грифеля считаем цилиндрической. Длину грифеля и его толщину определяем с помощью штангенциркуля.

Форму грифеля считаем цилиндрической. Длину грифеля и его толщину определяем с помощью штангенциркуля. Приложение 5

ρ= m/V; V= S·ℓ=(πd2/4)ℓ;

m = 0,54 г=0,54·10-3кг ; d = 1,8 мм= 1,8·10-3 м; ℓ = 9 см = 9·10-2 м; ρ==2359кг/м3

Вывод: плотность графита по таблице 2230кг/м3 наши результаты отличаются так как грифель карандаша состоит не из чистого графита, в нем присутствует глина или полимерный материал.

Опыт №2. Определение сопротивления грифеля механическим нагрузкам

Кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру

Молекулярные связи внутри слоя сильные, а между слоями – слабые

Измеряем диаметр стержня. Закрепляем его в лапке штатива и подвешиваем к его концу динамометр . S = πr2; r = d/2= 0,09 см = 0,0009 м; S = 2,5·10-6м2

Грифель сломался при нагрузке 3,9Н (m=390г).

Предел прочности грифеля составляет

Вывод: по таблице придел прочности при растяжении 9,8-14,7 МПа

Опыт № 3. Определение теплоемкости грифеля. Приложение 6

Уравнение теплового баланса: Qотд =Qполуч

В пробирку наливаем воды и опускаем в нее грифель. Пробирку нагреваем в пламени спиртовки до кипения.

Опускаем пробирку в мензурку с холодной водой.

Измеряем температуру в начале и в конце, массу грифеля, пробирки, воды в мензурке и пробирке.

Составляем уравнения относительно неизвестной теплоемкости грифеля.

Расчеты: Qм+Qв.м = Qгр+Qк+Qв.к ; Qполуч. = Qотд.

840·135·10-3·(32-19)+4200·132·10-3(32-19) =

= х·0,54·(96-32)+840·25·10-3·(86-32)+4200·28·10-3(96-32)

840·135·13+4200·132·13=х0,56·64+840·25·54+4200·28·64

8681400=34,56х+1134000+7526400

34,56х=8681400-1134000-7526400

х=608 Дж/кг·0С

Табличное значение составляет 714 Дж/кг·0С.

Вывод: Полученное значение не совсем совпадает с табличным, т.к. мы не учли потери в окружающую среду. Для сравнения: теплоемкость воды составляет 4183; мрамора 920; железа 460; кирпича 880; меди 385 Дж/кг•0С.

Опыт №4. Изучение электропроводности грифеля простого карандаша.

Мы собрали электрическую цепь для того чтобы выяснить, проводит ли грифель простого карандаша электрический ток. Мы разомкнули цепь и вставили в неё грифель. Замкнули цепь. (Приложение 7).

Вывод: грифель простого карандаша проводит электрический ток, а грифель цветного карандаша не проводит электрический ток, так как в грифеле цветного карандаша графита нет, он выполнен из смеси белой глины и пигментов, или красителей.

Опыт № 5 Расчет удельного сопротивления грифеля карандаша.

В электрическую цепь вставляем грифель, закрепляем его в зажимах. В ходе опыта мы заметили, что напряжение в цепи уменьшается, если грифель длинный, и увеличивается, если грифель короткий.

I = , R = ; ρ= ; ρср=(ρ1+ρ2+ρ3)/3; ρср=437·10-6Ом·м

Вывод:

1.Удельное сопротивление графита 8·10-6 Ом·м у меня получилось 437·10-6Ом·м, я считаю что это связано с примесями в грифеле.

2.Удельное сопротивление графена при комнатной температуре выше (на 35%), чем у меди (1,72·10-8Ом·м), уступающей по этому параметру лишь серебру 1,59·10-8 Ом·м).

Опыт №6 Снятие вольтамперной характеристики. При ℓ=4см

Зависимость силы тока от сопротивления.

Вывод: Полученные результаты эксперимента подтверждают зависимость между физическими величинами, установленную Г. Омом. В ходе опытов я изучил основные физические свойства графита.

Таблица некоторых физических свойств, графита и графена

Заключение: Проведен сравнительный анализ свойств графита в макро- и наноструктурах. В процессе анализа литературных источников было обнаружено, что часть свойств наноструктуры графита отличаются от макроструктуры незначительно, а удельное электрическое сопротивление электрическое свойство очень сильно отличается. Показано, что основные причины изменения свойств графита из макро- в наноструктурах - это квантовые размерные эффекты, связи между атомами, и точка Дирака.

В исследовательской работе я изучил графит и графен и его структуру, рассчитал физические свойства карандаша (плотность, удельное сопротивление, механическое напряжение, сопротивление), построил вольт-амперные характеристики грифеля карандаша и сопоставил все полученные значения с табличными значениями графита и графена.

Список используемой литературы и интернет ресурсы:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BD%D0%B0

https://mydocx.ru/1-58219.html

Гурвич Я.А. "Справочник молодого аппаратчика-химика" М.:Химия, 1991 стр. 51

Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 105

https://www.vesti.ru/doc.html?id=3052882

http://www.forbes.ru/tehnologii/349739-bitva-za-grafen-mirovoe-sostyazanie-za-liderstvo-v-tehnologiyah-budushchego

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. — 2001.

Новосёлов К.С. Графен: материалы Флатландии, 2010

Новости высоких технологий - Режим доступа: http://hi-news.ru/

Приложение 1.

Рис. 1 Схема решётки графита.

Приложение 2.

Рис. 2 Зона Бриллюэна графита.

Решетка графена Зона Бриллюэнаи элементарная ячейка (u,v,w,z) обратной решетки

Приложение 3.

Рис. 3 Поверхность Ферми графита .

Приложение 4.

Таблица Свойства в макро- и наноструктурах.

Приложение №5

Приложение 6

Приложение 7