Synteza dwuwymiarowej grafiny dziurawej

 Diament i grafit to dwa naturalnie występujące alotropy węgla, które znamy od tysięcy lat. Są to węgle pierwiastkowe, które są ułożone w taki sposób, że składają się odpowiednio ze zhybrydyzowanych atomów węgla o budowie sp3 i sp2. Niedawno odkrycie różnych innych materiałów będących alotropami węgla, takich jak grafen, fuleren, nanorurka węglowa, grafen i grafidyn, zrewolucjonizowało współczesną naukę o nanomateriałach. W szczególności, badania nad grafenem, ze względu na jego fascynujące właściwości, przyczyniły się do znacznego postępu we współczesnej chemii i fizyce.


Grafen, ze względu na swoje wyjątkowe właściwości w zakresie mobilności elektronów, został okrzyknięty cudownym materiałem, który potencjalnie może zrewolucjonizować przemysł półprzewodnikowy. Pomimo tego szumu, wydaje się, że nasza cywilizacja wciąż jest daleka od przejścia z ery krzemu do ery grafenu. Głównym wyzwaniem związanym z zastosowaniem grafenu w elektronice jest jego struktura elektronowa o zerowej przerwie pasmowej. Uniemożliwia to wyłączanie tranzystorów grafenowych, co ogranicza ich zastosowanie w przemyśle półprzewodnikowym. Chociaż możliwe jest przezwyciężenie tego ograniczenia poprzez domieszkowanie lub funkcjonalizację grafenu, istnieje również duże zainteresowanie poszukiwaniem nowych typów alotropów węglowych 2D, które mają wyjątkowe właściwości półprzewodzące, takie jak odpowiednia energetyczna przerwa pasmowa i wysoka ruchliwość.


Niedawno naukowcy odkryli, że można nadać grafenowi lub tlenkom grafenu wiele cech odpowiednich dla półprzewodnika poprzez utworzenie w ich strukturze wielu dziur. Ten nowy rodzaj materiału nazwano "dziurawym grafenem". W porównaniu z grafenem, γ-grafenem lub grafidynem, grafen dziurawy ma nie tylko idealne właściwości półprzewodnikowe 2D, ale także posiada nieliniowe wiązanie sp oraz specjalną π-skrzyżowaną strukturę, która oferuje obiecujące zastosowania w optoelektronice, pozyskiwaniu energii, separacji gazów, katalizie, remediacji wody, czujnikach i dziedzinach związanych z energią.


Dotychczas dziurawy grafen był wytwarzany w laboratoriach poprzez syntezę grafenu, a następnie poddanie go obróbce fizycznej, chemicznej lub hydrotermicznej w celu wybicia wielu otworów w strukturze. Takie odgórne podejście do produkcji ma jednak swoje ograniczenia, ponieważ rozmiar i rozmieszczenie "dziur" są nierównomierne i trudne do kontrolowania.


LEE Hyoyoung, naukowcy z Centrum Fizyki Zintegrowanych Nanostruktur (CINAP) działającego w ramach Instytutu Nauk Podstawowych w Korei Południowej opracowali metodę oddolną tworzenia takiego materiału. Po raz pierwszy grupa opracowała metodę konstruowania topologicznego materiału węglowego 2D atom po atomie.


Ten nowy, dwuwymiarowy, jednokrystaliczny materiał został nazwany przez grupę "holey-graphyne" (HGY). HGY składa się z naprzemiennie połączonych pierścieni benzenowych i wiązań C≡C, zbudowanych z układu sześciowerteksowych i silnie naprężonych ośmiowerteksowych pierścieni oraz równego odsetka atomów węgla zhybrydyzowanych sp2 i sp.


"Zainspirowała nas intrygująca cząsteczka, dibenzocyklooktadien, która została po raz pierwszy zsyntetyzowana przez Sondheimera i współpracowników w 1974 roku. W dibenzocyklooktadiynie dwa aromatyczne pierścienie benzenowe są połączone dwoma wygiętymi wiązaniami acetylenowymi, w wyniku czego powstaje bardzo napięty pierścień ośmioczłonowy. Ta ekscytująca cząsteczka zainspirowała nas do zaprojektowania i zsyntetyzowania nowej wersji tego materiału z alotropem węgla - holey-graphyne" - powiedział dyrektor Lee.


Grupa badawcza z powodzeniem wytworzyła ultracienki, monokrystaliczny HGY, stosując jako materiał podstawowy 1,3,5-tribromo-2,4,6-trietynylobenzen. Następnie zsyntetyzowano cienką, pojedynczą warstwę atomową HGY na granicy dwóch układów rozpuszczalników: wody i dichlorometanu. Nowy HGY wykazywał bezpośrednią przerwę pasmową wynoszącą około 1,1 eV i doskonałą ruchliwość obliczeniową nośników, co czyni go odpowiednim materiałem półprzewodnikowym.


To nowe odkrycie nie tylko świadczy o pierwszej syntezie ultracienkiego, monokrystalicznego HGY, ale także wprowadza nową koncepcję projektowania i syntezy takiego nowego typu dwuwymiarowego alotropu węglowego. Należy mieć nadzieję, że przyszłe zastosowanie HGY w przemyśle półprzewodnikowym utoruje drogę dla nowej generacji elektroniki wykraczającej poza erę krzemu.

 Institute for Basic Science

businews.pl
itnews24.pl
itlife.pl
ofio.pl
tvtu.pl
onet.pl

Komentarze

Popularne posty z tego bloga