Войти
Изображения с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) графеновых нанолент с периодической шириной и структурой легирования бором. Реакция полимеризации, использованная для их синтеза, показана вверху. Графеновые наноленты (GNR, также называемые нанографитовыми лентами или нанографитовыми лентами ) представляют собой полоски графена шириной менее 50 нм. Графеновые ленты были введены в качестве теоретической модели Мицутака Фудзита и соавторами для изучения краевого и наноразмерного размерного эффекта в графене.
Большие количества контролируемой ширины ГНЛ могут быть получены с помощью графитовой нанотомии, когда при нанесении острого алмазного ножа на графит образуются графитовые наноблоки, которые затем можно расслаивать для получения ГНЛ. GNR также могут быть получены путем «распаковки» или аксиальной резки нанотрубок. В одном из таких способов многослойные углеродные нанотрубки распаковывались в растворе под действием перманганата калия и серной кислоты. В другом методе GNR получали путем плазменного травления нанотрубок, частично встроенных в пленку полимера. Совсем недавно графеновые наноленты были выращены на подложках из карбида кремния (SiC) с использованием ионной имплантации с последующим вакуумным или лазерным отжигом. Последний метод позволяет записывать любой узор на подложках SiC с точностью до 5 нм.
ЗНЛ выращивались на краях трехмерных структур, вытравленных в карбид кремния вафли. Когда пластины нагреваются примерно до 1000 ° C (1270 K; 1830 ° F), кремний предпочтительно отталкивается по краям, образуя наноленты, структура которых определяется рисунком трехмерной поверхности. Ленты имели идеально гладкие края, отожженные в процессе изготовления. Измерения подвижности электронов, превышающие один миллион, соответствуют поверхностному сопротивлению в один Ом на квадрат - на два порядка величины ниже, чем в двумерном графене.
Наноленты с шириной более 10 нм, выращенные на пластине германия, действуют как полупроводники, демонстрируя запрещенную зону . Внутри реакционной камеры с использованием химического осаждения из паровой фазы метан используется для осаждения углеводородов на поверхности пластины, где они реагируют друг с другом с образованием длинных лент с гладкими краями. Ленты были использованы для создания прототипов транзисторов. При очень медленной скорости роста кристаллы графена естественным образом превращаются в длинные наноленты на определенной грани кристалла германия. Контролируя скорость роста и время роста, исследователи достигли контроля над шириной наноленты.
Недавно исследователи из SIMIT (Шанхайский институт микросистем и информационных технологий Китайской академии наук) сообщили о стратегии выращивания графена. наноленты с регулируемой шириной и гладкими краями непосредственно на диэлектрические подложки из гексагонального нитрида бора (h-BN) . Команда использует наночастицы никеля для травления канавок глубиной в один слой нанометров в h-BN и последующего заполнения их графеном с помощью химического осаждения из паровой фазы. Изменение параметров травления позволяет настраивать ширину канавки до менее 10 нм, и получаемые в результате ленты размером менее 10 нм демонстрируют ширину запрещенной зоны почти 0,5 эВ. Интеграция этих нанолент в устройства на полевых транзисторах выявляет отношения включения и выключения более 10 при комнатной температуре, а также высокую подвижность носителей ~ 750 см В · с.
Был исследован восходящий подход. В 2017 г. был использован перенос сухого контакта для прижатия стекловолоконного аппликатора, покрытого порошком графеновых нанолент атомарной точности, к пассивированной водородом поверхности Si (100) в вакууме. 80 из 115 GNR визуально закрывали решетку подложки со средней видимой высотой 0,30 нм. GNR не выравниваются по решетке Si, что указывает на слабую связь. Средняя ширина запрещенной зоны для 21 GNR составила 2,85 эВ со стандартным отклонением 0,13 эВ.
Метод непреднамеренно перекрывает некоторые наноленты, что позволяет исследовать многослойные GNR. Такие перекрытия могут быть созданы намеренно путем манипулирования с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Депассивация водорода не оставила запрещенной зоны. Ковалентные связи между поверхностью Si и ГНЛ приводят к металлическому поведению. Поверхностные атомы Si движутся наружу, и ГНЛ изменяется от плоской до искаженной, при этом некоторые атомы С движутся к поверхности Si.
Электронные состояния ГНЛ в значительной степени зависят от краевые конструкции (кресло или зигзаг). В зигзагообразных краях каждый последующий сегмент края находится под углом, противоположным предыдущему. В краях кресел каждая пара сегментов представляет собой поворот предыдущей пары на 120 / -120 градусов. Зигзагообразные края обеспечивают краевое локализованное состояние с несвязывающими молекулярными орбиталями вблизи энергии Ферми. Ожидается, что они будут иметь большие изменения в оптических и электронных свойствах от квантования.
. Расчеты, основанные на теории сильной связи, предсказывают, что зигзагообразные ГНЛ всегда металлические, а кресла могут быть металлическими или полупроводниковыми, в зависимости от их ширины. Однако расчеты по теории функционала плотности (DFT) показывают, что кресельные наноленты являются полупроводниками с масштабом запрещенной зоны, обратным ширине ГНР. Эксперименты подтвердили, что энергетические щели увеличиваются с уменьшением ширины ГНЛ. Графеновые наноленты с контролируемой ориентацией краев были изготовлены с помощью литографии сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Сообщалось о разрыве энергии до 0,5 эВ в кресельной ленте шириной 2,5 нм.
"кресло" наноленты являются металлическими или полупроводниковыми и имеют поляризованные по спину края. Их щель открывается благодаря необычной антиферромагнитной связи между магнитными моментами на противоположных краях атомов углерода. Этот размер зазора обратно пропорционален ширине ленты, и его поведение можно проследить до свойств пространственного распределения волновых функций краевого состояния и в основном локального характера обменного взаимодействия, которое порождает спиновую поляризацию. Следовательно, квантовое ограничение, межрайний сверхобмен и внутрикраевое прямое обменное взаимодействие в зигзагообразном ГНЛ важны для его магнетизма и запрещенной зоны. Краевой магнитный момент и запрещенная зона зигзагообразного ГНР обратно пропорциональны концентрации электронов / дырок, и ими можно управлять с помощью щелочных адатомов.
Их двумерная структура, высокая электрическая и теплопроводность и низкая шум также делает GNR возможной альтернативой меди для межсоединений интегральных схем. Исследования изучают создание квантовых точек путем изменения ширины ГНЛ в выбранных точках вдоль ленты, создавая квантовое ограничение. Были реализованы гетеропереходы внутри отдельных графеновых нанолент, среди которых было показано, что структуры функционируют как туннельные барьеры.
Графеновые наноленты обладают полупроводниковыми свойствами и могут быть технологической альтернативой кремниевым полупроводникам, способным поддерживать микропроцессор тактовую частоту Вблизи 1 ТГц полевые транзисторы шириной менее 10 нм были созданы с ГНР - «ГНР-транзисторы» - с отношением I on/Iвыкл>10 при комнатной температуре.
Структура ленты GNR для кресельного типа. Расчеты жесткой привязки показывают, что кресло может быть полупроводниковым или металлическим, в зависимости от ширины (хиральности).
Структура полосы ГНР для типа зигзаг. Расчеты жесткой привязки предсказывают, что зигзагообразный тип всегда металлический.
ПЭМ микрофотографии GNR: (a) w = 15, (b) w = 30, (c) w = 40 (расслаивание) и (d) w = 60 нм, нанесенных на сетку из кружевного углерода 400 меш и (e) микрофотография ленты 600 нм с помощью FESEM. (f) Электронно-микроскопические изображения 120-нм графеновых лент (FESEM), (g) квадратные GQD 50 нм (FESEM), (h, i) прямоугольные GQD 25 × 100 нм2 (FESEM) и (j) 8 ° - угловой конический GNR (или треугольный GQD) (FESEM)). Большие плотности квадратных и прямоугольных GQD (g) показали обширную складчатость (белые стрелки). Размеры стержней = (a) 250 нм, (b, g, i) 50 нм, (c, d) 500 нм и (h) 1 мкм.
Хотя трудно подготовить графеновые наноленты с точной геометрией для проведения реальных испытаний на растяжение из-за ограничивающего разрешения в нанометровом масштабе, механические свойства двух наиболее распространенных графеновых нанолент (зигзагообразной и кресельной) были исследованы с помощью компьютерного моделирования с использованием теория функционала плотности, молекулярная динамика и метод конечных элементов. Поскольку двумерный лист графена с прочным сцеплением известен как один из самых жестких материалов, графеновые наноленты модуль Юнга также имеют значение более 1 ТПа.
Модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона графеновых нанолент различны и имеют разные размеры (с разной длиной и шириной) и формы. Эти механические свойства являются анизотропными и обычно обсуждаются в двух направлениях в плоскости, параллельном и перпендикулярном одномерному периодическому направлению. Механические свойства здесь будут немного отличаться от двухмерных графеновых листов из-за отличной геометрии, длины связи и прочности связи, особенно на краях графеновых нанолент. Эти наномеханические свойства можно регулировать с помощью дальнейшего химического легирования, чтобы изменить среду связывания на краях графеновых нанолент. При увеличении ширины графеновых нанолент механические свойства будут приближаться к значению, измеренному на листах графена. В одном из анализов методом молекулярной динамики был предсказан высокий модуль Юнга для кресельных графеновых нанолент около 1,24 ТПа. Они также показали нелинейное упругое поведение с членами высшего порядка на кривой напряжение-деформация. В области более высоких деформаций потребуется еще более высокий порядок (>3) для полного описания нелинейного поведения. Другие ученые также сообщили о нелинейной упругости с помощью метода конечных элементов и обнаружили, что модуль Юнга, предел прочности и пластичность у кресельных графеновых нанолент больше, чем у зигзагообразных графеновых нанолент. Другой отчет предсказал линейную упругость для деформации от -0,02 до 0,02 на зигзагообразных графеновых нанолентах с помощью модели теории функционала плотности. В линейной области электронные свойства будут относительно стабильными при незначительном изменении геометрии. Энергетические щели увеличиваются с -0,02 эВ до 0,02 эВ для деформации от -0,02 до 0,02, что обеспечивает возможности для будущих инженерных приложений.
предел прочности кресельных графеновых нанолент составляет 175 ГПа с большой пластичностью 30,26% деформация разрушения, что демонстрирует более высокие механические свойства по сравнению со значением 130 ГПа и 25% экспериментально измерены на монослойном графене. Как и ожидалось, графеновые наноленты с меньшей шириной будут полностью разрушаться быстрее, поскольку увеличивается доля более слабых краевых связей. В то время как растягивающая деформация графеновых нанолент достигла своего максимума, CC-связи начнут разрываться, а затем образуются кольца гораздо большего размера, что ослабит материалы до разрушения.
Самые ранние численные результаты Оптические свойства графеновых нанолент были получены Лином и Шю в 2000 году. Сообщалось о различных правилах отбора для оптических переходов в графеновых нанолентах с креслами и зигзагообразными краями. Эти результаты были дополнены сравнительным исследованием зигзагообразных нанолент с одностенными креслами углеродными нанотрубками, проведенными Сюй и Райхлем в 2007 году. Было продемонстрировано, что правила выбора для зигзагообразных лент отличаются от правил в углеродные нанотрубки и собственные состояния в зигзагообразных лентах можно разделить на симметричные и антисимметричные. Также было предсказано, что краевые состояния должны играть важную роль в оптическом поглощении зигзагообразных нанолент. Оптические переходы между краевым и объемным состояниями должны обогащать низкоэнергетическую область (
Оптические правила выбора зигзагообразных графеновых нанолент Для графеновых нанолент с кресельными краями правило выбора: 
Расчеты из первых принципов с квазичастичными поправками и эффектами многих тел исследовали электронные и оптические свойства материалов на основе графена. С помощью расчета GW точно исследуются свойства материалов на основе графена, в том числе графеновые наноленты, функционализированные краями и поверхностью наноленты кресла-графена и свойства масштабирования в кресельных графеновых нанолентах.
Графеновые наноленты могут анализироваться с помощью сканирующего туннельного микроскопа, рамановской спектроскопии, инфракрасной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Например, изгибное колебание вне плоскости одного CH на одном бензольном кольце, называемое SOLO, которое похоже на край зигзага, на зигзагообразных GNR, как сообщается, проявляется на высоте 899 см, тогда как колебание двух CH на одном бензольном кольце, называемый DUO, который похож на край кресла, на ГНЛ кресла, как сообщалось, появляется на 814 см в результате рассчитанных ИК-спектров. Однако анализ графеновой наноленты на подложках затруднен с использованием инфракрасной спектроскопии даже с использованием метода спектрометрии отраженного поглощения. Таким образом, для анализа инфракрасной спектроскопии необходимо большое количество графеновой наноленты.
Зигзагообразные края, как известно, более реактивны, чем «кресельные» кромки, что наблюдается по реакционной способности дегидрирования между соединением с зигзагообразными краями (тетрацен) и «кресельными» краями (хризен). Кроме того, зигзагообразные края обычно более окисляются, чем края кресел без газификации. Зигзагообразные края большей длины могут быть более активными, как это видно из зависимости длины аценов от реакционной способности.
Графеновые наноленты и их окисленные аналоги, называемые нанолентами оксида графена, были исследованы в качестве нанонаполнителей для улучшения механических свойств полимерных нанокомпозитов. Наблюдалось повышение механических свойств эпоксидных композитов при нагружении графеновых нанолент. Повышение механических свойств биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов из полипропиленфумарата при низком весовом процентном содержании было достигнуто за счет загрузки нанолент окисленного графена, изготовленных для инженерии костной ткани.
Гибридные методы визуализации, такие как фотоакустическая (PA) томография (PAT) и термоакустическая (TA) томография (TAT), были разработаны для приложений биовизуализации. PAT / TAT сочетает в себе преимущества чистого ультразвука и чистого оптического изображения / радиочастоты (RF), обеспечивая хорошее пространственное разрешение, большую глубину проникновения и высокий контраст мягких тканей. ГНР, синтезированные распаковкой однослойных и многослойных углеродных нанотрубок, использовались в качестве контрастных агентов для фотоакустической и термоакустической визуализации и томографии.
Научный портал 
Технологический портал 