グラフェンとグラファイトの違いは何ですか?

注目すべき化学元素である炭素は、化学元素の周期表の第 2 周期の 14 族の 6 位に都合よく位置するものです。古代から人々はダイヤモンドとグラファイトを知っていましたが、これまでに発見されたこの元素の 9 つ以上の同素体変化のうちの 2 つです。ところで、現代科学で知られている同素体修飾の数が他の物質と比べて最も多いのは炭素です。

同素性とは、同じ化学元素が 2 つ以上の単純な物質、いわゆる同素体または同素体修飾の形で自然界に存在する可能性を意味し、これらの物質の構造と特性の両方に違いが生じます。したがって、炭素には、ダイヤモンド、グラファイト、ロンズデライト、フラーレン (C60、C540、および C70)、アモルファス カーボン、および単層ナノチューブの 8 つの基本的な形態があります。

これらの炭素の形態の中には、柔らかい物質と硬い物質、透明な物質と不透明な物質、安価な物質と高価な物質など、まったく異なる性質と性質があります。ただし、2 つの類似した炭素修飾、グラファイトとグラフェンを比較してみましょう。

私たちは学生時代から落書きに慣れ親しんでいます。普通の鉛筆の芯はまさに黒鉛です。触ると非常に柔らかく、滑りやすく、脂っこいです。結晶は板状で、原子の層が上下に重なっているため、たとえば紙の上でこすると、グラファイトの層状結晶構造の個々のフレークが簡単に剥がれます。 、紙の上に特徴的な暗い跡が残ります。

グラファイトは電流をよく伝導し、その抵抗は平均11オーム* mm2 / mですが、グラファイトの導電率は結晶の自然な異方性により同じではありません。したがって、結晶の面に沿った導電率は、これらの面の導電率よりも数百倍も高くなります。黒鉛の密度は 2.08 ～ 2.23 g/cm3 です。

自然界では、黒鉛は火成岩や火山岩、スカルンやペグマタイト中で高温で形成されます。それは、熱水中間温度の多金属鉱床内の鉱物を含む石英鉱脈で発生します。変成岩中に広く分布しています。

このようにして、1907 年以来、マダガスカル島で世界最大の天然鱗片状黒鉛の埋蔵量が開発されました。この島は先カンブリア紀の変成岩で構成されており、標高 4,000 ～ 4,600 フィートの標高マークのある山岳地帯の地表に隆起しています。黒鉛はここで長さ 400 マイルの帯状に産出されており、島の中心東部の山々に広がっています。

グラフェンは、グラファイトとは異なり、バルク結晶構造を持ちません。それは、原子 1 個の厚さだけの二次元六角形の結晶格子を特徴としています。このような同素体修飾では、炭素は天然にはまったく存在しませんが、理論的には人工的に得ることができます。グラファイトの多層バルク結晶構造から意図的に分離した面がまさにグラフェンであると言えます。

科学者たちは当初、単純な二次元フィルムの形でグラフェンを得ることができませんでした。これは、この形の物質は不安定であるためです。しかし、酸化シリコン基板上では（誘電体層との結合により）依然として原子 1 枚の厚さのグラフェンを得ることが可能でした。2004 年、マンチェスター大学のロシアの科学者アンドレイ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフは、『サイエンス』誌に報告書を発表しました。この方法でグラフェンを取得する方法について説明します。

そして今日でも、粘着テープ（および同様の方法）を使用してバルクグラファイト結晶から炭素単層を機械的に剥離するなど、研究用にグラフェンを取得するこのような簡単な方法が正当化されています。

研究者らは、彼らの進歩のおかげで、電界効果トランジスタの厚さが10nm未満になる、新しいクラスのグラフェンベースのナノエレクトロニクスが間もなく出現すると信じている。実際、グラフェンの電子移動度は非常に高いため (10,000 cm2 / V * s)、今日では従来のシリコンに代わる最も有望な代替品と考えられています。

高いキャリア移動度は、印加された電場の影響に対して電子と正孔が極めて迅速に応答する能力であり、これは現代のエレクトロニクスの基本動作単位である電界効果トランジスタにとって非常に重要です。

また、さまざまな生物学的センサーや化学センサー、さらには光起電装置やタッチスクリーン用の薄膜の作製も期待されています。これらにもかかわらず、グラフェンの熱伝導率は銅の 10 倍であり、この基準はエレクトロニクスにとって常に非常に重要です。