Tvålagers grafen
Tvåskiktsgrafen är ett material som består av två lager grafen . En av de första rapporterna om tvåskiktsgrafen var i det framträdande vetenskapliga dokumentet 2004 av Geim och kollegor, där de beskrev enheter "som bara innehöll ett, två eller tre atomlager"
Strukturera
Tvåskiktsgrafen kan existera i AB, eller Bernal -staplad form, där hälften av atomerna ligger direkt över mitten av en hexagon i det nedre grafenarket, och hälften av atomerna ligger över en atom, eller, mindre vanligt, i AA-form, där lagren är exakt inriktade. I Bernal staplad grafen är tvillinggränser vanliga; övergång från AB till BA stapling. Vridna lager, där det ena lagret roteras i förhållande till det andra, har också studerats omfattande.
Quantum Monte Carlo- metoder har använts för att beräkna bindningsenergierna för AA- och AB-staplad dubbelskiktsgrafen, som är 11,5(9) respektive 17,7(9) meV per atom. Detta överensstämmer med observationen att den AB-staplade strukturen är mer stabil än den AA-staplade strukturen.
Syntes
Dubbelskiktsgrafen kan tillverkas genom exfoliering från grafit eller genom kemisk ångavsättning ( CVD). 2016 Rodney S. Ruoff och kollegor att stor enkristall-dubbelskiktsgrafen kunde produceras genom syreaktiverad kemisk ångavsättning. Senare samma år rapporterade en koreansk grupp syntesen av oblatskala enkristall AB-staplad dubbelskiktsgrafen
Stämbart bandgap
Liksom enskiktsgrafen har tvåskiktsgrafen ett bandgap på noll och beter sig därför som en halvmetall. 2007 förutspådde forskare att ett bandgap skulle kunna införas om ett elektriskt förskjutningsfält applicerades på de två skikten: ett så kallat tunable band gap . En experimentell demonstration av ett avstämbart bandgap i tvåskiktsgrafen kom 2009. 2015 observerade forskare 1D ballistiska elektronledande kanaler vid dubbelskiktsgrafendomänväggar. En annan grupp visade att bandgapet för tvåskiktsfilmer på kiselkarbid kunde kontrolleras genom att selektivt justera bärarkoncentrationen.
Emergent komplexa tillstånd
År 2014 beskrev forskare uppkomsten av komplexa elektroniska tillstånd i tvåskiktsgrafen, särskilt den fraktionerade kvanthalleffekten och visade att detta kunde ställas in av ett elektriskt fält. Under 2017 rapporterades observationen av en jämn nämnare fraktionellt kvantum Hall-tillstånd i tvåskiktsgrafen.
Excitonisk kondensation
Tvåskiktsgrafen visade potentialen att realisera ett Bose-Einstein-kondensat av excitoner . Elektroner och hål är fermioner , men när de bildar en exciton blir de bosoner , vilket gör att Bose-Einstein-kondensering kan uppstå. Excitonkondensat i tvåskiktssystem har teoretiskt visat sig bära en superström .
Supraledning i tvinnad tvåskiktsgrafen
Pablo Jarillo-Herrero från MIT och kollegor från Harvard och National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan, har rapporterat upptäckten av supraledning i tvåskiktsgrafen med en vridningsvinkel på 1,1° mellan de två lagren. Upptäckten tillkännagavs i Nature i mars 2018. Fynden bekräftade förutsägelser som gjordes 2011 av Allan MacDonald och Rafi Bistritzer om att mängden energi som en fri elektron skulle kräva för att tunnla mellan två grafenark förändras radikalt vid denna vinkel. Grafendubbelskiktet framställdes av exfolierade monolager av grafen, där det andra lagret roterades manuellt till en inställd vinkel i förhållande till det första lagret. En kritisk temperatur på i originalpapperet (med nyare papper som rapporterade något högre temperaturer).
Jarillo-Herrero har föreslagit att det kan vara möjligt att ”...... tänka sig att göra en supraledande transistor av grafen, som man kan slå på och av, från supraledande till isolerande. Det öppnar många möjligheter för kvantenheter." Studiet av sådana galler har döpts till " twistronics " och inspirerades av tidigare teoretiska behandlingar av skiktade sammansättningar av grafen.
Fälteffekttransistorer
Dubbelskiktsgrafen kan användas för att konstruera fälteffekttransistorer eller tunnla fälteffekttransistorer, och utnyttja det lilla energigapet. Energigapet är dock mindre än 250 meV och kräver därför användning av låg driftspänning (< 250 mV), vilket är för litet för att erhålla rimlig prestanda för en fälteffekttransistor, men är mycket lämpad för drift av tunnelfälteffekter transistorer, som enligt teori från en tidning 2009 kan arbeta med en driftspänning på endast 100 mV.
Under 2016 föreslog forskare användningen av tvåskiktsgrafen för att öka utspänningen från tunneltransistorer (TT). De arbetar vid ett lägre driftsspänningsområde (150 mV) än kiseltransistorer (500 mV). Tvåskiktsgrafens energiband skiljer sig från de flesta halvledare genom att elektronerna runt kanterna bildar en (hög densitet) van Hove-singularitet . Detta tillför tillräckligt med elektroner för att öka strömflödet över energibarriären. Tvåskiktsgrafentransistorer använder "elektrisk" snarare än "kemisk" dopning.
Ultrasnabb litiumdiffusion
Under 2017 visade en internationell grupp av forskare att tvåskiktsgrafen kunde fungera som en enfas blandad ledare som uppvisade Li-diffusion snabbare än i grafit med en storleksordning. I kombination med den snabba elektroniska ledningen av grafenark erbjuder detta system både jonisk och elektronisk ledningsförmåga inom samma enfasiga fasta material. Detta har viktiga konsekvenser för energilagringsenheter som litiumjonbatterier .
Ultrahårt kol från epitaxiell dubbelskiktsgrafen
Forskare från City University of New York har visat att ark av tvåskiktsgrafen på kiselkarbid tillfälligt blir hårdare än diamant vid sammanstötning med spetsen av ett atomkraftmikroskop . Detta tillskrevs en grafit-diamant-övergång, och beteendet verkade vara unikt för tvåskiktsgrafen. Detta kan ha tillämpningar i personlig rustning.
Porösa nanoflingor
Hybridiseringsprocesser förändrar grafens inneboende egenskaper och/eller inducerar dåliga gränssnitt. Under 2014 tillkännagavs en allmän väg för att erhålla ostaplad grafen via enkel, mallbaserad, katalytisk tillväxt. Det resulterande materialet har en specifik yta på 1628 m2 g-1, är elektriskt ledande och har en mesoporös struktur.
Materialet är gjort med en mesoporös nanoflake-mall. Grafenskikt avsätts på mallen. Kolatomerna ackumuleras i mesoporerna och bildar utsprång som fungerar som distanser för att förhindra stapling. Utbuktningens täthet är ungefär 5,8 × 10 14 m −2 . Grafen avsätts på båda sidor av flingorna.
Under CVD-syntes producerar utbuktningarna i sig ostaplad dubbelskiktsgrafen efter avlägsnande av nanoflingorna. Närvaron av sådana utsprång på ytan kan försvaga π-π-interaktionerna mellan grafenskikten och därmed minska staplingen. Dubbelskiktsgrafenet visar en specifik yta på 1628 m 2 /g , en porstorlek som sträcker sig från 2 till 7 nm och en total porvolym på 2,0 cm 3 /g .
Att använda tvåskiktsgrafen som katodmaterial för ett litiumsvavelbatteri gav reversibla kapaciteter på 1034 och 734 mA h/g vid urladdningshastigheter på 5 respektive 10 C. Efter 1000 cykler bibehölls reversibla kapaciteter på cirka 530 och 380 mA h/g vid 5 och 10 C, med coulombiska effektivitetskonstanter på 96 respektive 98 %.
Elektrisk ledningsförmåga på 438 S/cm erhölls. Även efter infiltrationen av svavel bibehölls elektrisk ledningsförmåga på 107 S cm/1. Grafenens unika porösa struktur möjliggjorde effektiv lagring av svavel i mellanskiktsutrymmet, vilket ger upphov till en effektiv koppling mellan svavel och grafen och förhindrar diffusion av polysulfider in i elektrolyten .
Karakterisering
Hyperspektral global Raman- avbildning är en exakt och snabb teknik för att rumsligt karakterisera produktkvalitet. Ett systems vibrationslägen kännetecknar det och ger information om stökiometri , sammansättning, morfologi , stress och antal lager. Övervakning av grafenens G- och D-toppar (cirka 1580 och 1360 cm −1 ) intensitet ger direkt information om antalet lager i provet.
Det har visat sig att de två grafenskikten kan motstå viktiga belastningar eller dopningsfel som i slutändan bör leda till exfoliering.
Kvantitativ bestämning av tvåskiktsgrafens strukturella parametrar --- såsom ytjämnhet, mellan- och intralageravstånd, staplingsordning och mellanskiktsvridning --- kan erhållas med hjälp av 3D- elektrondiffraktion