Upptäckten av grafen
Enskiktsgrafen producerades och identifierades först otvetydigt 2004 av gruppen Andre Geim och Konstantin Novoselov , även om de krediterar Hanns-Peter Boehm och hans medarbetare för den experimentella upptäckten av grafen 1962; medan det hade utforskats teoretiskt av PR Wallace 1947. Boehm et al. introducerade termen grafen 1986.
Tidig historia
År 1859 blev Benjamin Collins Brodie medveten om den mycket lamellära strukturen hos termiskt reducerad grafitoxid .
Grafitens struktur identifierades 1916 genom den relaterade metoden för pulverdiffraktion . Det studerades i detalj av Kohlschütter och Haenni 1918, som beskrev egenskaperna hos grafitoxidpapper . Dess struktur bestämdes från enkristalldiffraktion 1924.
Teorin om grafen utforskades först av PR Wallace 1947 som en utgångspunkt för att förstå de elektroniska egenskaperna hos 3D-grafit. Den framväxande masslösa Dirac-ekvationen påpekades först av Gordon W. Semenoff , David DiVincenzo och Eugene J. Mele . Semenoff betonade förekomsten i ett magnetfält av en elektronisk Landau-nivå precis vid Dirac-punkten. Denna nivå är ansvarig för den anomala heltalskvant Hall-effekten .
De tidigaste TEM-bilderna av fålagers grafit publicerades av G. Ruess och F. Vogt 1948. Senare observerades enstaka grafenlager direkt med elektronmikroskopi. Före 2004 studerades interkalerade grafitföreningar under ett transmissionselektronmikroskop ( TEM). Forskare observerade ibland tunna grafitflingor ("fålagers grafen") och möjligen även enskilda lager. En tidig, detaljerad studie av fålagers grafit dateras till 1962 när Boehm rapporterade att han producerade enskiktsflingor av reducerad grafenoxid.
Från och med 1970-talet odlades enstaka lager av grafit epitaxiellt ovanpå andra material. Denna "epitaxiala grafen" består av ett enatomtjockt hexagonalt gitter av sp 2 -bundna kolatomer, som i fristående grafen. Betydande laddning överförs dock från substratet till den epitaxiala grafenen, och i vissa fall d-orbitalerna hos substratatomerna med π-orbitalerna hos grafen, vilket signifikant förändrar den elektroniska strukturen hos epitaxialgrafen.
Enstaka lager av grafit observerades av TEM i bulkmaterial, särskilt inuti sot erhållet genom kemisk exfoliering. Arbetet med att göra tunna filmer av grafit genom mekanisk exfoliering startade 1990, men inget tunnare än 50 till 100 lager producerades före 2004.
Namngivning
Termen grafen introducerades 1986 av kemisterna Hanns-Peter Boehm , Ralph Setton och Eberhard Stumpp. Det är en kombination av ordet grafit och suffixet -en , som syftar på polycykliska aromatiska kolväten .
Upptäckt
De första försöken att göra atomärt tunna grafitfilmer använde exfolieringstekniker liknande ritningsmetoden. Flerskiktsprover ned till 10 nm i tjocklek erhölls. Tidigare forskare försökte isolera grafen med utgångspunkt från interkalerade föreningar, vilket producerade mycket tunna grafitiska fragment (möjligen monolager). Ingen av de tidigare observationerna var tillräckliga för att starta "grafenguldruschen" som väntade på makroskopiska prover av extraherade atomplan.
Ett av de första patenten som hänför sig till produktion av grafen lämnades in i oktober 2002 och beviljades 2006. Det beskrev en av de första storskaliga grafenproduktionsprocesserna. Två år senare, 2004 extraherade Geim och Novoselov enatomtjocka kristalliter från bulkgrafit. De drog grafenlager från grafit och överförde dem till tunn kiseldioxid ( SiO
2 ) på en kiselskiva i en process som kallas antingen mikromekanisk klyvning eller tejpteknik . SiO
2 isolerade grafenet elektriskt och interagerade svagt med det , vilket gav nästan laddningsneutrala grafenlager. Kislet under SiO
2 skulle kunna användas som en "back gate"-elektrod för att variera laddningstätheten i grafenet över ett brett område. US-patentet 6667100, inlämnat 2002, beskriver hur man bearbetar expanderad grafit för att uppnå en grafittjocklek på en hundra tusendels tum (0,25 nm). Nyckeln till framgång var visuell igenkänning med hög genomströmning av grafen på ett korrekt valt substrat som ger en liten men märkbar optisk kontrast.
Klyvningstekniken ledde direkt till den första observationen av den anomala kvant-Hall-effekten i grafen, vilket gav direkta bevis på grafenens teoretiskt förutspådda Berrys fas av masslösa Dirac-fermioner . Effekten rapporterades av Geims grupp och av Kim och Zhang , vars artiklar publicerades i Nature 2005. Innan dessa experiment hade andra forskare letat efter kvanthalleffekten och Dirac-fermioner i bulkgrafit.
Geim och Novoselov fick priser för sin banbrytande forskning om grafen, särskilt 2010 års Nobelpris i fysik .
Kommersialisering
2014 tillkännagavs National Graphene Institute för att stödja tillämpad forskning och utveckling i samarbete med andra forskningsorganisationer och industri.
Kommersialiseringen av grafen fortsatte snabbt när tillverkning i kommersiell skala visades. 2014 började två i nordöstra England , Applied Graphene Materials och Thomas Swan Limited (med forskare från Trinity College, Dublin), tillverkning. I East Anglia driver Cambridge Nanosystems en produktionsanläggning för grafenpulver. År 2017, 13 år efter skapandet av den första elektroniska grafenenheten i laboratoriet, tillverkades ett integrerat grafenelektronikchip kommersiellt och marknadsfördes till läkemedelsforskare av Nanomedical Diagnostics i San Diego.