UNIVERZITET U NOVOM SADUFAKULTET TEHNIKIH NAUKA

MATERIJAL BUDUNOSTI GRAFEN

Prof. Dr Mirjana Vojinovi-MiloradovMilanovi BranislavPhD Student

Darko MilankoviPhD StudentSadraj

Uvod Mooreov zakon2Ugljenik i grafen3Grafenske strukture7Dobijanje grafena i njegova svojstva za Nobelovu nagradu8Fiziko-hemijska svojstva grafena11Atomska struktura11Elektronska svojstva12Optika svojstva13Grafen oksid13Termika svojstva13Mehanika svojstva14Nauna istraivanja grafena i njegova budunost14Integrisano kolo na bazi grafena IBM15Grafen i magnetne karakteristike16Grafenske petlje potencijalni problem elektronike16Grafenska flash memorija17Grafensko skladitenje energije17Unapreenje procesa vetake fotosinteze odgovor grafen17Optiki ureaji: solarne elije i fleksibilni ekrani osetljivi na dodir18Otkrie grafena i superbrzi internet19Nanoelektronika, grafen i voda19Grafen kao direktan odgovor za efikasnost desalinizacije20Zakljuak21Literatura21

Uvod Mooreov zakon

Nobelova nagrada za fiziku dodeljena je 2010. godine dvojici naunika, Andre Geimu i Konstantinu Novoselovu sa Univerziteta u Manesteru za revolucionarne eksperimente dvo-dimenzionalnog materijala - grafena. 2013. godine odobren je fond u iznosu od 1 milijarde eura za istraivanja vezana za grafen koja vodi Prof. Jari Kinaret sa vedskog Univerziteta Chalmers [1]. Eksperimentima su odreena fundamentalna svojstva grafena, a potom se pristupilo i nalaenju naina za implementaciju grafena u tehnologiji, to zahteva reavanje pitanja proizvodnje na industrijskom nivou, te reavanje nekoliko ostalih osnovnih i tehnoloko bitnih pitanja. Odakle takva potreba? Najslikovitije se to moe razumeti kroz trenutno stanje znaajne industrijske grane, poluprovodnike industrije. Elektronski ureaji kao to su raunari, LCD televizori, mobilni telefoni se zasnivaju na silicijum-baziranoj tehnologiji koja ovim otkriem ima potencijal da u budunosti bude potpuno zamenjena. Znaaj silicijumske industrije, izraena u novcu, je godinje oko 250 milijardi amerikih dolara. Neophodno je istai da je ta industrija danas pod izuzetno velikim pritiskom. Naime, oekuje se da e se sledee godine za istu ili manju novanu vrednost dobiti bri i manji prenosivi raunar, bolji mobilni telefon, jeftinija optika memorija itd. Taj trend je odavno uoen i formulisan je pod nazivom Mooreov zakon (1965) koji glasi: Broj tranzistora u integrisanim kolima se duplira svake dve godine (slika 1) [2].

Slika 1. Mooreov zakon

Ugljenik i grafen

Da bi se u potpunosti razumela svojstva grafena neophodno je predstaviti atom ugljenika. Ugljenik je poznat najranijim civilizacijama jo iz praistorijskog doba. Prva upotreba u obliku drvenog uglja datira jo od 3750 god. p.n.e. Dokaz da je ugljenik hemijski element potvrdio je naunik Lavoazije 1789. god. Meunarodni naziv je izveden od latinske rei carbo, to znai ugalj. Zbog svojih fiziko hemijskih svojstava ugljenik je jedan od najfascinatnijih elemenata u periodnom sistemu. Ugljenik nemetal, IVA grupe, odnosno jezgro mu se sastoji od est protona, oko koga krui est elektrona. Broj neutrona u jezgru moe biti razliit to zavisi od tipa izotopa. Stabilni izotopi su mu 12C i 13C, a nestabilan izotop je 14C. U elementarnom obliku, ugljenik se manifestuje kroz niz razliitih pojava, ili preciznije reeno alotropskih modifikacija od kojih su najpoznatije (slika 2.): dijamant - najtvri poznati prirodni mineral, odlian elektrini izolator i provodnik toplote, proziran. Vezivna struktura: 4 elektrona u 3-dimenzionim sp3-orbitalama grafit - jedna od najmekih supstanci, odlian elektrini provodnik i toplotni izolator, neproziran. Vezivna struktura: 3 elektrona u 2-dimenzionalnim sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali.

baSlika 2. Alotropske modifikacije ugljenika: a) dijamant; b) grafitU ovom radu se predstavlja ugljenik i to u kontekstu njegovog elementarnog oblika kao grafena, ali vano je naglasiti da je ugljenik baza organskih molekula, a time i osnova ivota, to istie njegov poseban znaaj. Grafen je supstanca napravljena od istog grafita, sa atomima rasporeenim u obliku heksagona ali u sloju jednoatomne debljine. Ovo je izuzetno lagan material jer 1m2 sloja grafena tei svega 0,77 mg [3]. Grafen je alotropska modifikacija ugljenika ija geometrijska struktura predstavlja planarni list sp-2 vezanih ugljenikovih atoma u gusto spakovanoj kristalnoj reetki oblika pelinjeg saa (slika 3.).

Slika 3. Grafen - jedna atomska ravan grafitaOtkria molekula fulerena i ugljeninih nanocevi usledilo je i nekoliko desetina godina pre grafena. Zbog oigledne strukturne povezanosti, grafen i ostale forme dele neke slinosti u svojstvima, ali grafen je u velikoj meri poseban i u mnogoemu bolji od bilo kog drugog materijala (slika 4.). Svaki atom ugljenika ima 6 elektrona i u stvarnosti, elektroni ne krue oko jezgra kao planete oko sunca, pa je primereno pisati o energetskoj emi elektronskih orbitala, gde se mora voditi rauna i o svojstvu elektrona koje se zove spin. Dva elektrona se nalaze u 1s orbitali, blizu jezgra. Sledea dva popunjavaju 2s orbitalu, a preostala dva elektrona upadaju u dve od tri 2p orbitale (slika 5.). U sluaju kada se ugljenikovi atomi meusobno pribliavaju, etiri elektrona iz spoljanje valentne ljuske, igraju glavnu ulogu u prostornom vezivanju ugljenikovih atoma. Naime, prilikom vezivanja, elektronske orbitale se hibridiziraju, pri emu nove elektronske orbitale omoguavaju specifino vezivanje atoma i formiranje hemijskih veza u molekulima i kristalima. Taj koncept hibridizacije je kljuan u hemiji i uveo ga je poznati nobelovac Linus Pauling.

abcSlika 4. Uska strukturna povezanost grafena i ostalih tzv. grafitnih formi [4]:a) fuleren; b) ugljenine nanocevi; c) grafit

Slika 5. Prostorni raspored orbitalaU strukturi kakvu ima grafen, a to je struktura pelinjeg saa, prostorni raspored atoma je odreen je sp2 hibridiziranim stanjem ugljenikovog atoma. U tom sluaju tri od etiri valentna elektrona hibridiziraju u takozvane orbitale, koje su rasporeene u ravni i meusobno grade ugao od 120. Preostali, 4p elektron ostaje nesparen i postavljen je vertikalno na ravan koju definiu hibridne orbitale [5]. Strukturni i orbitalni aspekt vezivanja u grafenu prikazan je na slici 6.

Slika 6. ema sp2 i sp3 hibridnih orbitalaGrafenske strukture

Grafen je ravan sloj ugljenikovih atoma ureenih u dvodimenzionalnu strukturu tzv. pelinje sae. Ova struktura se moe matematiki opisati ako se uvedu dve trouglaste reetke (slika 7.), A i B, ili kako ih u vezanom stanju zovemo, a koje ine najvru poznatu hemijsku vezu [6], to grafen ujedno ini najvrim materijalom (slika 8.) . Slobodne orbitale se u grafenu udruuju, pa se elektroni kreu preko grafenske ravni. Iz injenice da su atomi A i B u stvari ekvivalentni (slika 7.), odnosno sve su to identini ugljenikovi atomi, proizilazi niz privlanih svojstava koja ga ine ozbiljnim kandidatom za primenu u elektronici, odnosno novom koncipiranju elektronske industrije koja e se bazirati na grafenu i njegovim strukturama.

Slika 7. Prikaz grafenskog saa na nanometarskom nivou

Slika 8. Merenje vrstoe grafena (Univerzitet Columbia)

Dobijanje grafena i njegova svojstva za Nobelovu nagradu

Iako je dostupan u srcu svake obine olovke ve vie od etiri veka, grafen su Geim i Novoselov, po prvi put kontrolisano izolovali tek 2004. godine. Za dobijanje su koristili grafit koji se sastoji od velikog broja slabo povezanih ravni grafena. Koliko god to zapanjujue zvualo, grafen su dobili na krajnje jednostavan i jeftin nain, pomou jednostavnog alata. Naime, prikladni alat bio je najobiniji selotejp, pomou kojeg se grafit moe stanjivati u sve tanji i manji broj ravni grafena. To je zato jer su ravni grafena u grafitu slabo vezane. Ta slaba povezanost ravni u grafitu ujedno objanjava injenicu da obina olovka na papiru lagano ostavlja trag, a u tragu olovke nalaze se izmeu ostalog i delovi sa samo jednom ravni grafena. Postupak stanjivanja grafita selotejpom na kraju vodi ka mogunosti dobijanja samo jedne ravni grafena, koja se sa selotejpa moe preneti na bilo koju podlogu. Moe se simbolino rei da su Geim i Novoselov doli do nobelove nagrade pomou postupka od par dinara, slika 9.

Slika 9. Jednostavna i jeftina izolacija grafena iz grafitaTo je vrlo znaajno, jer danas se uveliko smatra da je moderna nauka otkrila sve jednostavne trikove i da se do novih otkria moe doi samo uz multimilionska ulaganja. Jedan primer u tom smislu je veliki kolajder hadrona u Cernu, koji pleni panju medija veliinom investicije, i pre nego to su dobijeni prvi rezultati. Sa druge strane, u tiini svoje laboratorije i bez pompeznog medijskog pritiska Geim i Novoselov su dobili i istraivali materijal koji izmeu ostalog sadri elemente kvantne fizike koja je predmet multimilijarderske investicije velikog kolajdera. U svakom sluaju, istorija e pokazati koja e nova saznanja doi od velikog kolajdera, dok je metoda selotejpa u ekspresnom roku krunisana nobelovom nagradom. Koja su to svojstva koja ine grafen toliko posebnim? Kako je ve opisano, grafen je strukturna baza svih ostalih grafitnih formi i sa njima deli neke slinosti. Grafen je tanak samo jedan atom tj. idealno dvodimenzionalan i gotovo proziran. Prozirnost je obino karakteristika elektrinih izolatora, npr. dijamanta, dok je grafen najbolji poznati elektrini provodnik [7]. Entuzijazam i uzbuenje oko grafena proizali su upravo iz rezultata merenja kretanja elektrona kroz taj materijal. Transportne manifestacije su: velika mobilnost elektrona na sobnoj temperaturi, kvantni Holov efekat[footnoteRef:2], savreno tuneliranje, Andreeva refleksija i drugo. Bitno je uoiti da grafen sva svoja dobra svojstva pokazuje na sobnoj temperaturi, u ambijentalnim uslovima. Nije ga potrebno hladiti tenim helijumom, niti izlagati visokim pritiscima. Oigledno je da veza igra veliku ulogu u mehanikim svojstvima grafena. Meutim, nehibridizirani elektroni koji se prostiru preko grafenske ravni odgovorni su za sva ostala fascinatna svojstva to se moe objasniti preko metalne veze koja nastaje elektrostatikim privlaenjem elektropozitivnih jona u kristalnoj reetki, i elektronegativnih elektrona. Metalna veza se moe zamisliti kao kristalna reetka uronjena u elektronski oblak a posledica je dobra elektrina provodljivost. Naime, u svim materijalima postoji jedan referentni energetski nivo tzv. Fermijeva energija, koja odreuje dozvoljenu granicu za rasporeivanje elektrona koji se dele meu atomima. Oni elektroni koji su blizu referentnoj energiji, odredie sva fizika svojstva materijala, bilo da se radi o elektrinoj provodljivosti, toplotnoj provodljivosti, magnetizmu, superprovodljivosti, ili raznim drugim svojstvima. U sluaju grafena ti najznaajniji elektroni su upravo oni iz veze. elektroni u grafenu su toliko posebni da imaju svojstva koja jo nisu viena u kristalima. Npr. elektroni u grafenu ponaaju se kao da poseduju nultu efektivnu masu a pritom se kreu priblino brzinom svetlosti, poput neutrina ili fotona. Ovo bi se moglo predstaviti sledeim slikovitim primerom: Svaki igra ping ponga vrlo dobro zna da koliko god jako da udari svoju lopticu, ona ne moe probiti zid ili njegov stonoteniski sto. To je zato jer je ping pong loptica makroskopski objekat koji nikad nema dovoljno energije da savlada potencijalnu prepreku tog tipa, tj. da probije zid. U mikroskopskom svetu, na dimenzijama tipinim za atome, dolazi do izraaja tzv. talasni karakter estica pri emu one mogu delimino da savladaju potencijalnu prepreku ispred sebe, iako nemaju dovoljno energije da je u potpunosti preskoe. Talasno estini karakter je glavni koncept kvantne mehanike. Elektroni u grafenu zbog svoje brzine dobijaju novi kvalitet [8]. Oni naime, mogu u potpunosti da savladaju potencijalni zid ispred sebe, bez obzira na injenicu da nemaju dovoljno energije u odnosu na visinu potencijalne prepreke. Za opisivanje estica koje osciliraju brzinama bliskim brzini svetlosti potrebno je primeniti jednaine kvantne elektrodinamike, a elektroni u grafenu upravo spadaju u tu klasu fizike (slika 10). [2: Kvantni Holov efekat je kvantno-mehanika verzija Holovog efekta, uoena kod dvodimenzionalnih sistema koji su izloeni niskim temperaturama i jakim magnetnim poljem]

Slika 10. Prikaz fizikog ponaanja u okvirima fizikih vrednosti koja vae za (1) makroskopski svet, (2) spore nanometarske estice i (3) vrlo brze estice, npr. elektroni u grafenu ili fotone

Fiziko-hemijska svojstva grafenaAtomska strukturaAtomska struktura izolovanog, jednoslojnog grafena je prouavana pomou transmisione elektronske mikroskopije (TEM) na ravnima grafena suspendovanog izmeu ipki metalne reetke. Elektronski difraktogrami su pokazali oekivanu strukturu pelinjeg saa. Univerzitet u Manesteru sproveo je studiju, objavljenu u asopisu Mesoscale and Nanoscale Physics, koja pokazuje da grafen moe samostalno da popravlja rupe u svojim ravnima, kada je izloen molekulima koji sadre ugljenik, kao to su ugljovodonici. Kada je bombardovan sa istim ugljenikovim atomima, rupe u grafenskim ravnima se potpuno ispunjavaju i savreno ravnaju u heksagonalnu reetku oblika pelinjeg saa.Elektronska svojstvaGrafen se razlikuje od veine konvencionalnih trodimenzionalnih materijala. Razumevanje elektronske strukture grafena je polazna taka za pronalaenje pojasne strukture, tj. provodnog, zabranjenog i valentnog pojasa u grafenu (slika 11).

Slika 11. Pojasna struktura metala, poluprovodnika i izolatora Naeno je jo 1947. god. da je E-k odnos linearan za male energije u blizini est uglova dvodimenzionalne heksagonalne Brillouin-ove zone (slika 12), to je dovelo do nula-efektivne mase za elektrone i upljine [9].

Slika 12. Brillouin-ova zona u grafenuZbog ovog linearne (ili "konusne") disperzije, elektroni i upljine kod ovih est taaka, ponaaju se kao relativistike estice opisanih u Dirakovoj jednaini. Stoga se elektroni i upljine zovu Dirakovi fermioni, tj. grafinosi, a est uglova Brillouin-ove zone nazivaju se Dirakove take. Jednaina koja opisuje E-k odnos je:

Optika svojstvaGrafenove jedinstvene optike osobine proizvode neoekivano visoku providnost za atomske jednoslojne strukture, sa zapanjujue jednostavnom osobinom: grafen apsorbuje malu koliinu (2.3%) vidljive svetlosti, odnosno deo spektra elektromagnetnog zraenja iz opsega talasnih duina vidljivih golim okom [10]. Ovo je posledica neuobiajeno niskoenergetske elektronske strukture jednoslojnog grafena.

Slika 13. Fotografija jednoslojnog grafena vidljivog golim okomGrafen oksidRasprivanjem oksidiziranog i hemijski obraenog grafita u vodi, kao i korienjem tehnike proizvodnje papira, jednoslojne pahuljice formiraju jedan list i vezuju se veoma snano. Ovi listovi, nazvani papir grafen-oksida imaju izmereni zatezni modul od 32 Gpa [11]. udna hemijska svojstva grafit oksida zavise od funkcionalne grupe vezane za grafenske listove. Oni ak mogu znaajno promeniti put polimerizacije i sline hemijske procese. Grafen oksid pahuljice u polimerima takoe pokazuju napredne foto-provodne osobine. Tim na Univerzitetu u Manesteru koji je predvodio Andre Geim je objavio rezultate koji pokazuju da membrane na bazi grafena su nepropusne za sve gasove i tenosti. Meutim, voda isparava kroz njih tako brzo kao da membrane uopte ne postoje [12].Termika svojstvaToplotna provodljivost grafena na sobnim temperaturama je izmerena od (4,84 0,44) 103 do (5.30 0.48) 103 V m-1 K-1. Ova merenja, izmerena beskontaktnom optikom tehnikom, su vea od onih izmerenih za ugljenine nanocevi ili dijamant [13]. Izotopski sastav, tj. Odnos izmeu 12C i 13C, ima znaajan uticaj na toplotnu provodljivost, gde izotopski ist 12C grafen ima veu provodljivost od izotopa sa odnosom 50:50, ali i od prirodnog izotopa gde je odnos 99:1. To moe biti pokazano i pomou Viedemann-Franz-ovog zakona koji navodi da je odnos toplotne i elektrine provodljivosti metala proporcionalan temperaturi:

Mehanika svojstvaOd 2009. god., grafen predstavlja jedan od najvrih materijala koji su ikada testirani. Merenja su pokazala da grafen ima snagu pucanja preko 100 puta veu od hipotetikog elinog filma iste (neverovatno tanke) debljine, sa zateznim modulom (ukoenost) od 1 TPa [14]. Meutim, proces odvajanja od grafita, gde se prirodno javlja, e zahtevati odreeni tehnoloki razvoj pre nego to postane ekonomski opravdano da se koristi u industrijskim procesima, iako to moe biti uskoro promenjeno. Grafen je veoma lagan, teine samo oko 0,77 miligrama po kvadratnom metru. Istraivai su uspeno samleli sirov grafit, preiavajui i filtrirajui ga sa hemikalijama da bi ga preoblikovali i reformisali u nano-strukturne konfiguracije, koje se zatim prerauju u listove tanke kao papir koji se naziva grafenski papir. Ne samo da je laki, snaniji i fleksibilniji od elika, takoe je reciklabilan i odriv proizvod koji je ekoloki prihvatljiv i ekonomian u svojoj upotrebi. Rezultati e omoguiti razvoj lakih i jaih automobila i aviona koji koriste manje goriva, stvaraju manje zagaenja i koji su jeftiniji i ekoloki odrivi. Velike vazduhoplovne kompanije su ve poele da zamenjuju metale sa ugljeninim vlaknima i materijalima na bazi ugljenika, i grafenski papir sa svojim neuporedivim mehanikim karakteristikama e biti sledei materijal za njihovo istraivanje.Nauna istraivanja grafena i njegova budunost

Grafen predstavlja materijal koji provodi elektrinu energiju bolje od bilo kojeg poznatog materijala. Ko bi ikad pomislio da je budunost oveanstva i nanotehnologija, ni manje ni vie, u obinim grafitnim olovkama. Naime, nauno je dokazano da grafen predstavlja budunost raunara i energije. Evropska unija je odluila da uloi milijardu evra u desetogodinje istraivanje ovog materijala, a koji e verovatno da zameni silicijum, upravo zahvaljujui vrlo velikoj provodljivosti. Proces minimalizacije, koji je vrlo vaan za istraivanje mikroipova i tranzistora, u sredite stavlja upravo ovaj materijal, koji moe biti smanjen na veliinu atoma. Grafen je dostupan u velikim koliinama, ali za ekonominu proizvodnju su potrebna dodatna istraivanja. Nakon to je jednom dobijena smea u prahu, to izgleda jednostavno, potrebno je grafen oblikovati u listove, to je puno komplikovanije. Nobelovci su potvrdili da je grafen u kristalnom obliku jedan od najskupljih materijala na svetu. Trka za patentiranjem i pokuaji upotrebe od strane brojnih svetskih kompanija pokazuju koliku je panju dobila tema grafena. U budunosti, u njemu bi mogao leati klju konstrukcije minijaturnih raunara, ali i baterija neverovatnog ivotnog veka. Svojstva grafena jednako su interesantna fiziarima, hemiarima, biofiziarima i elektroininjerima. Grafen je vri i krui od dijamanta, a opet se moe rastegnuti za etvrtinu duine, jer je elastian poput gume. Grafen je materijal koji potvruje apsolutnu granicu Mooreovog zakona koji propisuje odnos izmeu smanjenja raunarskih procesora i poveanja njihove brzine. Integrisano kolo na bazi grafena IBMZa nekoliko godina otkako je otkriven, grafen je predstavljen kao udesni materijal koji e omoguiti da telefoni i ostali elektronski ureaji postanu jo manji, tanji i bri. Meutim, grafenska revolucija se odvijala sitnim koracima, jer je do sada grafenske tranzistore bilo teko spojiti s drugim materijalima kao to je silicijum. Pored toga i tehnike proizvodnje grafena su jo uvek prilino primitivne. Zato je najnoviji rezultat IBM-ovih inenjera izuzetno vaan skok jer njihovo integrisano kolo na bazi grafena pribliava tehnologiju zasnovanu na ovom materijalu praktinom korienju. Elektrino kolo koje su napravili IBM-ovi istraivai je integrisano kolo, to znai da su sve njegove komponente koncentrisane na jednom mestu kao i na raunarskom ipu [16]. Ranije su kola s grafenskim komponentama bila glomazna, jer su njihovi elementi meusobno povezivani iicama. Takve veze su esto degradirale signal pa je kolo bilo manje efekasno, a uz to i relativno veliko. U kontekstu elektrinih kola to veliko je znailo nekoliko centimetara. Za razliku od takvih kola, IBM-ova integrisana varijanta je manja od jednog kvadratnog milimetra. Integrisani frekventni mea je veoma vana komponenta u beinim komunikacijama. Zahvaljujui tom kolu radiofrekventni signali se meaju i na njegovom izlazu se dobija signal drugaije frekvencije, to je vaan sastavni deo modernih komunikacionih mrea, jer signale radio frekvencije pretvara u zvuke i informacije. Meai se koriste u radioaparatima, telefonima, analognim televizorima i ostalim elektrinim ureajima. Grafen i magnetne karakteristikeU svom originalnom obliku, grafen ne pokazuje nikakve znake konvencionalnog magnetizma koji se obino vezuje za materijale poput gvoa ili nikla. Poslednje istraivanje koje su predvodili Irina Grigorieva i Andre Geim moglo bi se pokazati kljunim za budunost grafena u elektronici. Istraivai iz Manestera uzeli su nemagnetni grafen i zatim ga ili "posuli" drugim nemagnetnim atomima kao to je fluorin, ili su uklonili neke atome ugljenika iz reetke. Ispostavilo se da upranjena mesta i dodati atomi imaju magnetna svojstva, isto kao i atomi, na primer, gvoa. Irina Grigorieva objanjava da je ovo kao kada bi minus pomnoen minusom davao plus. Istraivai su otkrili da, da bi se ponaali kao magnetni, defektni atomi moraju biti udaljeni jedni od drugih, a njihova koncentracija niska [17]. Ako se grafenu doda mnogo defektnih atoma, oni se smetaju u prevelikoj blizini i ponitavaju magnetizam jedni drugima. U sluaju praznih mesta, njihova visoka koncentracija ini da se grafen dezintegrie. Najverovatnije je da e ovaj novootkriveni fenomen pronai svoju upotrebu u spintronici. Spintronini ureaji nalaze se svuda, a jedno od tih mesta su i hard diskovi raunara, koji rade zahvaljujui spajanju magnetizma i elektrine struje. Dodavanje novog stepena funkcionalnosti moe se pokazati vanim za potencijane primene grafena u elektronici.Grafenske petlje potencijalni problem elektronikeZahvaljujui simulacijama na nano nivou i brojnim razmatranjima teoretiara, nauka je sve blie otkrivanju punog potencijala grafena na polju elektronike. Istraivanje se uradilo na Departmanu za energiju pri Amerikoj Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge. Tim naunika pod rukovodstvom Bobbyja Sumptera, Vincenta Meuniera i Eduarda Cruz-Silve otkrio je na koji se nain se razvijaju petlje u grafenu. Strukturalne petlje, koje se ponekad formiraju tokom procesa proiavanja, mogu uiniti grafen neupotrebljivim za proizvodnju elektronskih ureaja. Za simulaciju eksperimentalnog procesa ienja grafena tim je koristio molekularnu dinamiku. Prorauni uraeni na superraunarima u vlasnitvu ORNL-a ukazali su na korak u procesu koji naunici dosad nisu otkrili. Ispitivanjem pomou transmisijskog elektronskog mikroskopa (TEM), grafen je bio izloen elektronskom zraenju usled kojeg je dolo do formacije petlji. Simulacije s ORNL-a otkrile su kako elektroni mikroskopa potrebni za stvaranje slike materijala istovremeno menjaju strukturu ozraenog materijala. Radi se o procesu ienja rubova grafena protokom elektrine struje. Grafen je jedino toliko dobar koliko su iste njegove ivice, jer to odreuje elektroprovodljivost materijala. Meunier je istaknuo kako je mogunost efikasnog proiavanja ivica grafena kljuno za njegovu upotrebu u elektronici. Nedavna eksperimentalna istraivanja pokazala su da proces Dulovog zagrevanja moe uzrokovati formaciju nepoeljnih petlji koje povezuju razliite slojeve u grafenu.Grafenska flash memorija Naunici irom sveta koriste grafen u najrazliitije svrhe. Tim sa univerziteta Rice konstruirao je novi ureaj zasnovan na grafenu, tip 'flash' memorije s mnogo veim kapacitetom i brim radnim karakteristikama u odnosu na postojeu tehnologiju skladitenja podataka. Grafensko skladitenje energijePostoje i mnogobrojne primene grafena kao tehnologije za skladitenje energije. Kompanija Graphene Energy iz Texasa koristi grafen za stvaranje novih ultrakondenzatora koji bi mogli da skladite i razvode elektrinu energiju. Razne kompanije koje trenutno koriste ugljenine nanocevi za proizvodnju nosive elektronike (odee koja moe puniti elektrine ureaje), poinju prelaziti na grafen jer je tanji i obeava potencijalno jeftiniju proizvodnju. Sve vie istraivanja se bavi razvojem brih i jeftinijih naina masovne proizvodnje. Unapreenje procesa vetake fotosinteze odgovor grafenNedavna studija tima naunika iz Instituta za Hemijsko i Tehnoloko Istraivanje u Koreji i Ewha Univerziteta, otkrila su da grafen ima potencijal za poveanje efikasnosti vetake fotosinteze. To je verovatno delom zahvaljujui svojoj sposobnosti da proizvodi elektrinu energiju pri udaru svetla. Kada je re o fotosintezi, vetakoj ili prirodnoj, postoji vaan deo procesa koji se zove fotokatalizator. U biljkama, fotokatalizator je hlorofil. U laboratoriji, proces je malo komplikovaniji, ali grafen bi mogao biti odgovor. Budui da se 46% od ukupne suneve svetlosti koja dolazi na Zemlju nalazi u vidljivom spektru (za razliku od samo 4% u UV podruju), dosadanji vetaki fotokatalizatori nisu pokazali najbolji rezultat, pa su naunici pokuali da iskoriste grafen kao fotokatalizator. Kao to se i oekivalo, obian list grafena, u kombinaciji sa malo enzima porfirinaze, postao je izuzetno funkcionalan u interakciji sa vidljivim sunevim svetlosnim spektrom, to ga je odmah uinilo najboljim kandidatom za vetake fotokatalizatore. Ovo otkrie se ne zaustavlja samo na vetakoj fotosintezi. Uskoro e biti razvijene i vetake solarne elije koje koriste sunevu svetlost i CO2, a pretvaraju ih u metansku kiselinu, koja e se koristiti u industriji plastike.Optiki ureaji: solarne elije i fleksibilni ekrani osetljivi na dodirTim naunika sa Univerziteta Cambridge, tvrdi da najvei potencijal grafena zapravo lei u njegovoj sposobnosti provoenja svetla jednako dobro kao i elektrine struje. vrst, fleksibilan i fotoosetljiv grafen mogao bi podstaknuti dalji razvoj solarnih elija i LED tehnologija. Takoe, mogao bi posluiti i u proizvodnji novih ureaja poput fleksibilnih ekrana osetljivih na dodir, fotodetektora i ultrabrzih lasera [15]. Zatim, grafen bi mogao zameniti retke i skupe metale poput platine i zlata poto istu funkciju obavlja bre i efikasnije, a znaajno je jeftiniji. Dodavanje trifluorometansulfonil-amida (TFSA) grafenu omoguio je istraivaima sa Univerziteta u Floridi da postave novi rekord efikasnosti grafenskih solarnih elija. Iako je rekordna efikasnost od 8,6% veoma manja od efikasnosti drugih tipova solarnih elija, to je veliki napredak u odnosu na prethodne grafenske solarne elije koje su bile efikasne u rasponu do 2,9%. Prototip solarne elije stvorene u departmanu za fiziku Univerziteta u Floridi sastoji se od kvadrata (strana 5mm) krutog silicijuma sa jednim slojem grafena koji je hemijski tretiran sa TFSA.

Slika 14. Unapreena grafenska solarna elijaNa spoju grafena i silicijuma se formira neto to je poznato kao otki barijera (Schottky barrier), tj. barijera za elektrone u raskrsnici metalnih poluprovodnika koja deluje kao zona konverzije energije u solarnoj eliji kada je izloena sunevom svetlou. Iako se otki barijere obino formiraju kada se metal postavi na vrh poluprovodnika, 2011. godine je otkriveno da je grafen, koji je polumetal, odgovarajui metalni supstituent u stvaranju raskrsnice. Prema Ksaoang Miaou, dodavanje TFSA grafenu ga ini vie provodljivim i poveava potencijal elektrinog polja unutar elije inei ga vie efikasnim u konverziji suneve svetlosti u elektricitet. TFSA je takoe vie stabilan i njegovi efekti su mnogo dugotrajniji od drugih jedinjenja koji su dodavani u prolosti.Otkrie grafena i superbrzi internetBritanski naunici su otkrili novi nain upotrebe grafena, najtanjeg materijala na svetu, kako bi se uhvatile i transformisale vee koliine svetlosti nego ranije, otvarajui mogunosti u razvoju novih tehnologija superbrzog interneta i optikih komunikacija. U studiji objavljenoj u asopisu "Nature Communication" tim istraivaa, doao je do saznanja da se kombinovanjem grafena sa metalnim nanostrukturama ostvaruje zadravanje 20 puta vee koliine svetlosti i njene konverzije u elektrinu enegriju [20].Nanoelektronika, grafen i vodaNaunici politehnikog instituta Renselar koriste nova metodu koja se zasniva na upotrebi vode za otvaranje i prilagoavanje irine zabranjenog pojasa kod poluprovodnika. Ovo bi moglo pokrenuti razvoj novih, grafenskih tranzistora koji e raditi po principima nanoelektronike. Nikhil Koratkar i njegove kolege uspeli su da stvore zabranjeni pojas u grafenu izlaganjem tankog filma grafena uticaju vlage. Radi se o kljunom preduslovu za proizvodnju grafenskih tranzistora. Tranzistori su elektronski ureaji koji ine osnovu moderne elektronike. Mogu se iskljuiti ili ukljuiti pa na taj nain preusmeravaju elektrini signal. Raunarski mikroprocesori sainjeni su od miliona tranzistora napravljenih od poluprovodnikog materijala silicijuma. Grafen, alotropska modifikacija ugljenika debljine svega jednog atoma, ne poseduje zabranjeni pojas. Koratkarov tim otkrio je kako otvoriti zabranjeni pojas u grafenu preko koliine vode apsorbovane s jedne strane materijala i kako precizno prilagoavati zabranjeni pojas na bilo koju vrednost, od 0 do 0,2 eV. Efekat je bio u potpunosti reverzibilan i zabranjeni pojas se vratio na 0 u vakuumu. Metoda ne ukljuuje nikakve komplikovane tehnike zahvate ili modifikacije na grafenu, ali s druge strane zahteva kuite u kojem se moe precizno kontrolisati nivo vlage. Grafen je poznat zbog svojih jedinstvenih mehanikih svojstava. U svom prirodnom stanju, grafen poseduje neobinu strukturu, ali ne i zabranjeni pojas. Ipak, da bi se od grafena napravio tranzistor, on jednostavno ne bi radio jer se grafen ponaa kao polumetal i ne poseduje zabranjeni pojas. Kroz ovo istraivanje je pokazana relativno jednostavna metoda za stvaranje zabranjenog pojasa u grafenu, to bi moglo otvoriti vrata upotrebi grafena kao nove generacije materijala za izradu tranzistora, dioda, nanoelektronike, nanofotonike i ostalih grana elektronike. Karakteristika izolatora je irok zabranjeni pojas (energetski pojas izmeu valentnog i provodnikog pojasa) koji onemoguuje voenje struje tj. prelaz elektrona u provodniki pojas. Izmeu izolatora i provodnika smestila se grupa poluprovodnika, koji se mogu ponaati i kao provodnici i kao izolatori. U sri svakog poluprovodnikog ureaja nalazi se materijal sa uskim zabranjenim pojasom. Kada bi prouili ipove i mikroprocesore u dananjim mobilnim telefonima, prenosnim ureajima i raunarima, pronali bi veliki broj tranzistora izraenih od poluprovodnika, materijala sa uskim zabranjenim pojasom. Simetrija kristalne reetke grafena je razlog nedostatka zabranjenog pojasa kod grafena. Koratkar je istraio ideju razlamanja te simetrije vezivanjem molekula na samo jednu stranu grafena. Da bi to postigao, izolovao je grafen na povrini silicijum-dioksida i zatim izloio grafen kontrolisanom uticaju vlage u posebno napravljenoj komori. Unutar komore, molekuli vode apsorbovali su se samo na izloenoj strani grafena, a li ne i na onoj strani koja je bila okrenuta prema silicijum-dioksidu. Kao rezultat naruavanja simetrije ubrzo se stvorio zabranjeni pojas. Prednost apsorpcije vode, u poreenju sa apsorpcijom gasova, jeste manja cena, netoksinost i mnogo laka kontrola rada tranzistora. Na primer, napredak u konstrukciji mikro ureaja omoguio je stvaranje dovoljno malog kuita za odreene delove ili celog raunarskog procesora. U takvom kuitu bi bilo mogue kontrolisati nivo vlage dovoljno precizno. Prema nivou vlage unutar kuita, procesor bi mogao reverzibilno prilagoavati irinu zabranjenog pojasa u grafenu od 0 do 0,2 eV.Grafen kao direktan odgovor za efikasnost desalinizacijeIako je ve dovoljno impresivan, ini se da grafen ima jo nekoliko dodatnih kvaliteta. Prema istraivaima na MIT-u, grafenu se takoe moe poveati efikasnost desalinizacije za dva ili tri reda veliine. Desalinizacija predstavlja izuzetno vaan proces jer oko 97% vode na naoj planeti nije za pie, s obzirom na koncentraciju soli koja se nalazi u njoj [18]. Metode uklanjanja soli iz vode su dugotrajne i skupe. Grafen, materijal sadanjosti i budunosti ima potencijal da promeni nain na koji se do sada izvodila desalinizacija i postane najbolji filter na svetu. Ako se moe poveati efikasnost desalinizacije za dva ili tri reda veliine (to jest, 100 do 1000 puta efikasnije) problem vode za pie u svetu bi bio reen. Proces desalinizacije se odvija tako to se morska voda proputa kroz filtere koji zadravaju so, a proputaju istu vodu[19]. Problem nastaje jer efikasnost ovog procesa direktno zavisi od debljine filtera. to je on deblji to je proces manje efikasan. Budui da je grafen nanopropusan, moe pustiti vodu da proe kroz njega, ali ne i soli i sve to bez potrebe za ikakvim pritiskom, pomou kojih trenutni filteri rade.Zakljuak

Na osnovu dosadanjih istraivanja predvia se da e grafen biti osnova razvoja elektronske industrije. Elektronska tehnologija danas je po svom obimu jedna od najveih industrijskih grana i pod velikim je pritiscima i izazovima da postigne bolje rezultate (poveanje gustine logikih sklopova, brzine, gustine i koliine memorijskog prostora, smanjenje cena itd.), pa se trai alternativa standarnoj elektronici baziranoj na silicijumu. Jedan od oiglednih aspekata grafena je neverovatno velika brzina elektrona to ga kvalifikuje za visokofrekvencijske primene (npr. ultrabrzi tranzistori i kompjuteri). Drugi oigledan aspekt vezan je za prozirnost i istovremenu elektrinu provodljivost grafena. U tom pravcu se najozbiljnije krenulo pa ak imamo i prototipove ekrana osetljivih na dodir napravljenih od grafena. Meutim, broj moguih primena je nesagledivo irok. Ipak, svaki oblik iroke komercijalne primene zahteva proizvodnju velike koliine grafena. Originalna metoda pomou selotejpa svakako nije pogodna za taj zadatak jer se postupkom stanjivanja grafita dobijaju vrlo mali uzorci veliina svega nekoliko desetina m. Reenje tog problema je u rastu grafena na povrinama raznih materijala ili u nekim hemijskim postupcima. Rast na metalnim povrinama istovremeno omoguava proizvodnju vrlo velikih uzoraka i koliina grafena, tako da je budunost pred grafenom.Literatura

[1] "The Nobel Prize in Physics 2010". Nobelprize.org http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/[2] Moore, Gordon E. (1965). "Cramming more components onto integrated circuits", Electronics Magazine. p. 4.[3] Geim, A. K. and Novoselov, K. S. (2007). "The rise of graphene". Nature Materials 6 (3): 183191.[4] IUPAC Gold Book. International Union of Pure and Applied Chemistry, Graphene layer Retrieved 31 March 2012. [5] Sakamoto J. et al (2009). "Two-Dimensional Polymers: Just a Dream of Synthetic Chemists?". Angew. Chem. Int. Ed. 48 (16): 103069[6] Geim A. (2009). "Graphene: Status and Prospects". Science 324 (5934): 15304. http://www.sciencemag.org/content/324/5934/1530[7] Johannes Jobst, Daniel Waldmann, Florian Speck, Roland Hirner, Duncan K. Maude, Thomas Seyller, Heiko B. Weber (2009). "How Graphene-like is Epitaxial Graphene? Quantum Oscillations and Quantum Hall Effect". [8] Bae, S. et al. (2010). "Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes". Nature nanotechnology 5 (8): 5748. [9] Segal, Michael (2009). "Selling graphene by the ton". Nature Nanotechnology 4 (10): 6124.[10] Lenski, Daniel R.; Fuhrer, Michael S. (2011). "Raman and optical characterization of multilayer turbostratic graphene grown via chemical vapor deposition". Journal of Applied Physics 110: 013720.[11] Eftekhari, Ali; Yazdani, Bahareh (2010). "Initiating electropolymerization on graphene sheets in graphite oxide structure". Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 48 (10): 2204.[12] Nair; Wu; Jayaram; Grigorieva; Geim (2012). "Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes". Science 335 (6067): 4424.[13] Lee, C. et al. (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science 321 (5887): 3858.[14] Frank, I. W., Tanenbaum, D. M., Van Der Zande, A.M., and McEuen, P. L. (2007). "Mechanical properties of suspended graphene sheets". J. Vac. Sci. Technol. B 25 (6): 25582561.[15] "Graphene organic photovoltaics: Flexible material only a few atoms thick may offer cheap solar power". ScienceDaily. July 24, 2010.[16] Ekiz, O., et al. (2011). "Reversible Electrical Reduction and Oxidation of Graphene Oxide". ACS Nano 5 (4): 24752482.[17] Zhang, Y. et al. (2006). "Landau-Level Splitting in Graphene in High Magnetic Fields". Phys Rev Lett 96 (13): 136806[18] Nanoporous graphene could outperform best commercial water desalination techniques. Phys.org. Retrieved 2012-07-03.[19] David L. Chandler. "A new approach to water desalination". MIT News.[20] Ming Liu and Xiang Zhang (2011): A high-speed graphene-based broadband modulator, International conference of innovation in IT sector, Berkley University.5