< decembrie 2012 >

PPROFESOR INDRUMATOR:

STUDENT:

PPROFESOR INDRUMATOR:

STUDENT:

P R O I E C T

- C H I M I E -

P R O I E C T

- C H I M I E -

Pag. 2 / 15

C U P R I N S

▼ 1 INTRODUCERE / GENERALITATI ……………. 3

§ 1.1. Introducere …………………………………………… 3

§ 1.2. Generalitati …………………………………………… 3

▼ 2 STRUCTURA ………………………………………… 5

▼ 3PROPRIETATI / PARTICULARITATI …………

6

§ 3.1. Proprietati …………………………………………… 6

§ 3.2. Particularitati …………………………………………… 7

▼ 4 OBTINERE …………………………………………… 8

▼ 5 APLICATII PRACTICE REALIZATE …………… 11

▼ 6POSIBILITATI INTERESANTE PENTRU VIITOR ………………………………………………..

13

▼ 7 CONCLUZII ………………………………………….. 14

BIBLIOGRAFIE..…………………………………….. 15

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

▼ CAP. 1 INTRODUCERE / GENERALITATI

§ 1.1. Introducere

Grafenul, o noua forma de carbon cu proprietati speciale, a fost salutat drept materialul miraculos al

viitorului !

Dupa cum este cunoscut, carbonul poate exista in natura sub mai multe forme, cu diferite proprietati

fizice: diamant, carbon amorf, grafit, nanotuburi de carbon si fulerene*1) - (fig. 1), (fig. 2) .

- fig. 1 (Circuitul carbonului in natura)

*1) Fulerenele (sau "C60") sunt compusi de atomi de carbon, cu structuri sferice de tip dom geodezic (C60, C540) sau forme cilindrica de "tip cusca" (nanotuburile); fulerenele sunt inrudite structural cu grafitul

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

- fig. 2 - Forme alotrope ale carbonului: a) Diamant b) Grafit d) Fulerene (C60, C540, C70) g) Carbon amorf h) Nanotub de carbon

Grafenul este elementul de baza a trei dintre formele alotrope de carbon enumerate mai sus, mai

exact: grafit, nanotuburi de carbon si fulerene .

Intrucat resursele de grafit sunt destul de mari, este deci usor de realizat ca grafenul se intalneste in

cantitati insemnate in natura. Acesta reprezinta, in esenta, o "folie" alcătuita dintr-un singur strat de atomi de

carbon, aranjati intr-o structura cristalina de tip "fagure".

Descoperirea grafenului a declansat o explozie de studii stiintifice, pana in prezent existand deja

peste 3000 de teze legate de grafen si peste 400 de patente de inventii pe baza acestui material.

Conform cercetarilor in domeniu, se pare ca nu diamantul va sta la baza microtehnologiilor de

maine, ci umilul grafit, folosit odata doar la activitati mundane ca fabricarea de creioane si lubrifierea.  Mai

precis, grafitul în forma minimala: GRAFEN – foi de carbon dintr-un singur strat de atomi.

Oamenii de stiinta considera ca grafenul ar putea deveni noul material uimitor ce poate revolutiona

aproape orice parte a vietii noastre.

§ 1.2. Generalitati

Grafenul a fost descoperit relativ recent (in anul 2004), prin exfolierea grafitului, de catre un grup de

cercetatori britanici de la universitatea din Manchester condus de profesorul olandez Andre Geim, care

pentru aceasta, in anul 2010 a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizica.

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

Grafenul a existat pana de curand mai mult in domeniul stiintei si mai putin in cel al tehnologiei.

Noile descoperiri ii fac insa iesirea din laborator catre dispozitivele pe care le folosim adesea in practica.

Este un nanomaterial experimental, sustinut de forte mecanice si proprietati electronice.

Expertii au incredere in acest material datorita numarului impresionant de proprietatii unice

combinate pe care le detine.

Există tot mai mulţi cercetători care lucrează la analiza grafenului si din ce in ce mai des se publica

cate o noua lucrare de cercetare asupra caracteristicilor remarcabile ale acestui material. La fiecare cateva

luni se descopera modalitati noi si mai ieftine de prelucrare in masa a grafenului.

Tehnologia este într-o continua dezvoltare, iar astazi majoritatea dispozitivelor si gadget-urilor sunt

caracterizate de viteza mare si performanta ridicata. Pentru a depasii insa valorile deja atinse este nevoie de

materiale revolutionare. Se pare ca unul dintre acesta este GRAFENUL.

Cercetatorii in domeniu afirma ca rareori un material „nou” a promis atatde

mult in zone atat de diferite ale stiintei.

Astfel, marile companii de electronice precum NOKIA si IBM previzioneaza deja utilizarea

grafenului in tehnologii inovative, prin inlocuirea siliciului la fabricarea microelectronicelor si a

calculatoarelor de noua generatie: mai rapide, mai robuste, mai compacte.

CAP. 2 STRUCTURA

Grafenul este varianta bidimensionala a grafitului:

- Este format dintr-un aranjament planar (bidimensional) de atomi de carbon dispusi in retea

hexagonala (fig. 3)

- fig. 3 (Aranjament bidimensional de atomi de carbon dispusi in retea hexagonala)

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

- Distanta dintre atomii de carbon ai grafenului este de 0.142 nm

- Este element structural de baza al altor alotropi ai carbonului incluzand grafitul, nanotuburile de

carbon si fulerenele

- Are o structura chimica foarte simpla, rigida: o foaie de grafen este alcatuita dintr-un singur strat

de atomi de carbon

- Are o structura fina, regulata, stabila: 1 mm grosime de grafen este compusa din 3 milioane de

straturi foarte fine alaturate (fig. 4)

- fig. 4 (Grafen – imagine marita de 5000 de ori cu un microscop electronic)

▼ CAP. 3 PROPRIETATI / PARTICULARITATI

§ 3.1. Proprietati

Avand un sir intreg de proprietati deosebite, demonstrate de cercetarile efectuate pana in prezent,

grafenul detine un potential extraordinar pentru realizarea practica a unor noi aplicatii.

Grafenul reprezinta primul material cristalin bi-dimensional, complet nou, cu proprietati

remarcabile:

- Grafenul se gaseste in natura in cantitati insemnate

- Foliile de grafen sunt foarte stabile, in conditii de temperatura si presiuni obisnuite/normale,

nefiind nevoie de masuri speciale de mediu

- Foliile de grafen au o structura extrem de regulata; nu s-au descoperit inca defecte de structura

- Grafenul are o rezistență mecanica foarte mare

- Este un material impermeabil

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

- Este foarte rigid (pe o directie) si foarte flexibil (pe alte directii)

- Este cel mai bun conductor de electricitate cunoscut

- Grafenul este materialul cel mai subtire cunoscut (este format dintr-un singur strat de atomi de

carbon); datorita subtirimii lor, foliile de grafen luate individual sunt transparente

- Este foarte dens; nici heliul (cel mai subtire gaz atomic) nu poate trece prin acest material

- Este cel mai usor material existent; greutatea grafenului este aproape egala cu ZERO

§ 3.2. Particularitati

Cu toate ca are o structura foarte simpla, GRAFENUL – derivatul bidimensional al grafitului, a atras

atentia cercetatorilor in domeniu prin numeroasele sale particularitati, unice, care il fac superior celorlalte

materiale:

- Grafenul este cel mai puternic material: este de aproape 300 de ori mai dur decat otelul

- Fiind format dintr-un singur strat de atomi de carbon, pentru a obtine un material cu o grosime

totala de 1 milimetru, sunt necesare de 3 milioane de straturi de grafen suprapuse

- Este un material extrem de flexibil, poate fi intins precum cauciucul,

cu aproximativ 20% mai mult din suprafata sa fara a suferi vreo dauna

- Este practic invizibil, dar conduce electricitatea si caldura mai bine decat orice fir de cupru

- Conductivitatea termica a grafenului surclaseaza toate materialele cunoscute

- Grafenul se poate auto-repara, astupand gaurile produse in structura sa

- Datorita prezentei unor mici pori in structura, membranele construite din grafen blocheaza

trecerea unor gaze si lichide, dar permit trecerea /filtrarea apei, sau separarea probelor biologice

((fig. 5)

- fig. 5 (Pori in structura unei membrane de grafen – imagine realizata cu un microscop electronic)

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

- Membranele obtinute din grafen sunt de sute de ori mai subtiri decat firul de par, dar sunt

rezistente, flexibile si usor de manevrat

- Considerat cel mai dur material, grafenul poate respinge gloantele mai bine decat kevlarul *2)

- Un adaos de 1% grafen intr-o masa plastica, o va transforma intr-un material conductor de

electricitate

- Grafenul este sensibil la frecventele spectrului vizibil al luminii, la radiatiile infrarosii si

ultraviolete (absoarbe numai 3% din lumina care il atinge)

- Valoarea mobilitatii electronice a grafenului (masurata la temperatura camerei) este de 200 000

de centimetri patrati pe volt pe secunda (de 300 de ori mai mare decat cea a siliciului)

- in interiorul grafenului, electronii se comporta ca si cum nu ar avea masa, deplasandu-se la

viteze de aproximativ 1% din viteza luminii

- Electronii pot parcurge grafenul pe distante foarte mari, fara a risca sa fie deviati de impuritati

(asa cum se intampla de exemplu in cazul siliciului)

▼ CAP. 4 OBTINERE

Grafenul este realizat prin exfolierea si procesarea chimica a grafitului, materialul ieftin folosit la

creioane (un creion de plumb este alcătuit din milioane de straturi de grafen).

Descoperitorii acestui material (cercetatorii Andre Geim si Konstantin Novoselev) au izolat pentru

prima data grafenul, in laborator, dintr-o bucata de grafit.

folosind o banda adeziva normala (rola de scotch), au reusit sa detaseze "fulgi" fini

de carbon (de grosimea unui atom);

au lipit banda adeziva pe o placa de siliciu si au identificat, la microscop, straturile

fine de grafen.

*2) Kevlar-ul este o poliamida cu proprietati mecanice deosebite, de 5 ori mai rezistenta decat otelul, considerat la o greutate egala; Kevlar-ul este cel mai bine cunoscut pentru aplicatiile in domeniul vestelor antiglont

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

Astfel, au constatat ca o foita de grafen consta dintr-un singur strat de atomi de carbon, aranjati

intr-un model heaxagonal repetitiv (fig. 6) .

- fig. 6 – Asezarea atomilor in foita de grafen

Cu toate ca producerea si izolarea grafenului are la baza un procedeu simplu, e nevoie de multe

repetari, ceea ce face ca pretul de obtinere sa creasca destul de mult.

In prezent, grafenul este obtinut la temperaturi foarte ridicate, de 1000°C, folosind depunerea

chimica de vapori, sistem complex si cu un randament relativ scazut.

La fiecare cateva luni oamenii de stiinta descopera modalitati noi si mai ieftine de prelucrare in masa

a grafenului.

Tehnologia de producere a grafenului se maturizeaza pe zi ce trece, avand un impact direct atat

asupra intelegerii fenomenelor chimice si fizice care stau la baza sa, cat si asupra fezabilitatii si a aplicaţiilor

sale.

Cercetatorii de la Universitatea Northern (Illinois) au gasit o metoda

mai usoara, mai rapida si mai ecologica de obtinere a grafenului: arderea magneziului in gheata

carbonica

Specialistii considera ca inainte de initierea productiei grafenului la scara larga, este

necesara perfectionarea extragerii, pentru a obtine un material cat mai pur si cu o buna

calitate cristalografica

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

O echipa de oameni de stiinta polonezi a anuntat de curand ca a descoperit o noua metoda de

fabricare a planurilor de grafen

Metoda se bazeaza pe o tehnica de epitaxie*3) asupra carburii de

siliciu, sub presiune, intr-un mediu gazos

Noua metoda permite obtinerea de planuri de grafen cu o suprafata

care, momentan ajunge pana la patru inchi patrati (25 cm2) si are o structura omogena

Cel mai important aspect al acestei noi metode este pretul convenabil, ce creeaza

perspectiva producerii masive a acestui material

O echipa de cercetatori din Texas, condusa de chimistul James Tour a descoperit o metoda prin

care grafenul poate fi extras din aproape orice contine carbon, inclusiv din mancare, insecte,

deseuri

In cadrul prezentarii organizate in incinta Institutului Smalley, echipa condusa de Tour a

facut demonstratia fabricarii grafenului dintr-o gama extrem de diversa de materiale: iarba,

ciocolata, polistiren, un picior de gandac si chiar excremente de caine – pentru a arata ca aceasta

structura chimica deosebita poate fi extrasa din tot soiul de materiale obisnuite din jurul nostru

In timpul procesului de extragere, grafenul se formeaza pe o parte a unei foite de cupru in

timp ce sursele de carbon solid se descompun pe cealalta parte a peliculei, acolo unde raman si

reziduurile astfel rezultate

Operatiunea dureaza circa 15 minute si se desfasoara intr-un cuptor cu argon si cu

hidrogen gazos, supraincalzite la temperatura de 1050 de grade Celsius

Cu noua metoda < Tour >, se previzioneaza ca pretul materialului sa scada, odata ce el

va putea fi produs in masa fara prea mare efort

*3) Epitaxia este un procedeu ce permite crearea de cristale pe straturi. In cazul grafenului, carbura de siliciu este incalzita pentru ca atomii de siliciu din straturile exterioare sa se evapore, in timp ce atomii de carbon care mai raman se organizeaza in straturi subtiri de grafen

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

▼ CAP. 5 APLICATII PRACTICE REALIZATE

Purtator de specimen in microscopia electronica cu transmisie

Avantaje:

grafenul este practic transparent si nu deranjeaza vederea specimenului;

ca specimen se utilizeaza de obicei atomi de substante, care insa se ataseaza de grafen atat de

tare incat nu mai vibreaza si pot fi cercetati in liniste;

ar putea fi chiar filmati; chiar si decursul reacţiilor chimice la nivelul atomilor poate fi

fotografiat si filmat live;

rezolutia rezultanta este foarte mare, astfel s-au putut deja pentru prima data studia atomi

singulari de hidrogen (care sunt foarte mici in comparatie cu alti atomi);

se pot folosi microscoapele electronice cu transmisie existente, nemodificate.

Byung Hee Hong si colegii sai de la universitatea Sungkyunkwan (Coreea) au reusit (in anul

2009) sa creeze filme de grafen flexibile cu suprafata de pana la 4 cm2.

Avantaje:

pana la el dimensiunile filmelor erau abia de ordinul micrometrilor.

Captarea si convertirea energiei luminoase : prin asezarea a doua fire metalice deasupra unui

fragment de grafen, rezulta o celula solara elementara.

Avantaje:

dispozitivul are capacitatea de a spori foarte mult viteza comunicatiilor, furnizand viteze de

zeci, poate de sute de ori mai mari decat cele posibile prin cele mai rapide cabluri de internet

utilizate in prezent.

Compania Samsung, in parteneriat cu Universitatea Sungkyunkwan din Coreea de Sud, a

realizat un touchscreen flexibil de 25 de inci, pe baza de grafen.

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

Compania IBM a realizat un circuit integrat de mare viteza cu

comutare, creat pe baza de grafen

o este compus dintr-un tranzistor pe baza de grafen si o pereche de inductante integrate pe

un wafer de siliciu-carbon (SiC) - (fig. 7)

- fig. 7 – Mixer de inalta frecventa (realizat de IBM)

Avantaje:

circuitul construit de IBM (un mixer de inalta frecventa), poate opera cu frecvente de pana

la 100 GHz si la o teperatura de pana la 1270C;

poate converti lungimea de unda de la o frecventa inalta catre joasa frecventa.

Un grup de cercetatori americani (Georgia Institute of Technology –Atlanta) a reusit sa

graveze conductoare electrice din grafen de numai 12 nm latime pe un substrat de oxid de

grafen.

o metoda foloseste varful incins al unui microscop cu forta atomica (tip AFM).

Avantaje:

procedeul foarte promitator pentru producerea circuitelor integrate la scara nanometrica.

O echipa de cercetatori din cadrul Universitatii Cambridge, coordonata de profesorul de

nanotehnologie Andrea Ferrari, a reusit sa obtina o cerneala din grafen care poate fi folosit de

o imprimanta cu jet de cerneala modificata.

Avantaje:

cerneala de grafen este mai buna decat cernelurile polimerice deoarece ea prezinta o

mobilitate sporita a electronilor si o mai buna conductivitate electrica;

Rezultatul oamenilor de stiinta este cel putin comparabil cu actualele cerneluri, dar produsul

ar trebui sa poata fi imbunatatit pe masura ce metoda de obtinere a cernelei de grafen va fi

rafinata si perfectionata;

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

Realizarea paveaza drumul catre mijloace de dezvoltare a unor componente electronice care

pot fi imprimate pe o mare varietate de substraturi;

Dispozitivele construite cu ajutorul grafenului tiparibil pot varia de la computere portabile si

hartie electronica, pana la senzori, emitatoare electrice si ecrane tactile flexibile.

▼ CAP. 6 POSIBILITATI INTERESANTE PENTRU VIITOR

O serie de prototipuri bazate pe grafen au fost dezoltate peste tot in lume si se pare ca posibilitatile

sunt aproape nesfarsite. Astfel, cercetatorii intrevad numeroase posibiliati interesante pentru viitor:

cercetare fundamentala in domeniul mecanicii cuantice, fara a necesita cheltuieli enorme (de

ordinul chiar al miliardelor de euro), cum este cazul pana acum la acceleratorii de particule

si la telescoapele actuale; cu ajutorul grafenului, mecanica cuantica poate fi cercetata acum

si in laboratoare;

dovedirea unor fenomene cuantice deosebite sau neasteptate;

tranzistori si circuite integrate deosebit de mici si rapide, mult mai rapide decat cele be baza

de siliciu; toate aplicatiile actuale electronice se vor putea realiza mult mai bine pe baza de

grafene;

productia de fulerene si nanotuburi;

productia de noi materiale compuse, extrem de dure si rigide (pe o directie), dar eventual

flexibile (in alta directie), pentru display-uri noi, flexibile, hartie speciala, laminate si folii

speciale, computere cu punct de cuante, celule solare etc;

calculatoare si cipuri mai rapide, telefoane mai intuitive, imbunatatiri in domeniul biologiei

si ingineriei aeronautice:

o grafenul ar putea sa ajute in comunicarea avioanelor cu pilotii

o oamenii de stiinta explica ca proprietatile electrice ale grafenului se schimba in functie

de tensiunea la care este supus (cand sunt vanturi puternice de exemplu); astfel, carcasa

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

o va putea simti daca avionul este supus unui stres si va oferi informatii direct in carlinga,

fara sa mai fie nevoie de senzori aditionali;

compania Samsung promite realizarea primul telefon mobil cu ecran din grafen;

folosit sub diverse forme, grafenul ar putea revolutiona telefoanele mobile, televizioarele,

facandu-le subtiri precum afisele sau ziarele, punandu-le in format electronic portabil;

in medicina, ar putea fi folosit pentru a inlocui siliconul din cipuri;

realizarea unor caroserii de automobile mai rezistente la impact;

fabricarea unor acumulatori de zeci de ori mai performanti decat cei cu Li-ion sau Li-

polimer;

este considerat ca fiind o alternativa la caroseria din fibra de carbon a ambarcatiunilor si

bicicletelor;

caracteristicile grafenului ar putea permite ca un concept precum Nokia Morph*3) (prezentat

in 2008), sa devina realitate.

▼ CAP. 7 CONCLUZII

Este GRAFENUL materialul miraculos asa cum apreciaza cei mai entuziasti dintre cercetatori sau ........

ar putea fi un alt material nou ce ar putea dezamagi, conform aprecierii celor mai sceptici dintre acestia

Concluzionand, sunt redate mai jos calitatile si neajunsurile acestui material, conform rezultatelor

cercetarilor in domeniu:

Pana in acest moment, grafenul este cel mai bun conducator de electricitate si caldura cunoscut;

Datorita extraordinarelor proprietati mecanice si electrice, grafenul ar putea deveni marea vedeta

in domeniul noilor materiale;

*3) concept bazat pe nano-tehnologie, materiale flexibile şi transparente; concept creat de centrul de cercetări Nokia în colaborare cu Universitatea Cambridge

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -

Pag. 2 / 15

Tari importante ale lumii sunt decise sa sprijine dezvoltarea de noi

tehnologii pe baza de grafen:

o Guvernul Britanic investeste 50 de milioane de lire sterline (aproximativ 58 de

milioane de euro);

o Coreea de Sud investeşte 228,3 milioane de euro;

o Comisia Europeana investeste un milliard de euro in grafen in urmatorii zece ani.

Cercetatorii estimeaza anul 2025 ca inceputul accesibilitatii la scara

larga a tehnologiei pe baza de grafen;

E dificil de obtinut in cantitati industrial, la preturi convenabile;

Este atat de bun conducator de electricitate incat transformarea lui in

dispozitive precum tranzistorii s-a dovedit problematica (apreciere

formulata de reprezentantii IBM);

Tot IBM apreciaza ca „este greu de imaginat” ca grafenul ar putea

inlocui siliconul din cipurile de calculator;

Cei mai sceptici dintre cercetatori apreciaza ca “revolutia grafenului a

inceput deja, dar viitorul e nesigur”;

BIBLIOGRAFIE:

- colectia de reviste SCIENCE WORLD (2010-2011)

- colectia de reviste SCIENCE FOCUS (2011)

- http://ro.wikipedia.org/wiki/Grafen

- GRAFENUL / Aplicatii in electronica -