Коробки-оригами из графена - новая технология хранения водородного топлива

Исследователи из университета Мэриленда продемонстрировали результаты компьютерного моделирования, которые служат доказательством того, что графен, при помощи электрических полей и воздействий другого рода, может быть "сложен" в виде аккуратной трехмерной герметичной коробки, служащей в качестве емкости, хранящей небольшое количество водорода. Воздействие другого рода может заставить графеновую коробку-оригами раскрыться и выпустить водород, который может быть использован в качестве топлива водородных топливных элементов.

Метод, при помощи которого графен складывается в коробку, имеет название HAGO (hydrogenation-assisted graphene origami). В этом процессе задействованы графеновые пленки, которым при помощи предварительной обработки была придана необходимая форма. Форма графеновой пленки и силы, возникающие при соединении атомов водорода со свободными валентными связями атомов углерода на краю пленки, являются причиной, по которой пленка самостоятельно сворачивается в герметичную коробку-оригами, во внутреннем объеме которой содержится некоторое количество водорода под давлением.

Силы, заставляющие свернуться графеновую пленку и удерживающие ее в виде коробки, достаточно сильны для того, чтобы выдержать избыточное давление заключенного в ней водорода, а электрическое поле используется на самом последнем этапе, он нарушает процессы взаимодействия атомов углерода и водорода, заставляя коробку развернуться и выпустить содержавшийся в ней водород.

"Для того, чтобы заставить предварительно отформованную графеновую пленку самостоятельно свернуться в трехмерную наноструктуру нужно только наличие водорода" - рассказывает Тенг Ли (Teng Li), профессор из университета Мэриленда, - "Электрическое поле используется для "поляризации" графена, что уменьшает силы притяжения слоев графена и что приводит к обратному развертыванию наноструктуры. После отключения электрического поля пленка снова сворачивается и этот процесс может быть повторен сколько угодно раз".

Следует отметить, что графеновые коробки-оригами способны хранить водород в количестве 9.7 процента от общего веса. Это существенно превышает значения, поставленные в качестве цели американским Министерством энергетики, которые планировали добиться такого показателя для систем хранения водородного топлива на уровне 5.5 процентов к 2017 году и 7.5 процентов к 2020 году.

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/green-tech/fuel-cells/graphene-origami-boxes-exceed-hydrogen-storage-targets

Как графен, только из фосфора

Учёные активно изучают возможности получения новых материалов, аналогичных графену, — состоящих из слоя вещества толщиной в один атом. Существенный прогресс в последнее время был продемонстрирован в получении фосфорена — материала, состоящего из одного слоя атомов фосфора.

Кристаллическая структура фосфорена (Credit: Han Liu et al.)

В январе этого года были опубликованы работы сразу двух независимых групп, американской и китайской , которым удалось значительно продвинуться в получении фосфорена. Получают фосфорен из так называемого чёрного фосфора — слоистого материала, похожего на графит, из которого получают графен. Чёрный фосфор известен с 1960-х годов, но только в 2013 году начались попытки выделить из него отдельный слой. В работах, о которых идёт речь, чёрный фосфор был очищен до толщины в два — три атомных слоя. Интересно, что, как и при первом получении графена в 2004 году, для снятия лишних слоёв использовалась банальная липкая лента.

Внешний вид чёрного фосфора (Credit: Theodore W. Gray )

Получение новых материалов, состоящих из одного слоя атомов различных веществ, стало в последние годы одним из заметных направлений в материаловедении. Учёные даже окрестили этот тренд «постграфеновой эрой».

Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, обладает уникальными свойствами, делающими его практически идеальным для использования в электронных устройствах. В частности, графен отличается исключительно высокой подвижностью электронов, то есть хорошо проводит электричество, а также тепло. Проблема заключается в том, что в графене отсутствует так называемая запрещённая зона — интервал энергий, которые электрону иметь запрещено. Наличие такой зоны крайне желательно, поскольку она является основой всей современной полупроводниковой электроники, позволяя создавать такие важнейшие элементы, как диоды и транзисторы.

Именно поэтому активно идут поиски веществ с высокой подвижность электронов, и одновременно с наличием запрещённой зоны. Поскольку высокая электропроводность графена во многом связана с его двумерной, плоской структурой, то и новые материалы ищут среди тех веществ, которые способны образовать двумерную сетку. В июле 2013 года путём численного моделирования удалось обнаружить 92 кандидата в такие материалы, но их экспериментальное получение оказалось связанным с большим количеством сложностей.

Как и графен, фосфорен состоит из шестиугольников, но не является полностью плоским — некоторые атомы находятся чуть выше плоскости, другие — чуть ниже. Это, однако, несильно замедляет электроны по сравнению с графеном. В то же время фосфор обладает запрещённой зоной, позволяющей ему в разных условиях то проводить ток, то нет.

Ещё одна иллюстрация кристаллической структуры фосфорена (Credit: Likai Li et al.)

Несмотря на то что достичь толщины в один слой, то есть получить чистый фосфорен, пока не удалось, учёные полны оптимизма. Например, было показано, что даже в полученных образцах скорость движения электронов сравнима с другим кандидатом в «постграфены» — дисульфидом молибдена, состоящим из атомов серы и молибдена. При этом наличие в структуре фосфорена атомов только одного вещества — фосфора, — а не двух, делает новый материал более привлекательным с точки зрения простоты изготовления.

Фосфорен не единственный аналог графена, состоящий из одного сорта атомов. Ранее удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен. Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны. Теоретически, более интересным кандидатом является станен — одноатомный слой олова, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, все равно пока не позволяют использовать этот материал в реальных устройствах. Фосфорен должен быть более стабильным, чем его конкуренты, но его производство сложнее: для получения чёрной модификации фосфор высокой чистоты требуется помещать под огромные давления. Процесс дальнейшего снятия слоёв также пока не оптимизирован.

В любом случае сама возможность получения двумерного материала с запрещённой зоной является достаточно привлекательной для продолжения исследований в этой области, а потенциальный коммерческий успех обещает покрыть любые временные затраты.

habrahabr.ru

Оригинал взят у

vadim_proskurin в Мембрана для опреснения

Девять британских и китайских ученых, в число которых входят Андрей Гейм и некая И.В. Григорьева, изготовили из оксида графена мембрану с очень маленькими порами, сквозь которые молекулы воды проходит легко, а ионы растворенных солей - с трудом:

Если удастся довести эту разработку до промышленного образца, это позволит делать опреснительные установки по принципу кувшинного фильтра - сверху заливаешь морскую воду, снизу капает пресная. Это будет эпично.

Оригинал взят у

solar_front в Графен промышленно.

Photo: Graphene Frontiers: Работа реактора для нанесения графена.

Стартап Graphene Frontiers от Университета Пенсильвании получил 744600$ от National Science Foundation. Деньги предназначены для того, чтобы помочь молодой компании поставить на ноги новую технологию производства графена от рулона к рулону (roll-to-roll), в случае успеха это позволит крупномасштабное производство высококачественного графена. В этом случае компания будет первой, кто применит метод парофазного химического осаждения (CVD), часто используемый для получения поликристаллических моноатомных слоев графена, для осаждения от рулона к рулону.

Важно отметить, что графен-графену рознь: монокристаллический, "чудо-материал" получается всё еще не промышленным методом механического раскола или "скотч-методом". нетрудно догодаться, что этот метод и материал - небольшие хлопья производимые им не подходят для промышленности. Хотя в случае поликремниевого уже есть успехи.

Надо отметить, что уже существует несколько компаний "получающих графен". Методов несколько. Это и получениеграфена прямо в в графитовых шатах и выделение углеродных слоев, используя плазму, механическое отделение и химические методы. Эти методы производят низкокачественный графен, который мог в конечном счете быть полезным в противокоррозийных красках или электродах батареи. (А может быть и безполезным и затратным).

Графен полученный CVD считается более качественным хотя конечно содержит еще дефекты в структуре и многие верят в то, что он может быть в конечном счете быть использован вместо распространненных сегодня проводящих прозрачных оксидов.

Photo: Graphene Frontiers: Готовая медная подложка с графеном 300 см2 на выходе CVD реактора.

Компания обещает продемонстрировать осаждение на ленте уже в 2015 году. Но не будем забывать, что это игра с большим риском: графену нужно будет еще побороться на рынке с хорошо изученным кремнием тогда как сам графен не имеет запрещенной зоны и очень слабо изучен.

Сей пост родился как коментарий к сообщению от

ardelfi.

Ученые изучили поведение электронов в цепных молекулах

Изображение цепочки полимера, полученное различными методиками.

Полупроводниковые пи-сопряженные полимеры благодаря их легко перестраиваемым электрическим, оптическим и магнитным свойствам являются перспективными материалами для таких практических приложений, как светоизлучающие диоды, полевые транзисторы, а также в сегментах солнечной энергетики и создания оптоэлектронных устройств. В своей последней работе группа ученых из США предложила новый способ производства подобных полимеров, а также проанализировала отдельные олигомерные цепочки с использованием передовых технологий сканирующей зондовой микроскопии. Исследования показали, что олигомерные цепи полимеров дают возможность по-новому взглянуть на связь между химической структурой и электронными свойствам цепных молекул. Ученые уверены, что их работа в перспективе поможет в разработке устройств на основе электропроводящих полимеров с заданными электронными свойствами. Кроме того, предложенная методика производства потенциально может быть перенесена на новые графеновые наноструктуры (на подложках из изолятора).

В рамках своей работы группа ученых из University of California и Lawrence Berkeley National Laboratory (США) создавала отдельные олигомерные цепи полимеров с помощью нагревания прекурсора (энедиина), за которым следовала радикальная полимеризация. Надо отметить, что подобная реакция для производства размещенных на поверхности производных полиацетилена использовалась впервые. Далее ученые использовали методики сканирующей туннельной микроскопии и бесконтактной атомно-силовой микроскопии для подробного изучения полученного полупроводникового полимера.

Обе методики основаны на использовании очень острого зонда или металлического наконечника, который подводится непосредственно к образцу (на расстояние менее нескольких атомных диаметров). С помощью сканирующего туннельного микроскопа, измеряя квантово-механический туннельный ток между зондом и образцом, ученые смогли получить информацию об электронных состояниях полимера. В свою очередь бесконтактная атомно-силовая микроскопия была использована для непосредственного отображения химической структуры молекул на поверхности образца. Правда, чтобы обе методики работали должным образом, необходимо было их немного скорректировать, в частности, использовать модифицированные зонды, а также контролировать дополнительные параметры, к примеру, расстояние между зондом и образцом. Благодаря этим ухищрениям ученым удалось получить детальную картину процесса образования полимерных цепей. Они смогли наблюдать электронные состояния, возникающие в олигомерных цепях; кроме того, определили, что энергия этих состояний коррелирует с длиной цепи.

Как поясняют исследователи, упомянутые выше низкоэнергетические электронные состояния формируются благодаря эффективному перекрытию пи-орбиталей мономерных строительных блоков. Соответственно, повышение пространственной делокализации тесно связано с уменьшением электронной энергии олигомеров, что было также подтверждено теоретическим моделированием.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

В ближайшем будущем группа ученых планирует аналогичным образом наблюдать за синтезом графеновых нанолент на подложках из изолятора (в ходе синтеза планируется применять схожий производственный процесс). Графеновые наноленты, по мнению исследователей, - это уникальные структуры, которые изменяют свои свойства от полуметаллических до полупроводниковых, по мере того как их ширина уменьшается. Подробные исследования их синтеза, как ожидается, должны продемонстрировать множество интересных и технологически полезных особенностей. В перспективе эти особенности могут использоваться в высокоэффективных наноэлектронных устройствах, таких как высокочастотные транзисторы и датчики. Кроме того, они могут быть идеальными соединительными элементами в наноэлектронных схемах.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl403791q
http://nanotechweb.org/cws/article/tech/56049

Сделано в IBM Labs: эра графеновых микрочипов всё ближе

В исследовательском подразделении корпорации создана элементарная схема с цепями на основе графена, позволяющая отправлять и принимать сообщения.

IBM отрапортовала о новых достижениях в разработке технологий производства микрочипов на основе графена: учёным удалось создать самую прогрессивную в мире полнофункциональную интегральную схему с применением этой двумерной аллотропной модификации углерода.

Подложка с экспериментальными чипами на основе графена (здесь и ниже изображения IBM Labs).

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых в гексагональную сотоподобную кристаллическую решётку. Эта двумерная форма углерода обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами.

«Ключевое преимущество графена в очень высоких скоростях распространения электронов в этом материале, что является важнейшим условием для создания быстродействующих высокопроизводительных транзисторов следующего поколения», — говорят в IBM.

Графен обещает революционизировать такие принципиально важные области, как микроэлектроника, накопители энергии, гибкие дисплеи и устройства беспроводной связи.

Электронные цепи, выполненные на основе графена, обеспечат более высокую скорость передачи данных при меньшем по сравнению с кремниевыми изделиями энергопотреблении. Так, созданная в IBM экспериментальная графеновая схема для беспроводных приёмопередатчиков потребляет всего 20 мВт мощности в рабочем режиме. В ходе тестирования удалось успешно принять и восстановить сообщение «I-B-M» на частоте 4,3 ГГц без каких-либо искажений.

Более того, экспериментальная схема показывает в 10 000 раз более высокое быстродействие, нежели все предыдущие разработки.

Изготовление полноценных интегральных схем с применением графена сильно затруднено из-за того, что его тончайшие листы очень легко повредить. Поэтому характеристики графеновых транзисторов неминуемо деградируют.

Для решения проблемы исследователи IBM полностью пересмотрели производственный процесс, применяемый при изготовлении кремниевых интегральных схем: работа с графеновыми транзисторами была выделена в заключительный этап. В результате удалось впервые сформировать рабочую графеновую схему для беспроводных устройств, частично выполняющую функции современных кремниевых изделий.

Более подробная информация об исследовании доступна в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам IBM

Как улучшить натрий-ионные аккумуляторы

Американские исследователи предложили новую технологию изготовления электродов на основе гибкого материала, состоящего из слоя дисульфида молибдена и покрывающих его графеновых нанолистов.

Натрий-ионные аккумуляторы в будущем могут стать альтернативой широко распространённым сегодня литий-ионным батареям: источники питания нового типа обеспечат значительно бóльшую ёмкость — а значит, и увеличенное время автономной работы потребителей.

Увы, сегодня эта технология требует доработок, несмотря на заметный прогресс. Дело в том, что диаметр иона натрия равен 1,02 Å, а иона лития — 0,59 Å. Поскольку в процессе зарядки-разрядки ионы должны входить и выходить из удерживающих их структур аккумулятора, более крупные ионы провоцируют быструю деградацию батарей.

Об очередных достижениях в создании натрий-ионных элементов отрапортовали исследователи из Университета штата Канзас (США).

Структура нового композитного материала (здесь и ниже изображения Университета штата Канзас).

Доцент кафедры машиностроения и ядерной техники Гарприт Сингх (Gurpreet Singh) впервые показал, что особый композитный материал может служить одновременно эффективным хранилищем атомов натрия и гибким токоприёмником. Разработка представляет собой «бутерброд» из слоя дисульфида молибдена, сверху и снизу которого расположены графеновые нанолисты. Такая «композитная бумага» может играть роль отрицательного электрода в натрий-ионных аккумуляторах.

Обычно катоды в натрий-ионных батареях используют материалы, которые вступают в реакцию «сплавления» с натрием. В результате при зарядке и разрядке их толщина способна возрастать на 400–500%, что может стать причиной механического повреждения элемента и потери электрического контакта.

Дисульфид молибдена ведёт себя в натрий-ионных аккумуляторах иначе: многослойная и пористая структура обеспечивает эффективные диффузные каналы для ионов натрия во время быстрого накопления и отдачи заряда ячейками. Кроме того, отпадает необходимость в использовании полимерного связующего вещества и медной фольги, которые являются частью традиционных электродов. При этом электроды нового типа дают стабильную зарядную ёмкость в 230 мА•ч/г.

В ходе исследований команда г-на Сингха сформировала листы «композитной бумаги» довольно большой площади, состоящие из обработанного кислотой слоя дисульфида молибдена и химически модернизированных слоёв графена. При этом впервые удалось продемонстрировать работоспособность электродов на основе этого материала при комнатных температурах.

Предполагается, что в перспективе достижение приведёт к разработке эффективной технологии производства недорогих натрий-ионных батарей высокой ёмкости. Исследователи уже ведут переговоры о коммерциализации методики.

Результаты работы опубликованы в журнале ACS-NANO.

Подготовлено по материалам Университета штата Канзас.
Владимир Парамонов

Впервые испытаны транзисторы на фосфорене

Двумя научными группами — из США и КНР — одновременно открыт фосфорен. По сути, тот же фосфор, только двумерный. Как и двумерный углерод по имени графен, он может оказаться чрезвычайно важным материалом для будущих поколений вычислительной техники.

Открытый десять лет назад графен, несмотря на несколько выдающихся качеств, несёт в себе и врождённые ограничения — такие, например, как отсутствие запрещённой зоны, обязательной для полупроводников.

Именно поэтому Пэйдэ «Питер» Е (Peide Ye) и его коллеги из Университета Пердью (США) попробовали выделить аналог графена из чёрного фосфора — многослойной структуры, про которую сам г-н Пэйдэ так и говорит: «Посмотрев на его свойства в Википедии, уже через полчаса я понял, что у него есть потенциал». Потенциал для того, чтобы стать сырьём для получения одноатомных пластин фосфора.

Структура у нового материала не плоская, поскольку каждый его слой представляет собой «гофрированную» пластинку из атомов фосфора. (Здесь и ниже иллюстрации Peide Ye.)

«Технология» получения фосфорена пока ничем не отличается от того, что было явлено г-ми Геймом и Новосёловым в первые дни графена: липкая лента и чёрный фосфор, от которого этой лентой отрываются всё более тонкие слои. Кустарщина, конечно, но для изучения базисных свойств большего и не нужно. Что же удалось выяснить?

Материаловеды создали простейший транзистор из фосфора и взглянули на его свойства как полупроводника. Оказалось, что он имеет вполне себе запрещённую зону, и это одно из его преимуществ перед графеном.

В теории материалы, сходные с графеном (тонкие одноатомные слои), с кремнием уже применялись, породив силицен. Хотя последний — полупроводник, тем не менее его особенности, в том числе врождённая тяга к самоуничтожению, исключают создание на его основе работающих транзисторов. Станен — столь же перспективный (как и графен) материал на основе олова — пока, к сожалению, трудно получить в виде пластин, отчего его свойства всё ещё известны больше по теоретическим симуляциям, нежели по натурным исследованиям. Похоже, фосфорен — пока единственный естественный двумерный полупроводник р-типа, который есть в загашнике у материаловедов.

И всё же говорить о тождественности топологии графена и фосфорена в том, что касается их полной двумерности, пока стоит с большой осторожностью. Фосфор имеет три ковалентные связи, а не четыре, как углерод, а потому его поверхность сильно «вспучена», будучи не такой плоской, как у графена. В то же время это придаёт ему дополнительные возможности, связанные с наличием запрещённой зоны. Поэтому на практике сильные стороны этого материала являются порождением его неполной двумерности. По итогам экспериментов, модулирование тока на стоке у опытного фосфоренового транзистора, размещённого на подложке из оксида кремния, на четыре порядка лучше, чем у графена, и максимальный уровень модуляции для фосфорена всё ещё не достигнут, подчёркивают учёные. Ограничением пока служит подложка из этого самого оксида кремния.

Из фосфорена уже созданы предельно простые транзисторы, причём успешно работающие.

Что у него с подвижностью электронов? Она зависит от толщины слоя фосфорена, которая на практике пока колеблется. Если у американской группы, возглавляемой Пэйдэ Е, для сравнительно толстого образца она составила примерно 286 см²/В•с , то у китайской, ведомой Юаньбо Чжаном (Yuanbo Zhang) из Фуданьского университета, для дырок она достигает 1 000 см²/В•с (для куска фосфорена толщиной 10 нм). В то же время в опытах с другой толщиной пластины подвижность может быть «примерно меньше или больше», хотя точные границы значений станут ясны лишь после дополнительных исследований.

Особо подчёркивается, что с помощью двумерных полупроводников р-типа, представленных фосфореном, можно получить «напарников» для двумерных полупроводников n-типа, вроде дисульфида молибдена. И американская группа уже создала CIMOS-инвертор, где фосфорен функционирует в PMOS-, а дисульфид молибдена — в NMOS-структурах.

Как считают учёные, работоспособность такого сочетания означает, что сразу после создания технологий массового производства материалов на основе фосфорена он может быть использован в электронике современного типа, значительно улучшая её характеристики без необходимости в применении транзисторов нетривиальных схем, как это имеет место с графеном.

Препринты рассмотренных работ доступны здесь и тут.

Подготовлено по материалам NewScientist и других источников.

Александр Березин

Рисунки на бумаге лягут в основу инновационной технологии

Иногда для решения проблемы не требуются высокотехнологичные инструменты — достаточно посмотреть на свой письменный стол.

Три студенты из школы Маккормика Северо-западного университета доказали, что простые карандаши и обычная офисная бумага могут использоваться для создания функциональных устройств, способных измерять напряжение и выявлять опасные химические пары.

Результаты работы опубликованы в издании Scientific Reports. Проект стартовал в 2011 году, во время обсуждения проводимости графена, который можно выделить в обычном карандашном грифеле.

«Когда мы проводим карандашом на бумаге линию, графит оставляет на ней многочисленные листы графена», сообщил доцент материаловедения и инжиниринга Цзяцин Юань. „Студенты поинтересовались, нельзя ли как-то использовать этот графен. Так и было положено начало исследованию того, что можно сделать с карандашными линиями“.

Следы простого карандаша на обычной бумаге сформировали графеновую сетьГруппа студентов, включая ведущих авторов Чен Вей Линя и Жи Бо Жао, начала с измерения проводимости карандашного следа на бумаге, а затем использовала следы для создания элементарного электрода. Исследователи выяснили, что закручивание бумаги в одном направлении повышает проводимость грифельных следов за счет сжатия проводящих частиц графена. Закручивание бумаги в другом направлении ослабляет графеновую сеть и сокращает проводимость.

Студенты обратились к следам, оставляемым гнущимся игрушечным карандашом, чья гибкость обусловлена тем, что в грифель подмешивается не глина, а полимер. И вновь проводимость можно было повышать и уменьшать, манипулируя бумагой, однако студенты установили также влияние наличия летучих химических паров, таких как выделения токсичных промышленных растворителей.

При наличии химиката полимер поглощает пары и расширяется, выталкивая графеновую сеть и сокращая ее проводимость. Особенно сокращение проводимости было заметным в присутствии паров, которые с большей готовностью поглощаются полимером.

Такой тип химического датчика, называемый также хемирезистором, является ключевым элементом «электронного носа», используемого для выявления токсичных химических паров. При создании таких хемирезисторов часто используются более дорогие материалы, такие как сети углеродных нанотрубок или металлических наночастиц, которые необходимо рассеивать в полимерную матрицу для формирования сети.

«Наши студенты показали, что добиться этого можно с простым карандашом и обычной бумагой», отметил Юань. „Это пример того, как любопытство приводит к инновационной работе“.

Другие применения технологии на основе карандаша и бумаги могут оказаться менее традиционными.

«Возможно, с их помощью можно будет создавать умные и интерактивные рисунки, способные реагировать на окружающую среду», заключил Юань.

Открыт первый трёхмерный аналог графена

Новый класс материалов не только должен быть проще и удобнее в массовом производстве, чем его двумерный «родственник», но и обладает рядом замечательных качеств, которых нет у графена, а потому может оказать решающее влияние на развитие электроники и спинтроники будущего.

Специалисты Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) обнаружили, что висмутат натрия может существовать в форме «квантовой материи» — трёхмерного топологического дираковского полуметалла (three-dimensional topological Dirac semi-metal, 3DTDS). При этом были получены первые экспериментальные свидетельства наличия трёхмерных дираковских фермионов в толще материала — феномена, сама возможность существования которого была лишь недавно предсказана теоретиками.

Состояние топологического дираковского полуметалла реализовано в критической точке фазового перехода от обычного диэлектрика к топологическом изолятору. (Иллюстрация LBL.)

«3DTDS — это естественный трёхмерный аналог графена, со сходной или даже лучшей подвижностью электронов и их скоростью, — говорит Юйлинь Чэнь (Yulin Chen), на момент открытия работавший в Национальной лаборатории Лоуренса. — Из-за присутствия трёхмерных дираковских фермионов в толще этого материала DTDS также имеет интригующую непредельную линейную магниторезистивность, которая может быть на порядки выше, чем в материалах, что используются сейчас в жёстких дисках. И это говорит о возможности создания более эффективных оптических сенсоров».

Считающиеся сверхперспективными графен и топологические изоляторы — материалы, являющиеся изоляторами в толще, но проводниками на поверхности, — обязаны интересом к ним в первую очередь своими двумерными безмассовыми дираковскими фермионами, по поведению напоминающими частицы, которые разогнаны до околосветовых скоростей, только в несколько сот раз меньше (порядка 1 000 км/с). В графене их эффект максимален, в то время как в топологических изоляторах они позволяют электронам вести себя «по-графеновски» только на поверхности.

«Быстрое развитие графена и топологических изоляторов породило вопросы о том, есть ли у них трёхмерные аналоги и существуют ли другие материалы с необычной топологией электронной структуры, — вспоминает предысторию исследования г-н Чэнь. — Наше открытие отвечает на оба эти вопроса. В висмутате натрия, который мы изучали, проводимость в толще и валентные зоны соприкасаются только в дискретных точках и рассеиваются линейно по всем трём направлениям момента, чтобы образовать в толще трёхмерные дираковские фермионы [аналог двумерных в графене]. Более того, топология электронной структуры 3DTSD [висмутата натрия] тоже уникальна, как и у топологических изоляторов».

При исследовании материала использовались методы фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, при которой рентгеновские лучи, попадая на поверхность изучаемой структуры, вызывают фотоэмиссию электронов под такими углами и с такими кинетическими энергиями, которые могут быть измерены для получения детального электронного спектра.

На первый взгляд практические перспективы новооткрытого класса материалов выглядят ограниченными: висмутат натрия в нормальных условиях малостабилен, то есть устройства на его основе надо будет изолировать от внешних воздействий. Однако учёные уже ведут поиски других материалов (и почти наверняка среди них окажется арсенид кадмия), являющихся трёхмерными топологическими дираковскими полуметаллами, но при этом значительно более стабильных.

Что важно, уже сейчас понятно, что подобные висмутату натрия электронные структуры предлагают заметные преимущества перед графеном. «3DTDS-системы могут быть куда эффективнее графена во многих приложениях именно потому, что они трёхмерные, — поясняет Юйлинь Чэнь. — Кроме того, пока изготовление крупноразмерных графеновых плёнок, с их толщиной в один атом, остаётся проблемой. Устройства с графеновыми возможностями в ряде приложений будет легче сделать из 3DTDS-систем».

Наконец, в 3DTDS-материалах тоже наблюдается дираковская точка, состояние, при котором теория ферми-жидкости Ландау в её привычном виде не работает, зато работают «запрещаемые» ею многочастичные эффекты, связанные именно с взаимодействием электронов.

Установка для проведения фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, при помощи которой были проанализированы необычные свойства висмутата натрия (фото Roy Kaltschmidt).

Множество свойств нового материала, включая гигантский диамагнетизм, квантовую магниторезистивность в толще, уникальную структуру уровней Ландау при воздействии сильных магнитных полей и др., указывает на его огромный потенциал в новых технологиях, касающихся перспективной электроники, равно как и на то, что 3DTDS-материалы будут идеальной платформой для спинтронных устройств.

По словам Юйлинь Чэня, электроны в подобных материалах будут иметь более сильную связь между своими электронными и магнитными параметрами. Их магнитными спинами можно будет манипулировать, прикладывая к ним электрическое поле, что сильно упростит управление состояниями спинтронных устройств, снижая энергозатраты на операции записи и чтения. Очень необычная магниторезистивность висмутата натрия указывает также на огромный потенциал его и его аналогов в области хранения огромных массивов данных на жёстких дисках будущих поколений.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Александр Березин

Чудо-материал силицен кончает жизнь самоубийством

Полупроводниковая промышленность возлагала большие надежды на новый суперматериал силицен (у него много общего с известным «чудо-материалом» графеном). Но ученые из Университета Твенте (Нидерланды), заснявшие образование силицена «в прямом эфире», камня на камнене оставили от этих надежд: силицен оказался самым настоящим самоубийцей.

Новый материала впервые синтезировали в 2010 году. Как и графен, он состоит из однослойной пленки атомов, упорядоченных подобно сотам (только из атомов кремния, а не углерода).

Особые свойства обоих материалов (прочность, гибкость, отличная электропроводимость) и воодушевляли изготовителей полупроводников. Неумолимые потребности миниатюризации компьютерных микросхем говорят о том, что предел уменьшения деталей из кремния всё ближе и ближе.

Силицен же казался еще «круче» графена: полупроводниковая промышленность привыкла к кремнию, а, кроме того, в силицене проще организовать так называемую «запрещенную зону», необходимую для работы транзисторов.

Нидерландские ученые записали на видео процесс образования силицена: они дали испарённым атомам кремния осаждаться на серебряной поверхности – так сразу получилась прелестная одноатомная пленка. Вроде всё хорошо, но с определенного момента на сформировавшийся слой падают новые атомы, и начинается образование кристаллов кремния (кристаллическая структура принципиально отличается от сотовой). Так начинается кристаллизация вещества – необратимый процесс! И новообразованный кремний, так сказать, пожирает силицен.

Дело в том, что кристаллическая структура кремния с энергетической точки зрения более благоприятна, чем сотовая (силицена), и поэтому более стабильна. Ученым не удалось покрыть силиценом всю поверхность серебра (максимум 97%), и, главное, создать многослойную пленку. Иными словами,

как только поверхность практически до конца закрыта силиценом, материал «кончает жизнь самоубийством» и на его месте остается обычный кремний. Даже если поменять тип поверхности, иного результата ожидать не стоит, пишут ученые: воздействие субстрата на образование второго слоя силицена пренебрежимо мало.

Исследование представлено в журнале Applied Physics Letters. http://www.utwente.nl/en/newsevents/2014/1/38044/wonder-material-silicene-has-suicidal-tendencies

nauka21vek.ru

Оригинал взят у

solar_front в Похоже на прорыв.

Производство графена на кремниевых подложках.

Написано после прочтения заметки Декстера Джонсона.

После открытия графена основной фокус исследований был в области демонстрации свойств этого уникального материала и областей применения. Похоже наступило время эффективного производства графена.

На производственном фронте исследователи, кажется, пытаются применить "природные" механизмы роста пленки. Так, например, появилось предложение использовать механизм “естественного отбора” или использовать алгоритм схожий с тем который используют жуки и древесные лягушки при передвижении по слегка затонувшим кочкам- листьям (National University of Singapore (NUS)), и перенести это в производство высококачественного графена на кремнии.

Исследователи из NUS опубликовали в журнале Nature статью - Face-to-face transfer of wafer-scale graphene film, где предлагается выращивать графен посредством химического парофазного осаждения (CVD) на меди и затем переноса их. В то время как процессы CVD позволяют осаждать высококачественный графен (хотя до настоящего времени не настолько хорошему как полученному механическим расколом графита — так называемым: “скотчем” методом), и предполагает производство на "бесконечном" носителе (roll-to-roll), снятие графеновых пленок с меди чрезвычайно сложная операция из-за загрязнения пленки медью.

Исследователи из NUS использовали метод когда графен выращен на медном слое, тогда как медь находится на кремниевой подложке. Вместо того, чтобы отслаивать графен от меди, медь вытравливается. Графен прикрепляется к кремнию пузырьками образуя капиллярые мостики. Это механим схож с тем, который позволяет жукам, и лягушкам держаться на притопленных листочках. Чтобы получить этот эффект, когда графен не отслаивается во время травления меди — необходим поток газа на крмниевую подложку.

“Прямой рост графенового фильма на кремниевой вафле полезен для предоставления возможности многократных оптикоэлектронных заявлений, но текущие научно-исследовательские работы остаются основанными на стадии доказательства понятия”, говорит профессор Ло Кянь Пин, который возглавляет Отдел Химии в Отделении естественных наук НУСА в пресс-релизе. “В методе передачи, служащем этому сегменту рынка, определенно необходимы и пренебрегли в обмане для гибких устройств”.

Команда НУСА полагает, что метод передачи “лицом к лицу” был бы полезен в пакетно обработанных поточных линиях полупроводника.

Графеновые суперконденсаторы, созданные корейскими инженерами, готовы к использованию в электрических автомобилях

Нравится вам это или нет, но эра электрических автомобилей неуклонно приближается. И в настоящее время только одна технология сдерживает прорыв и захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической энергии. Несмотря на все достижения ученых в этом направлении, большинство электрических и гибридных автомобилей имеют в своей конструкции литий-ионные аккумуляторные батареи, которые имеют свои положительные и отрицательные стороны, и могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию, достаточную лишь для перемещений в городской черте. Все ведущие мировые автопроизводители понимают эту проблему и занимаются поисками методов увеличения эффективности электрических транспортных средств, что позволит увеличить дальность поездки на одном заряде аккумуляторных батарей.

Одним из направлений повышения эффективности электрических автомобилей является сбор и повторное использование энергии, превращающейся в тепло при торможении автомобиля и при движении автомобиля по неровностям дорожного покрытия. Уже разработаны методы возврата такой энергии, но эффективность ее сбора и повторного использования крайне низка из-за малой скорости работы аккумуляторных батарей. Времена торможения обычно исчисляются секундами и это слишком быстро для аккумуляторных батарей, на зарядку которых требуются часы времени. Поэтому для аккумулирования "быстрой" энергии требуются другие подходы и аккумулирующие устройства, на роль которых больше всего походят конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.

К сожалению, суперконденсаторы, еще недавно, не готовы были выйти на "большую дорогу", несмотря на то, что они способны быстро заряжаться и разряжаться, их емкость пока относительно низка. Помимо этого, надежность суперконденсаторов также оставляет желать лучшего, материалы, используемые в электродах суперконденсаторов, постоянно разрушаются в результате многократных циклов заряда-разрядки. А это вряд ли допустимо с учетом того, что за всю жизнь электрического автомобиля количество циклов работы суперконденсаторов должно составить много миллионов раз.

У Сэнтэкумэра Кэннэппэна (Santhakumar Kannappan) и у группы его коллег из Института науки и техники, Кванджу, Корея, имеется решение вышеописанной проблемы, основой которого является один из наиболее удивительных материалов современности - графен. Корейские исследователи разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных суперконденсаторов на основе графена, емкостные параметры которых не уступают параметрам литий-ионных аккумуляторных батарей, но которые способны очень быстро накапливать и отдавать свой электрический заряд. Помимо этого, даже опытные образцы графеновых суперконденсаторов способны выдержать без потери своих характеристик многие десятки тысяч рабочих циклов.

Уловка, которая позволила добиться столь внушительных показателей, заключается в получении особой формы графена, у которой имеется огромная площадь эффективной поверхности. Исследователи получили такую форму графена, смешав частицы окиси графена с гидразином в воде и размельчив все это с помощью ультразвука. Получившийся графеновый порошок был упакован в дискообразных таблеток и высушен при температуре 140 градусов по шкале Цельсия и при давлении 300 кг/см в течение пяти часов.

Получившийся материал получился очень пористым, у одного грамма такого графенового материала его эффективная площадь соответствует площади баскетбольной площадки. Помимо этого, пористая природа этого материала позволяет ионной электролитической жидкости EBIMF 1 M заполнить полностью весь объем материла, что приводит к увеличению электрической емкости суперконденсатора.

Измерение характеристик опытных суперконднсаторов показали, что их электрическая емкость составляет около 150 Фарад на грамм, плотность хранения энергии составляет 64 ватта на килограмм, а плотность электрического тока равна 5 амперам на грамм. Все эти характеристики сопоставимы с аналогичными характеристиками литий-ионных аккумуляторов, плотность хранения энергии которых составляет от 100 до 200 Ватт на килограмм. Но у этих суперконденсаторов имеется одно огромное преимущество, они могут полностью зарядиться или полностью отдать весь накопленный заряд всего за 16 секунд. И это время является самым быстрым временем заряда-разрядки на сегодняшний день.

Этот набор внушительных характеристик, плюс несложная технология изготовления графеновых суперконденсаторов могут послужить оправданием заявлению исследователей, которые написали, что их "графеновые суперконденсаторные устройства аккумулирования энергии уже прямо сейчас готовы для массового производства и могут появиться в ближайших поколениях электрических автомобилей".

http://www.technologyreview.com/view/521651/graphene-supercapacitors-ready-for-electric-vehicle-energy-storage-say-korean-engineers/

Кремниевые суперконденсаторы смогут хранить энергию прямо внутри электронных чипов

A newly developed silicon supercapacitor could allow for the seamless integration of energ...

Группа исследователей из университета Вандербилта (Vanderbilt University), Нашвилл, Теннеси, разработала суперконденсаторы нового типа, большая часть конструкции которых изготовлена из кремния. Эти суперконденсаторы, демонстрирующие весьма высокий показатель плотности хранения энергии, позволят интегрировать источники энергии прямо внутрь электронных чипов, позволяя им выполнять свою работу в течение длительного времени даже при отсутствии подвода внешней энергии.

Суперконденсаторы электролитического типа, подобно обычных электролитическим конденсаторам, хранят энергию, притягивая ионы различной полярности к поверхностям пластин их электродов. Количество ионов, которые могут быть эффективно удержаны вблизи пластин конденсаторов, зависит от площади поверхности этих пластин. Для увеличения эффективной площади поверхность обычно покрывается слоем токопроводящих материалов, к примеру, активированным углем, материалом, пронизанным сетью микроскопических пор, увеличивающих площадь поверхности.

К сожалению, пока еще суперконденсаторы не могут поспорить с литий-ионными аккумуляторными батареями по их электрической емкости, т.е. по способности хранить большое количество энергии. Но они обладают более длительным сроком службы, высокой надежностью и превосходными скоростными характеристиками, которые позволяют суперконденсатору практически моментально поглотить или отдать большое количество энергии. Поэтому практическое использование суперконденсаторов обосновано лишь там, где есть необходимость быстрого накопления большого количества энергии, к примеру, в системах рекуперативных тормозов электрических и гибридных автомобилей.

Ученые все время пытаются увеличить количество энергии, которую могут сохранить суперкондесаторы. Для этого они экспериментируют с различными высокопористыми гибридными материалами, такими, как "леса" из углеродных нанотрубок или частицы графена, расположенные на пластинах конденсаторов. Такие приемы позволяют кардинально увеличить емкость суперконденсаторов, но с практической точки зрения их еще крайне тяжело реализовать в масштабах промышленного производства.

Кэри Пинт (Cary Pint), доцент из университета Вандербилта, вместе с его коллегами, также работают над проблемой увеличения электрической емкости суперконденсаторов. Но в своих исследованиях они сделали необычный выбор в сторону пористого кремния, как основного материала конструкции конденсатора. Необычность выбора исследователей заключается в том, что кремний достаточно активно реагирует с большинством веществ, входящих в состав электролита, что приводит к быстрому разрушению структуры суперконденсатора. Но, с другой стороны, кремний является материалом, свойства которого изучены почти досконально, а электронная промышленность имеет в своем распоряжении массу методов технологической обработки кремния, позволяющих, в том числе, получить высокопористый кремний.

Для защиты кремния от воздействия электролита ученые придумали оригинальное решение. Они тщательно смешали пористый кремний с чистым углеродом и нагрели эту смесь до температуры порядка 800 градусов по шкале Цельсия в присутствии газовой защитной атмосферы. В результате этого из углерода сформировался слой графена, который буквально обволок собой всю поверхность кремния, включая и внутренние поверхности микроскопических пор. Этот графен стал своего рода защитным покрытием, предохраняющим кремний от воздействия активных веществ, растворенных в электролите.

Кремниевые пластины суперконтенасторов, прошедшие обработку вышеописанным способом, показали плотность хранения энергии в 40 раз выше, чем показатели энергетической плотности суперконденсаторов, изготовленных из "голого" кремния. При этом, благодаря защите кремния графеновой пленкой, ученым так и не удалось зарегистрировать снижения электрической емкости суперконденсаторов со временем из-за разрушения кремния электролитом.

Благодаря разработке такой относительно простой технологии можно будет без особых проблем наладить массовое производство недорогих кремниевых суперконденсаторов, благо кремний и углерод являются одними из самых распространенных элементов на земном шаре. Из-за кремниевой "природы" таких суперконденсаторов их можно будет встраивать прямо в структуру электронных чипов или других полупроводниковых приборов, в которых, как правило, присутствуют большие области неиспользованного кремния. Примером этому могут служить кремниевые солнечные батареи, на обратной стороне которых можно изготовить суперконденсаторы, которые будут накапливать в себе излишки энергии и отдавать ее в сеть во время пикового потребления.

Источник: http://www.gizmag.com/silicon-supercapacitor/29515/
http://www.dailytechinfo.org/nanotech/5303-kremnievye-superkondensatory-smogut-hranit-energiyu-pryamo-vnutri-elektronnyh-chipov.html

donmigel_62