그래핀(Graphene)

그래핀(Graphene)

그래핀은 원자가 각각 정점을 이루는 2차원 육각형 격자 형태의 탄소 배합이다. 그것은 흑연, 숯, 탄소 나노튜브, 풀레렌을 포함한 다른 할당류의 기본적인 구조 요소다. 무한히 큰 방향분자로도 볼 수 있는데, 이것은 평평한 다순환 방향족 탄화수소 계열의 궁극적인 사례다.

그래핀은 다른 탄소배출물들과 구별되는 특별한 특성들을 가지고 있다. 두께와 관련해서는 가장 강한 강철보다 100배 정도 강하다. 그러나 그것의 밀도는 제곱미터당 0.763mg의 서파시 질량을 가진 어떤 강철보다 극적으로 낮다. 그것은 열과 전기를 매우 효율적으로 전도하고 거의 투명하다. 그래핀은 또한 흑연보다 훨씬 더 크고 비선형적인 직경성을 보여주며, Nd-Fe-B 자석에 의해 공중 부양될 수 있다. 연구자들은 양극성 트랜지스터 효과, 전하의 탄도 운반, 물질 내 큰 양자 진동 등을 확인했다.

과학자들은 수십 년 동안 그래핀에 대한 이론을 세워왔다. 그것은 연필과 다른 유사한 흑연의 응용을 통해 수세기 동안 소량으로 만들어졌을 가능성이 높다. 그것은 원래 1962년에 전자현미경에서 관찰되었지만, 금속 표면에서 지지되는 동안만 연구되었다. 이 물질은 이후 맨체스터 대학의 앙드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프에 의해 재발견되고 고립되었으며, 2004년에 특징지어졌다. 연구는 그 구성, 구조, 성질에 대한 기존의 이론적 설명을 통해 알게 되었다. 고품질 그래핀은 놀라울 정도로 쉽게 분리되어 더 많은 연구가 가능하다는 것이 입증되었다. 이 작업은 두 사람이 2010년 2차원 재료 그래핀에 관한 획기적인 실험으로 노벨 물리학상을 수상하는 결과를 낳았다."

그래핀의 세계 시장은 2012년 9백만 달러로 반도체, 전자, 배터리 에너지, 복합소재 등의 연구개발 수요의 대부분이었으며, 2021년에는 1억5천140만 달러에 이를 것으로 예상된다.

"그래핀"은 "그래픽"과 접미사 -ene을 조합한 것으로 1962년 단층 탄소포일을 설명한 한스-페터 보엠이 명명했다.

그래핀이라는 용어는 1987년에 흑연 단면을 흑연 중간 화합물(GICs)의 성분으로 설명하기 위해 처음 등장했다. 개념적으로 GIC는 중간염과 그래핀의 결정염이다. 이 용어는 상피 그래핀과 다순환 방향족 탄화수소는 물론 탄소 나노튜브의 초기 설명에도 사용되었다. 그래핀은 '무한 교류'(단 6인분 탄소 링) 다순환 방향족 탄화수소(PAH)로 볼 수 있다.

IUPAC 기술 요약본: "기존에는 그래핀이라는 용어에 흑연층, 탄소층, 탄소판 등의 설명이 사용되어 왔다. 흑연이라는 용어가 포함된 단일 층에 3차원 구조를 의미하는 용어로 사용하는 것은 부정확하다. 그래핀이라는 용어는 개별 층의 반응, 구조 관계 또는 기타 특성이 논의될 때만 사용해야 한다."

Geim은 "분리되거나 독립된 그래핀"을 "그래핀은 흑연의 단일 원자면이며, 이것은 필수적이며, 자유롭다고 여겨질 만큼 환경으로부터 충분히 격리되어 있다"고 정의했다." 이 정의는 IUPAC 정의보다 좁으며, 클로븐, 전송 및 일시 중단된 그래핀을 가리킨다.[초기 필요] 다양한 금속에서 재배되는 그래핀과 같은 다른 형태의 그래핀은 예를 들어 실리콘 이산화물(SiO)로 일시 중단되거나 옮겨지면 독립할 수 있다.

1859년 벤자민 콜린스 브로디는 열감소 흑연산화물의 매우 레믈라 구조를 알고 있었다.

흑연의 구조는 1916년[24]에 관련 분말 회절법에 의해 결정되었다. V. Kohlschütter와 P가 자세히 연구하였다. 1918년 Haenni는 흑연 산화지의 성질을 설명하기도 했다. 1924년 단결정 회절에서 그 구조가 결정되었다.

그래핀 이론은 3D 흑연의 전자적 성질을 이해하는 출발점으로 1947년 P. R. 월리스에 의해 처음 탐구되었다. 이 새로운 질량이 없는 디락 방정식은 고든 월터 세메노프와 데이비드 P에 의해 처음 지적되었다. 디빈센조와 유진 J. 멜레 세메노프는 디라크 지점에서 정확하게 전자 랜도 레벨의 자기장에서의 발생을 강조했다. 이 수준은 변칙적인 정수 양자 홀 효과에 책임이 있다.

소수층 흑연의 초기 TEM 이미지는 G에 의해 출판되었다. 루스와 F. 1948년 보그트. 이후 전자현미경으로 직접 단일 그래핀 층도 관찰되었다. 2004년 이전에 전자현미경(TEM)에 따라 중간 흑연 화합물이 연구되었다. 연구원들은 때때로 얇은 그래프틱 플라이("few-layer graphene")와 심지어 개별 층까지 관찰했다. 소수의 흑연에 대한 초기 상세 연구는 1962년으로 거슬러 올라간다.

1970년대부터 흑연의 단일 층은 다른 물질들 위에 상피적으로 재배되었다. 이 "이피택스 그래핀"은 독립형 그래핀에서와 같이 sp2-본드 탄소 원자의 단원자 두께 육각형 격자로 구성되어 있다. 그러나 기질에서 상피성 그래핀으로 상당한 전하 전달이 있고, 경우에 따라서는 기질 원자의 d 오르비탈과 그래핀의 orbit 궤도 사이에 교배되어 상피성 그래핀의 전자 구조가 현저하게 변화한다.

흑연의 단일 층은 벌크 소재, 특히 화학적 각질 제거에 의해 얻은 그을음 내부의 전송 전자 현미경에 의해서도 관찰되었다. 기계적 각질 제거에 의한 흑연 박막을 만들기 위한 노력은 1990년에 시작되었지만 2004년 이전에는 50~100단 이상의 얇은 막이 생산되지 않았다.

원자적으로 얇은 그래피티 필름을 만들기 위한 초기 시도는 그리기 방법과 유사한 각질 제거 기술을 채택했다. 두께가 10나노미터(10nm)까지 감소하는 다층 표본을 얻었다. 연구원들이 중간 화합물부터 그래핀을 분리하려 했던 옛 논문들이 발굴되었다. 이 논문들은 전송 전자 현미경에 의한 매우 얇은 그래프틱 조각(아마도 단일선)의 관찰을 보고했다. 이전의 관측들 중 어느 것도 추출된 원자면의 거시적 표본을 기다리는 "그래핀 골드 러시를 띄우기"에는 충분하지 않았다.

그래핀 생산과 관련된 최초의 특허 중 하나는 2002년 10월에 출원되어 2006년에 출원되었다(미국 팻 7071258). "나노 스케일 그래핀 플레이트"라는 제목의 이 특허는 최초의 대규모 그래핀 생산 공정 중 하나를 상세하게 기술했다. 2년 후인 2004년 맨체스터 대학의 안드레 가임과 코스티야 노보셀로프는 벌크 흑연에서 단원자 두께의 결정체를 추출했다. 흑연에서 그래핀 층을 뽑아 얇은 SiO로 옮겼다.

2002년에 제출된 US Pat. 6667100은 상업적으로 구할 수 있는 신축성 있는 확장 흑연을 가공하여 흑연 두께 0.00001인치(2.5×10-7m) 또는 10만분의 1 인치를 달성하는 방법을 설명한다. 성공 비결은 작지만 눈에 띄는 광학 대비를 제공하는 적절하게 선택한 기질에 그래핀의 높은 처리량을 시각적으로 인식하는 것이었다.

이 갈라진 기술은 그래핀의 변칙적인 양자 홀 효과를 최초로 관찰하는 것으로 이어졌는데, 그래핀이 이론적으로 베리의 무질량 디락 페르미온 단계를 예측한 직접적인 증거를 제공했다. 이 효과는 게이임 일행과 필립 김과 위안보 장에 의해 보고되었는데, 2005년 네이처지의 같은 호에 논문이 실렸다. 이러한 실험 전에 다른 연구원들은 벌크 흑연에서 양자 홀 효과와 디락 페르미온을 찾았다.