Grafeen
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Grafeen is een vorm van enkellaags grafiet (koolstof). Deze vorm van koolstof wordt gemaakt door laagjes af te krabben van zeer regelmatige grafietkristallen; sommige van die laagjes zijn maar één atoom dik, en dat zijn dus tweedimensionale kristallen.
Inhoud |
[bewerk] Geschiedenis
Enkellaags grafeen is voor het eerst gemaakt door een Engelse groep onder leiding van Andre Geim, in samenwerking met een Russische groep (PNAS 2005 102 10451).
[bewerk] Productie
De laagjes worden simpelweg van grafiet afgewreven tegen een willekeurig oppervlak. Op een speciale ondergrond (geoxideerd silicium) is het mogelijk om met een lichtmicroscoop de enkellaags schilfers er uit te zoeken (dat is maar een heel klein gedeelte). Die schilfers kunnen dan weer opgepikt worden met een AFM (atomic force microscope). De techniek is ook bruikbaar voor andere kristallen waar de laagjes ook niet zo stevig aan elkaar zitten, zoals BN en MoS2.
[bewerk] Structuur
Op elk hoekpunt zit een koolstofatoom met een vrij elektron. Enkellaags grafeen kan net als grafiet elektrische stroom geleiden, maar omdat de vrije elektronen in grafeen geen interactie meer kunnen hebben met koolstofatomen uit een onderliggende of bovenliggende laag, gaat het toch anders. In grafeen gedragen de elektronen zich als relativistische massaloze deeltjes (!) en bewegen zij zich met een snelheid van ongeveer 1000 kilometer per seconde, dat is maar 300 keer langzamer dan de lichtsnelheid in vacuüm. Voor de beschrijving van het gedrag van deze elektronen moet dan ook de kwantumelektrodynamica van stal worden gehaald (de Dirac-vergelijking)[1]
Voor de buitenste ring zijn twaalf zeshoeken gebruikt. Dit begint al veel meer op een vlak te lijken. In het molecuul tel je nu 54 koolstofatomen en 18 waterstofatomen. In het lijstje met PAK’s van het NIST (het Amerikaanse instituut voor standaarden) kan je zulke grote moleculen niet vinden, en ook in de catalogus van John Fetzer kwam hij niet voor. Wat opvalt aan dit plaatje is dat de zeshoeken van de buitenste ring soms twee waterstofatomen hebben, en soms maar één (in feite is het precies om en om). Bij coroneen hebben alle buitenste zeshoeken er twee. En dat is natuurlijk ook logisch: hoe meer ringen van zeshoeken er worden toegevoegd, des te groter de doorsnede van het molecuul en hoe meer zeshoeken met maar één waterstofatoom. In het uiterste geval hebben ze er allemaal maar één, en dan is het molecuul een oneindig halfvlak geworden, met een rechte lijn als grens.
Je kunt het ook zo bekijken: door als maar nieuwe ringen van zeshoeken om het molecuul te leggen, maak je moleculen die min of meer cirkelvormig zijn, en het ligt voor de hand dat het aantal waterstofatomen aan de rand dan lineair toeneemt met de straal van het molecuul, terwijl het aantal koolstofatomen in het vlak toeneemt met het kwadraat van de straal. Als maat voor de straal nemen we het aantal (n) van de ringen van zeshoeken die om de centrale zeshoek liggen. Tel daarbij de centrale zeshoek als de eerste ring. Bij coroneen is dus n = 2 en bij de verbinding C54H18 geldt dan n = 3. Bij het grafeen van de groep van Geim is het aantal waterstofatomen (of andere atomen) aan de randen te verwaarlozen ten opzichte van het aantal koolstofatomen. Omgekeerd geldt ook: hoe groter deze “cirkelvormige” moleculen zijn, des te meer ze op enkellaags grafeen gaan lijken.
Natuurlijk hoeven de grafeenmoleculen niet min of meer cirkelvormig te zijn, zoals in de voorbeelden hierboven. Het aantal waterstofatomen is in verhouding tot het aantal koolstofatomen natuurlijk groter als het molecuul minder compact is. In het meest extreme geval bestaat zo’n molecuul uit zeshoeken die in een lang lint aan elkaar zijn gekoppeld. Een voorbeeld van zo’n verbinding (zij het ook een betrekkelijk kleine) is pentaceen.
[bewerk] Toepassing
Grafeen kan toegepast worden in LCD-schermen, waar het een aantal voordelen heeft ten opzichte van indiumtinoxide, het materiaal dat normaal gebruikt wordt.
| Referenties: |
|
