Grafénová zinektára primárna farba

Elektrické a optické vlastnosti

Usporiadanie uhlíkových atomov v grafeenu je rovnaké ako v jednotomovej vrstve grafitu, ktorá sa váže pomocou sp hybridných orbitalov, a má nasledujúce vlastnosti: uhlíkové atomy majú 4 valenčné elektróny, z ktorých 3 elektróny tvoria sp väz, teda každý uhlíkový atom prispieva s nevázaným elektrónom, ktorý sa nachádza v pz orbitale, a pz orbitál susedného atoma je kolmý na rovinu a tvorí π väz. Novovzniknutá π väz je v polovične naplnenom stave. Výskum potvrdil, že uhlíkové atomy v grafeene majú koordinačné číslo 3, dĺžka väzu medzi každými dvomi susednými uhlíkovými atomami je 1,42×10 metrov a uhol medzi väzbami je 120°. Okrem bunkového vrstvového usporiadania, v ktorom sú σ väzy prepojené s inými uhlíkovými atomami do šesťuholníkových ciest, sú pz orbitály každého uhlíkového atoma, ktoré sú kolmé na rovinu vrstvy, schopné tvoriť veľké π väzy (podobne ako v prípade benzenového kruhu), ktoré prechádzajú celou vrstvou viacerých atomov, a tak majú vynikajúce elektrické a optické vlastnosti.

Mechanické vlastnosti

Grafén je jedným z najviac odolných známych materiálov, ale je tiež veľmi vytiahnuteľný a môže sa ohnúť. Grafén má teoretický Youngov modulus 1,0 TPa a vlastnú tahovú pevnosť 130 GPa. Plazmovou hydridovanou modifikáciou grafénu sa tiež dosahuje veľmi dobrá pevnosť, priemerný modulus je vyšší o 0,25 TPa. Grafitový papier skladajúci sa z listov grafénu má mnoho dierev, takže tento grafitový papier je veľmi kruchý. Avšak funkčný oxidovaný grafén vyradený zo funkčného grafénu tvorí extrémne pevný a silný grafitový papier.

Elektronickej účinok

Mobilita nosičov v grafeňu pri miestnej teplote je asi 15,000 cm/(V·s), čo je viac než desaťkrát toľko ako u kremikových materiálov a viac než dvojnásobok mobility indiem-antimonidu (InSb), látky s najvyššou známou mobilitou nosičov. V určitých podmienkach, ako sú nízke teploty, môže byť mobilita nosičov v grafeňu dokonca až 250,000 cm/(V·s). Na rozdiel od mnohých iných materiálov nie je mobilita elektrónov v grafeňu tak silne ovplyvnená zmenami teploty a v akomkoľvek rozsahu teplot medzi 50 a 500K je mobilita elektrónov v jednom vrstve grafeňu približne 15,000 cm/(V·s).

Tepelné vlastnosti

Grafén má výborne vlastnosti prevodu tepla. Čistý, bez defektov grafénový monolayer má najvyššiu tepelnú vodivosť z všetkých uhlíkových materiálov, s tepelnou vodivosťou až 5300W/mK, vyššou ako jednostenné uhlíkové nanotrubice (3500W/mK) a viacstenné uhlíkové nanotrubice (3000W/mK). Keď sa použije ako nosič, tepelná vodivosť môže dosiahnuť aj 600W/mK. Okrem toho môže tepelná vodivosť grafénu počas balistického pohybu klesnúť pod dolnú hranicu balistickej tepelnej vodivosti uhlíkových nanotrubic za jednotku obvodu a dĺžky.

Optické vlastnosti

Grafén má veľmi dobré optické vlastnosti, s absorpciou približne 2,3 % v širokom rozsahu vlnových dĺžok a vyzerá témeral priehľadne. V rozsahu hrúbky niekoľkých vrstiev grafénu sa stupeň absorpcie zvyšuje o 2,3 % za každú ďalšiu vrstvu. Veľkoplaché filmy z grafénu majú tiež vynikajúce optické vlastnosti a ich optické vlastnosti sa menia s meniacou sa hrúbkou grafénu. Toto je neobvyklá nízka-energetická elektrónová štruktúra pre jednu vrstvu grafénu. Keď sa na dvojitý bránkový grafénový polovodičový tranzistor aplikuje napätie pri miestnej teplote, môže sa priestorová medzera grafénu upraviť medzi 0 a 0,25eV. Pri aplikácii magnetického poľa sa optická reakcia grafénových nanopások môže prispôsobiť do terahertzového rozsahu.

rozpustnosť

Ukazuje dobrú rozpustnosť v neropolárnych rozpúšťadielach a je super hydrofóbny a super lipofílny.

Teplota topenia

Vedeckí pracovníci povedali v štúdii z roku 2015, že to bolo okolo 4 125 K, a existujú ďalšie štúdie, ktoré naznačujú, že teplota tavenia môže byť okolo 5 000 K.

Ďalšie vlastnosti

Môže adsorbovať a desorbovať rôzne atómy a molekuly.

Zlúčeniny

Graphene oxide

Vrstvový materiál získaný oxidáciou grafitu. Po tom, čo sa hromadná fáza grafitu spracuje pomocou hustého kyselinného riešива, sa vrstva grafénu oksiduje na hydrofilný oxid grafénu a medzera v grafitovej vrstve sa zvýši z 3,35 Å pred oksidáciou na 7 ~ 10 Å. Oddelená štruktúra listu oxidu grafénu sa ľahko tvorí ohrievaním alebo ultrazvukovým odštápnutím vo vode. Výsledky charakterizácie, ako sú spektrometria elektrónových rentgenových fázii (XPS), infrčervená spektroskopia (IR), pevného stavu jadrová magnetická rezonancia (NMR) a pod., ukazujú, že oxid grafénu obsahuje veľké množstvo funkčných skupín s účastou kyslíka, vrátane hydroxylých, epoxy funkčných skupín, karbonylových skupín, karboxylových skupín a iné. Hydroxylové a epoxy funkčné skupiny sú hlavne umiestnené na bázovej povrch grafitu, zatiaľ čo karbonylové a karboxylové skupiny sú umiestnené na hrane grafénu.

Graphiane

Získaná reakciou grafu s vodíkovým plynom, je nasytený uhľovodík s molekulovou formou (CH)n, v ktorej je všetko uhlík sp hybridované a tvorí šesťuholnú sieťovú štruktúru, vodíkové atómy sú vázane na uhlík v striedajúcich sa formách z oboch koncov roviny grafu, a graphian vykazuje polovodičové vlastnosti s priamym pásmoveým priestorom.

Azot-dopovaný grafén alebo uhličitan ázotu

Po úvodzí azotových atomov do krystalového vzoru grafénu, aby sa stal azot-dopovaným grafénom, výsledný azot-dopovaný grafén ukazuje lepšie vlastnosti ako čistý grafén, v neusporiadanom, priehľadnom, založenom tvaru, niektoré listy sú navzájom nasadené, aby tvorili viacslojnú štruktúru, ktorá ukazuje vysokú špecifickú kapacitu a dobrý cyklus života.

Biokompatibilita

Implantácia karboxylových íonov môže umožniť povrchovej vrstve grafiténových materiálov mať aktívne funkčné skupiny, čím sa významne zvýši bunecná a biologická reaktivita materiálu. V porovnaní s tubulárnej formou uhlíkowych nanotrubičiek je grafén vhodnejší pre výskum biomateriálov. A v porovnaní s uhlíkovými nanotrubičkami sú okraje grafénu dlhšie, jednoduchšie na doperovanie a chemicke úpravy, a ľahšie prijímajú funkčné skupiny.

oxidovateľnosť

Reaguje s aktívnymi kovmi.

redukovateľnosť

Vzduchom alebo oxidujúcimi kyselinami sa dá oksidovať, čím sa grafén dá rozrezávať na menšie kusy. Oksid grafénu je vrstvovitý materiál získaný oxidáciou grafitu. Jednoducho sa dajú tvoriť oddelené lamelové štruktúry oxidu grafénu hriatiom alebo ultrazvukovým odstraňovaním vo vode.

prídavná reakcia

Pomocou dvojitých väzieb na graféne sa požadované skupiny môžu pridať cez prídavné reakcie.

Stabilita

Štruktúra grafénu je veľmi stabilná, s uhlíkovou-uhlíkovou väzbuou dĺžky len 1,42. Väzby medzi uhlíkovými atómi v rámci grafénu sú pružné a keď na grafén pôsobí vonkajšia sila, uhlíkové atómy sa ohnú a deformujú tak, že im nie je potrebné preusporiadať sa, aby sa prispôsobili vonkajšej sile, čo udržiava štruktúru stabilnou. Táto stabilná krystalická štruktúra grafénu poskytuje vynikajúcu tepelnú vodivosť. Okrem toho elektróny v graféne neodrazujú pri pohybe po svojich dráhach kvôli krystalickým defektom alebo náveseniu cudzích átomov. Pretože sily medziatomičné sú tak meracé, pri miernych teplotách dokonca aj pri kolíziách okolitých uhlíkových átomov sú elektróny v rámci grafénu veľmi málo rušené.