Номер 1, страница 264 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

1. Используя материалы сети Интернет, составьте «паспорт» графена, указав его свойства и область применения. Какие материалы близки по свойствам графену?

Свойства графена

Графен — это двумерная (2D) аллотропная модификация углерода, представляющая собой моноатомный слой атомов углерода, соединённых в гексагональную кристаллическую решётку, напоминающую пчелиные соты. Его «паспорт» включает следующие уникальные свойства:
Механические свойства:
- Рекордная прочность. Модуль Юнга графена составляет около $1 \text{ ТПа}$ ($10^{12} \text{ Па}$), что делает его одним из самых прочных материалов в мире (приблизительно в 200 раз прочнее стали аналогичной толщины).
- Гибкость и эластичность. Графен можно растягивать до 20% от его первоначального размера без разрушения.
Электрические свойства:
- Высочайшая подвижность носителей заряда. При комнатной температуре подвижность электронов и дырок в графене превышает $200\,000 \text{ см}^2/(\text{В} \cdot \text{с})$, что на порядки выше, чем у кремния.
- Полуметалл. Графен является бесщелевым полупроводником, его проводимость можно эффективно контролировать с помощью внешнего электрического поля.
Тепловые свойства:
- Экстремально высокая теплопроводность. Она достигает значений до $5300 \text{ Вт}/(\text{м} \cdot \text{К})$, что превосходит теплопроводность алмаза и меди.
Оптические свойства:
- Прозрачность. Одноатомный слой графена поглощает всего $ \approx 2.3\% $ видимого света, что делает его практически прозрачным.
Другие ключевые свойства:
- Химическая инертность и непроницаемость. Графен устойчив к воздействию многих химических веществ и является барьером, непроницаемым даже для атомов гелия.
- Огромная удельная площадь поверхности. Теоретическое значение составляет $2630 \text{ м}^2/\text{г}$.

Ответ: В «паспорт» графена входят его уникальные свойства: высочайшая механическая прочность и гибкость, рекордная подвижность носителей заряда и теплопроводность, оптическая прозрачность, химическая инертность и большая удельная площадь поверхности.

Область применения графена

Благодаря своим выдающимся свойствам графен является перспективным материалом для множества технологических применений:
- Электроника и оптоэлектроника: создание высокочастотных транзисторов, гибких дисплеев, прозрачных проводящих электродов для сенсорных экранов, органических светодиодов (OLED) и солнечных батарей.
- Композитные материалы: использование в качестве армирующей добавки для значительного улучшения прочности, жёсткости, электро- и теплопроводности полимеров, металлов и керамики. Применяется в авиакосмической отрасли, автомобилестроении, производстве спортивного инвентаря.
- Аккумуляторы и суперконденсаторы: применение в качестве материала для электродов с целью увеличения ёмкости, скорости зарядки/разрядки и срока службы устройств хранения энергии.
- Медицина и биотехнологии: разработка сверхчувствительных биосенсоров для диагностики заболеваний, платформ для адресной доставки лекарств, а также каркасов для тканевой инженерии.
- Фильтрация и опреснение: создание мембран на основе графена для эффективного опреснения морской воды, очистки сточных вод и разделения газов благодаря его атомарной толщине и контролируемой пористости.
- Защитные и функциональные покрытия: нанесение графеновых плёнок для защиты поверхностей от коррозии, придания им проводимости, гидрофобности или антибактериальных свойств.

Ответ: Основные области применения графена включают электронику, композитные материалы, устройства хранения энергии, медицину, системы фильтрации и защитные покрытия.

Какие материалы близки по свойствам графену?

Графен стал родоначальником целого класса двумерных (2D) материалов, которые имеют схожую атомарно-тонкую структуру, но отличаются по составу и свойствам:
- Силицен, германен и станен: это 2D-аналоги графена, состоящие из атомов кремния, германия и олова соответственно. Они имеют похожую гексагональную структуру (хотя и не идеально плоскую) и представляют большой интерес для электроники благодаря потенциальной интеграции с существующей кремниевой технологией.
- Фосфорен: представляет собой монослой чёрного фосфора. В отличие от полуметаллического графена, фосфорен является полупроводником с собственной (не нулевой) запрещенной зоной, что делает его крайне перспективным для создания транзисторов и оптоэлектронных приборов.
- Гексагональный нитрид бора ($h\text{-}BN$): часто именуемый «белым графеном», он имеет идентичную графену кристаллическую решётку. Однако $h\text{-}BN$ является широкозонным диэлектриком, а не проводником. Он идеально подходит на роль изолирующей подложки или туннельного барьера в устройствах на основе графена и других 2D-материалов.
- Дихaлькогениды переходных металлов (TMDs): класс 2D-материалов с общей формулой $MX_2$ (например, дисульфид молибдена $MoS_2$, диселенид вольфрама $WSe_2$). Большинство из них в монослойном виде являются полупроводниками, что открывает возможности для их применения в логике, фотовольтаике и светодиодной технике.

Ответ: К материалам, близким к графену по структуре, относятся другие 2D-кристаллы: силицен, германен, станен, фосфорен, гексагональный нитрид бора ($h\text{-}BN$) и дихалькогениды переходных металлов (TMDs).