Эксперимент, страница 183 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

Рассмотрите рисунок 160. Получите графен с использованием скотча и графитового стержня. Для того, чтобы получить тонкий слой графита – графена толщиной в один атом, можно многократно отслаивать графит между полосками скотча. Нанесите тонкий слой, который примет голубоватый оттенок на стеклянную поверхность. С полученным слоем можно провести исследования.

Рис. 160. Получение графена с использованием скотча

В представленном на рисунке 160 эксперименте описывается метод механической эксфолиации, также известный как «метод скотча», который используется для получения графена — двумерной аллотропной модификации углерода, состоящей из одного слоя атомов углерода.

Целью эксперимента является получение тонких слоев графита, вплоть до одноатомного слоя (графена), из объемного кристалла графита с помощью простого механического воздействия. Для проведения эксперимента необходимы следующие материалы:

1. Источник графита: это может быть обычный графитовый стержень от карандаша, но для получения более качественных и крупных образцов в научных лабораториях используют высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ).

2. Клейкая лента: обычный канцелярский скотч.

3. Подложка: ровная и чистая поверхность, на которую переносится полученный графен. В тексте упоминается стекло, но наилучшие результаты для визуализации достигаются на подложке из монокристаллического кремния (Si), покрытого слоем диоксида кремния ($SiO_2$) строго определенной толщины (например, 90 нм или 300 нм).

Ответ: Целью эксперимента является получение графена (моноатомного слоя углерода) из графита с помощью клейкой ленты и перенос его на подложку для дальнейших исследований. Необходимы источник графита, скотч и подложка.

Процесс получения графена, показанный на рисунке 160, состоит из нескольких последовательных шагов:

Шаг 1 (Рис. 160 а, б): К поверхности куска графита приклеивается полоска скотча. Затем скотч отрывается. Сила адгезии (прилипания) между скотчем и верхним слоем графита оказывается больше, чем слабые межслоевые силы Ван-дер-Ваальса, удерживающие слои графена вместе. В результате на скотче остается тонкая пленка графита.

Шаг 2: Полоска скотча с прилипшим графитом складывается пополам и прижимается клейкой стороной к клейкой стороне. Затем скотч снова разъединяют. При этом графитовый слой расщепляется на два еще более тонких слоя. Эта операция повторяется многократно (10-20 раз). С каждым расщеплением толщина графитовых чешуек на скотче уменьшается. После многократных повторений на скотче образуется «россыпь» графитовых пленок разной толщины, среди которых есть и монослои — графен.

Шаг 3 (Рис. 160 в, г): Скотч с полученными тонкими пленками графита аккуратно прижимается к поверхности подготовленной подложки. Затем скотч очень медленно отклеивают. Некоторые из самых тонких чешуек, включая графен, остаются на подложке, так как их сцепление с подложкой оказывается сильнее, чем с клеем на скотче.

Ответ: Процесс заключается в первоначальном отслаивании графита с помощью скотча, многократном расщеплении полученного слоя путем складывания и расклеивания скотча для уменьшения его толщины, и последующем переносе тончайших слоев на подложку.

После переноса на подложку необходимо найти и идентифицировать однослойные фрагменты. Графен почти полностью прозрачен, но его можно обнаружить с помощью обычного оптического микроскопа. Как сказано в описании, он «примет голубоватый оттенок». Этот визуальный эффект возникает из-за интерференции света, отраженного от поверхности графена и от поверхности подложки под ним. Цвет и контрастность изображения зависят от толщины диэлектрического слоя ($SiO_2$) на подложке. Именно благодаря подбору оптимальной толщины этого слоя (например, 300 нм) однослойный графен становится видимым. На простой стеклянной поверхности, упомянутой в тексте, заметить графен значительно сложнее из-за слабого контраста.

Этот простой, но гениальный метод позволил впервые в истории получить и исследовать свойства графена, что привело к революции в физике конденсированного состояния и материаловедении. За «новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном» Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

Ответ: Полученные на подложке слои графена идентифицируются в оптическом микроскопе по характерному изменению цвета и контраста (например, голубоватому оттенку), вызванному интерференцией света. Этот метод, несмотря на свою простоту, имел огромное научное значение и привел к присуждению Нобелевской премии.