Lehekülje Grafeen lähteteksti vaatamine

[[Pilt:Graphene xyz.jpg|pisi|Grafeeni ideaalne kristalliline struktuur]]
[[Pilt:Graphene-graphite relation.svg|pisi|Grafeeni kihid grafiidis]]
'''Grafeen''' on ainult [[süsinik]]u [[aatom]]itest koosnev ühe aatomi paksune planaarne leht, milles süsiniku aatomid on heksagonaalselt pakitud kärjekujulisse raamistikku.

Grafeeni võib vaadelda lõputult suure [[aromaatsed ühendid|aromaatse molekulina]], mille moodustavad ainult sp² süsiniku aatomid. Grafeen on süsiniku [[allotroopia|allotroopne vorm]], kusjuures selle struktuurielemendid esinevad mitmetes teistes süsiniku allotroopsetes teisendites nagu [[grafiit]], [[süsiniknanotoru]]d ja [[fullereenid]]. Nimetus on tuletatud sõnadest grafiit + [[alkeen|-een]].

Grafeenis on süsiniku aatomite vahel [[konjugeeritud sidemed]], see tähendab et esineb [[valentselektronid]]e delokalisatsioon üle kogu süsteemi, mis suurendab selle stabiilsust ja alandab üldist energiat. C–C sideme pikkus grafeenis on 0,142&nbsp;nm ja 7 miljonit grafeeni lehte moodustaksid vaid 1&nbsp;mm paksuse kihi. Tulenevalt struktuurist on grafeenil rida erilisi omadusi, millest kõige olulisemad on grafeeni lehe vastupidavus ja suurepärane [[elektrijuhtivus]].

2010. aastal said [[Andrei Geim]] ja [[Konstantin Novosjolov]] [[Nobeli preemia|Nobeli füüsikaauhinna]] kahemõõtmelise materjali grafeeniga seotud põhjapanevate eksperimentide eest.

==Ajalugu ja eksperimentaalne avastamine==

Termin "grafeen" võeti kasutusele 1987. aastal, et kirjeldada grafiidiliistakut kui grafiidiühendi (Graphite Intercalation Compound ehk GIC) ühte koostisosa. GIC on [[kristall]]iline [[soolad|sool]], mille [[keemiline valem|molekulivalem]] on XC<sub>y</sub>, kus X tähistab mingisugust ainet ja C süsinikku, mis on aine X vahel (näiteks KC<sub>8</sub>). Grafeeni termin oli kasutusel ka varajastes süsiniknanotorude ja epitaksiaalse grafeeni kirjeldustes.

Ühekihilisi grafiidiliistakuid on tehtud alates 1970. aastast, neid kasvatati epitaksiaalselt [[metall]]ide peale. "Epitaksiaalne grafeen" koosneb ühe aatomi paksusest heksagonaalsest võrest, milles süsiniku aatomeid hoiavad koos sp2-sidemed.

Õhukesi grafiidiliistakud on uuritud [[Transmissioonelektronmikroskoop|läbivalgustava elektronmikroskoobiga]] ([[TEM]]) – nähti, et liistakute sisemus on kihistunud.<ref name="D6Tqj" />

Grafeeni uuriti teoreetiliselt juba 1940. aastatel, et kirjeldada erinevate süsinikku sisaldavate [[materjal]]ide omadusi. Teoreetiliste arvutuste käigus lähtuti grafeeni mudelist. Hiljem avastati, et grafeen ei saa vabas vormis eksisteerida, kuid<ref name="9jTqP" /> 2004. aastal avastasid professor [[Andrei Geim]] ja [[Konstantin Novosjolov]] [[Manchesteri Ülikool]]ist, et grafeeni saab eraldada grafiidiliistakutest tavalise [[teip|kleeplindi]] abil. Sellist grafeeni saamise viisi hakati nimetama [[grafeeni mikromehaaniline lõhestamine|mikromehaaniliseks lõhestamiseks]].<ref name="NJl0S" />

==Omadused==
[[Pilt:Grafeen-polüpürool kilele tehtud skalpelli terava otsage kraabe..tif|pisi|Grafeeni-polüpürooli kile, mis on ennast kokku rullinud. [[Skaneeriv elektronmikroskoop|Skaneeriva elektronmikroskoobi]] pilt, [[Tartu Ülikool]]]]
[[Pilt:Must auk....jpg|pisi|Grafeeni kasvatusel tekkinud defekt]]
Grafeen on meekärjekujuline planaarne [[süsiniku allotoop|allotroop]], kus on sp2- [[keemiline side|sidemed]].<ref name="m3oCe" /> Sideme pikkused grafeenis on umbes 0,142 [[nanomeeter|nanomeetrit]]. Grafeeni kihid järjestuvad grafiidiks ja nende vahele jääb 0,335 [[nanomeeter|nanomeetrit]]. Grafeen kui üheaatomiline süsinikukiht on suurepärane [[elektrijuht|elektri]]- ja [[soojusjuht]].
	
===Elektroonilised===
Grafeen erineb [[kristallograafia|kolmemõõtmelistest]] materjalidest ja sellel on null-keelutsooniga [[pooljuht|pooljuhi]] omadusi. 1947. aastal avastas P.R. Wallace, et [[energia]] [[impulss|impulsi]] seos (dispersiooniseos) on lineaarne madalatel [[energia]]tel just kuusnurga tippude juures. See viis ta järeldusele, et [[elektron]]ide ja aukude efektiivne mass on null.<ref name="zo8yn" />
	
===Termilised===
Grafeenil on väga suur [[soojusmahtuvus]]. Toatemperatuuril mõõdetud [[soojusmahtuvus]] varieerub (4,84±0,44) × 103 kuni (5,30±0,48) × 103 W•m<sup>−1</sup>•K<sup>−1</sup>. 
	
===Mehaanilised===
2009. aastal nimetati grafeen kõige tugevamaks materjaliks. Mõõtetulemused näitasid, et grafeeniliistak on 100 korda tugevam kui [[teras]]eliistak samade mõõtmete korral. Grafeeni [[elastsusmoodul]] on 1 TPa (1012 Pa).<ref name="08lF7" /> Kuigi grafeen on tugev materjal, ei ole veel lahendust, kuidas seda tööstuslikult ja suurtes kogustes toota. Grafeen on väga kerge – kaalub kõigest 0,77 milligrammi ruutmeetri kohta.

Guoxiu Wang Sydney ülikoolist töötas välja grafeenpaberi (GP), mida saab modifitseerida erinevateks kujudeks ja taastada selle esialgne olek. Teadlased peenestasid, puhastasid ja filtreerisid grafiiti erinevate kemikaalidega, et muuta grafiit nanostruktuurseks, mida hiljem töödeldakse paberiliistakuteks. Juhtiv uurija Ali Reza Ranijbartoreh väitis, et selline paberilaadne grafeeniliistak on mitte ainult kerge ja tugev, vaid ka [[elastne|elastsem]] kui [[teras]].

=== Optilised ===
Grafeeni unikaalne omadus on vähene [[spektroskoopia|valguse neelamine]]. Ühe aatomi paksune grafeenikiht neelab kõigest 2,3% [[valgus]]t.

==Grafeeni vormid==

===Kahe aatomi paksune grafeen===

Kahe aatomi paksune grafeen koosneb kahest grafeenikihist, mis asetsevad üksteise peal. Kahe aatomi paksune grafeen on näidanud selliseid huvitavaid elektrilisi omadusi nagu [[kvant-Halli efekt]].

===Kolmemõõtmeline grafeen===
2013. aastal avastati [[3D|kolmemõõtmeline]] heksagonaalselt järjestatud grafeen.
== Grafeeni saamine ==

=== Mikromehaaniline lõhestamine ===
Sageli kutsutakse [[mikromehaaniline lõhestamine|mikromehaanilist lõhestamise]] meetodit ka teibimeetodiks. Selle meetodi käigus kasutatakse HOPG-i (kõrgorienteertud püroliitiline grafiit), teipi ja SIO<sub>2</sub>([[ränioksiid]]i) alust, kuhu grafeen peale kantakse. HOPG-i pinnale kleebitakse korduvalt ühte ja sama kleeplinti ning selle tulemusel jääb kleeplindi külge hulgaliselt grafiidiliistakuid. Seejärel kleebitakse teip SiO<sub>2</sub> alusele. SiO<sub>2</sub> alusele kinni jäänud liistakud ei pruugi olla ühekihilised, mistõttu tuleb otsida nende seast välja ühe aatomi paksused liistakud. Sel viisil saadud grafeenikristalliidid võivad olla kuni 100 mikromeetri suurused.<ref name="3qsyQ" /><ref name="AoPi1" />
	
=== Keemiline sadestus aurufaasist (CVD) ===
Kuna grafeeni on raske kasvatada suurtele pindadele, mõeldi välja uus ja küllaltki tõhus meetod. Selleks tehnoloogiaks on [[keemiline sadestamine aurufaasist]] ([[CVD]]). [[CVD]] protseduur on suhteliselt keeruline, kuid selle töötlemisviisiga valmistatud grafeen on üsna hea kvaliteediga.[[CVD]] meetodiga kasvatatakse grafeeni peamiselt metallidele: [[nikkel]]- ja [[vask]]fooliumist alustele. Kasvatus toimub reaktoris, mis koosneb gaaside edastamise süsteemist, [[vaakumpump|vaakumpumbast]], reaktori südamikust (kuhu gaasid edastatakse) ja kõrge temperatuuriga ahjust, mis asetseb reaktori ümber. Et [[keemiline reaktsioon|reaktsioon]] toimuks, on vaja süsteemi viia vajalikud lähteained, mis on gaasifaasis. Põhiliselt kasvatatakse grafeeni kolme gaasi – [[metaan]]i, [[vesinik]]u ja [[argoon]]i – abil. Gaasid on suunatud teatud kontsentratsiooniga kõrge temperatuuriga reaktorisse, kus hakkab toimuma [[keemiline reaktsioon]], mis koosneb neljast etapist:<ref name="lp3Q1" /><ref name="On1iR" />

<math>CH4-> CH3 + H</math>

<math>CH3 -> CH2 + H</math>

<math>CH2->CH + H</math>

<math> CH -> C + H</math>
<ref name="sgtJS" />

Reaktsiooni käigus eralduvad ka kõrvalproduktid, mis pumbatakse vaakumpumbaga välja.<ref name="lp3Q1" />

=== Ränikarbiidi termiline lagundamine === 
Grafeeni saab toota ka [[ränikarbiid]]i (SiC) lagundades. Ränikarbiid kuumutatakse [[vaakum]]is (rõhul ~ 10 −6 torri) kõrgele temperatuurile (üle 1100&nbsp;°C), kus ränikarbiid hakkab lagunema ja hiljem moodustavad [[süsinik]]u [[aatom]]id grafeeni.

=== Grafiitoksiidi redutseerimine ===
[[Grafiitoksiid]]i redutseerumist kasutati tõenäolisest kõige esimese meetodina grafeeni sünteesiks. Töötlemisviisi põhimõtteks on kiiresti kuumutada [[grafiitoksiid]] kõrgele temperatuurile, kus saadakse [[dispergant|dispergeenne]] süsinikupulber. Saadud süsinikupulbris leidub väga väike kogus grafeeni ja saadud grafeen on väga madala kvaliteediga võrreldes mehaanilise lõhestamise teel saadud grafeeniga.

== Grafeeni potentsiaalsed rakendusvaldkonnad ==
[[Pilt:Kortsus grafeen.tif|pisi|Grafeenikiht, mida on kraabitud skalpelliga, et uurida tema nakkuvust aluspinnaga ja vastupidavust kriimustustele. Maido Merisalu, Tartu Ülikool]]
Mõned potentsiaalsed grafeeni rakendusvaldkonnad on juba arenemas ja palju on veel tulemas. Grafeeni saaks kasutada näiteks kergete, õhukeste ja vastupidavate kuvarite, [[elektriahel]]ate ja [[päikesepatarei|päikesepaneelide]] valmistamiseks.<ref name="DnTIZ" />

===Integreeritud vooluring===
Grafeenil on suurepärased omadused, et koostada sellest [[integreeritud vooluring]], kuna grafeenil on kõrge [[elektrijuhtivus]]. Kuid probleemiks on see, et selliseid grafeeniliistakuid on väga raske teha. Teadlased otsivad uusi tõhusaid meetodeid, kuidas saaks grafeeniliistakuid üle kanda nende esialgsest kasvatusalusest [[ränioksiid|SiO<sub>2</sub>]] ([[ränioksiid]])-alustele.<ref name="DnTIZ" /> 2008. aastal valmistati grafeenist maailma kõige väiksem [[mikrokiip|kiip]], mis on kõigest ühe aatomi paksune ja kümne aatomi laiune.<ref name="uN5i4" />
	
=== Läbipaistvad elektroodid ===
Kuna grafeenil on väga hea elektrijuhtivus ja ta on peaaegu läbipaistev, võib sellest saada uus materjal [[puuteekraan|puutetundlike ekraanide]], [[vedelkristallkuvar]]ite ja [[Orgaaniline valgusdiood|orgaaniliste valgusdioodide]] valmistamiseks.<ref name="UHP9r" />

===Päikesepatareid===
Väga hea elektrijuhtivuse ja [[läbipaistvus]]e]tõttu saab grafeenist teha ka [[päikesepatarei]]sid. Ühe aatomi paksune grafeeniliistak on null-[[keelutsoon]]iga [[pooljuht]], mille laengud on delokaliseeritud kogu pinna suhtes ja laengu hajumist ei toimu. Samuti [[spektroskoopia|neelab]] grafeen ainult 2,3% valgust ja ülejäänud 97,7% peegeldub.<ref name="swRfX" />
	
=== Ultrakondensaatorid ===
Tänu [[mass]]i ja [[pindala]] suhtele saaks teha grafeenist ka juhtivaid plaate, millest omakorda valmistada [[superkondensaator|ultrakondensaatoreid]]. Usutakse, et grafeenist võib valmistada kõige suurema [[mahtuvus]]ega [[kondensaator]]eid.<ref name="s8oSn" />
	 
=== Lisand jahutusvedelikus ===
Suure [[soojusjuhtivus]]e tõttu on grafeeni võimalik kasutada lisandina [[antifriis|jahutusvedelikus]]. Esialgsed uuringud on näidanud, et 5%-line grafeenisisaldus vedelikus suurendab [[antifriis|jahutusvedeliku]] [[soojusjuhtivus]]t 86%.<ref name="e8JSV" />
	
=== Etanooli destilleerimine ===
[[Grafeenoksiidi]] [[membraan (tehnika)|membraanid]] lasevad läbi [[veeaur]]u, kuid on näidatud, et kõik muud [[vedelik]]ud ja [[gaas]]id, kaasa arvatud [[heelium]], membraanist läbi ei lähe.<ref name="LGJGw" /> Seda meetodit on kasutatud viina destilleerimiseks, et suurendada [[alkohol]]i [[kontsentratsioo]]ni, ilma et rakendataks soojust või vaakumit, mis on tavalise [[destillatsioon|destilleerimise]] puhul vajalik.<ref name="nqGIj" /> Selle meetodi edasiarendamine ja turustamine võib luua revolutsiooni [[biokütus]]e ja [[Alkohoolne jook|alkohoolsete jookide]] tootmises.

==Vaata ka==
*[[Laiapinnalise grafeeni valmistamine keemilise aurufaassadestuse meetodil]]
*[[Grafeentransistor]]
*[[Allotroopia]]

==Viited==
{{viited|allikad=
<ref name="D6Tqj">Meyer, J. et al. (2007). "The structure of suspended graphene sheets". Nature 446 (7131): 60–63</ref>
<ref name="9jTqP">THE RISE OF GRAPHENE, A.K. Geim and K.S. Novoselov. Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester, Oxford Road M13 9PL, United Kingdom</ref>
<ref name="NJl0S">Graphene: Characterization After Mechanical Exfoliation Charlotte Reeves Research Advisor: R. A. Lukaszew</ref>
<ref name="m3oCe">THE RISE OF GRAPHENE,A.K. Geim and K.S. Novoselov Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester, Oxford Road M13 9PL, United Kingdom</ref>
<ref name="zo8yn">Wallace, P. R. (1947). "The Band Theory of Graphite". Physical Review 71 (9): 622</ref>
<ref name="08lF7">Lee, C. et al. (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science 321 (5887): 385–8</ref>
<ref name="3qsyQ">Mikhail I. Katsnelson Graphene: carbon in two dimensions. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, 6525 ED Nijmegen, The Netherlands</ref>
<ref name="AoPi1">Graphene: Exploring carbon flatland Andrey K. Geim and Allan H. MacDonald</ref>
<ref name="lp3Q1">Chemical Vapor Deposition of Graphene Congqin Miao, Churan Zheng, Owen Liang and Ya-Hong Xie University of California, Los Angeles United States</ref>
<ref name="On1iR">First-Principles Thermodynamics of Graphene Growth on Cu Surfaces Wenhua Zhang, Ping Wu, Zhenyu Li,* and Jinlong Yang</ref>
<ref name="sgtJS">First-Principles Thermodynamics of Graphene Growth on Cu Surfaces Wenhua Zhang, Ping Wu, Zhenyu Li,* and Jinlong Yang Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China</ref>
<ref name="DnTIZ">Chen, J., Ishigami, M., Jang, C., Hines, D. R., Fuhrer, M. S., and Williams, E. D. (2007). "Printed graphene circuits". Advanced Materials 19 (21): 3623–3627</ref>
<ref name="uN5i4">Ponomarenko, L. A. et al. (2008). "Chaotic Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots". Science 320 (5874): 356–8.</ref>
<ref name="UHP9r">Eda G, Fanchini G, Chhowalla M (2008). "Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material". Nat Nanotechnol 3 (5): 270–4</ref>
<ref name="swRfX">Mukhopadhyay, Prithu (2013). Graphite, Graphene and their Polymer Nanocomposites. Boca Raton, Florida: Taylor & Francis Group. pp. 202–213.</ref>
<ref name="s8oSn">Stoller, Meryl D.; Sungjin Park, Yanwu Zhu, Jinho An, and Rodney S. Ruoff (2008). "Graphene-Based Ultracapacitors" (PDF). Nano Lett 8 (10): 3498–502.</ref>
<ref name="e8JSV">Significant thermal conductivity enhancement for nanofluids containing graphene nanosheets Wei Yua, b, Huaqing Xiea, , , Xiaoping Wanga, Xinwei Wangb</ref>
<ref name="LGJGw">Nair, R. R.; Wu, H. A.; Jayaram, P. N.; Grigorieva, I. V.; Geim, A. K. (2012). "Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes". Science 335 (6067): 442–4.</ref>
<ref name="nqGIj">Waugh, Rob. "Hi-tech 'wonder material' graphene has an unexpected use – it can distill vodka at room temperature"</ref>
}}

==Välislingid==
{{Commons|Category:Graphene}}
*[http://teadus.err.ee/salv?id=1427&saade=211 Teaduse helisõnastik: Grafeen] ([[Harry Alles]]) – ERR Teadus, 7. jaanuar 2010

[[Kategooria:Süsinik]]