Uma Introdução Aos Grafenos

Tópicos

1. Introdução

2. Hibridização do Carbono

2.1 Compostos formados por Carbono

3. Estrutura Cristalina do Grafeno

3.1 Rede Cristalina

3.2 Rede Recíproca

3.3 Zona de Brillouin

4. Referências

1. Introdução

• Primeiros estudos relacionados aos grafenos – 1947 por Wallace [1];

• Crescimento exponencial de artigos desde 2004;

• Grafeno serve de base para outras estruturas – fulereno, nanotubos;

• Propriedades: Controle da densidade de carga em “graphenes sheets”, considerado o primeiro cristal 2D; Elétrons com comportamente relativístico.

Fig. 01 ‐Número de manuscritos escritos sobre grafeno entre 2006‐2008 [2]

2. Hibridização do Carbono

• Elétrons em um determinado orbital recebem energia e passam para outro orbital;

• Os orbitais incompletos fundem‐se para formar novos orbitais;

• 3 tipos de hibridização;

Fig. 02 – Hibridização Sp, Sp² e Sp³  [3]

Hibridização Sp²;

Fig. 03 – Esquema da Hibridização Sp² [4] Fig. 04 – Orbitais na Hibridização Sp² [5]

2.1 Materiais Compostos por Carbono

Grafite – Sp²; Diamante – Sp³;

Propriedades:

• Mecânicas;• Térmicas;• Elétricas.

Fig. 05 – Estrutura do Grafite e Diamante [6]

Grafeno – Rede Hexagonal de átomos de carbono

Fig.06 ‐ Estrutura Honeycomb (Favo de Mel) do Grafeno [7] Fig. 07 – Esquema Representativo de uma rede cristalina de grafeno [8]

Grafeno – Gein, Novosolov – 2004 (Prêmio Nobel 2010)

• Técnica para obtenção do grafeno: Clivagem micromecânica

Fig. 08 – Esquema das clivagem micromecânica para o Grafeno [9]

Fulereno ‐ Kroto, Smalley e Curl – 1985

• Nobel química em 1996;

• Molécula esférica formada por átomos de carbono;

Fig. 10 ‐Molécula Fulereno C60 [11]Fig. 11 ‐Molécula gigante do fulereno: C240 [12]Fig. 09 ‐ Esquema da vaporização do carbono por laser [10]

Nanotubos de Carbono – Sumio Iijima, 1991 (Nature)

• Tubo formado por átomos de carbono ;

• Espessura média de 1 nm;

• Diversos tipo de nanotubos (maneira de como enrolar a folha)

Fig. 12 – Uma folha de grafeno enrolada (nanotubo de carbono) [13] Fig. 13 – Nanotubo de carbono [14]

3. Estrutura Cristalina do Grafeno

3.1 Rede Cristalina

• Necessário criar conceito de base: grupo de átomos que gera um padrão;

• Rede cristalina: Abstração Matemática que define um conjunto de pontos periodicamente no espaço;

•Rede de Bravais:  ;

• No caso bidimensional: Pode ser definida a partir de dois vetores: vetores primitivos;

• Cristal:  Soma da rede cristalina e base associada;

• Célula Unitária: Menor agrupamento de átomos com grande simetria que se repetem em uma determinada rede cristalina;

Fig. 14 – Definição de um cristal  [15] Fig. 15 – Rede cristalina do grafeno e seus vetores primitivos [16]

3.2 Rede Recíproca;

• Difração de Raios X – W. L. Brag;

• Reflexão no plano cristalino: Causando interferência;

• Feixe difratado com ângulo ϴ;

•Espalhamento, Análise de Fourier;

•Rede Recíproca:  ;

• 2 ⋅

;                       2 ⋅

;                          2 ⋅

;

• Espaço Recíproco (Espaço do 1/[L])

3.3 Zona de Brillouin

• Francês Léon Brillouin;

• Célula de Wigner Seitz;

• A menor região que dos planos que dividem a rede recíproca;

• Célula de Wigner‐Seitz na rede recíproca;

Fig. 18 – Primeira zona de Brillouin no espaço recíproco vista como um espaço de Wigner‐Seitz. [18]Fig. 17 – Célula de Wigner Seitz [17]   

Fig. 17 – Primeira zona de brillouin do grafeno no espaço recíproco mostrando seus vetores primitivos e pontos de maior dispersão de energia  [19] 

4. Referências[1] K.S. Novoselov, A. K. Geim, Nature 438, 197 (2005)

[2] Y. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Storner, And P. Kim, Nature 438, 201 (2005)

[3] http://www.quimica.seed.pr.gov.br/modules/galeria/detalhe.php?foto=1807&evento=5

[4] http://pt.slideshare.net/badalow/quimica333‐hibridizacao‐do‐carbono‐12566958

[5] http://pt.slideshare.net/badalow/quimica333‐hibridizacao‐do‐carbono‐12566958

[6] http://slideplayer.com.br/slide/1679079/

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

[9] Cunha, Daniel Elias, Estudo das propriedades de transporte eletrico de grafeno e de

grafeno hidrogenado,2009, Tese, Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de

Ciências Exatas Departamento de Fsica.

[10] http://www.goalfinder.com/product.asp?productid=113

[11] https://florbrancaciencia.wordpress.com/tag/geometris/

[12] http://pt.depositphotos.com/stock‐photos/fullerene.html

[13] http://www.monografias.com/trabajos82/nanotubos‐carbono/image001.gif

[14] www.wikipedia.com

[15] Neto, José Crisanto, Grafeno e Nanotubo de Carbono, Departamento de Física UFRN, Dez. 2011

[16] Cunha, Daniel Elias, Estudo das propriedades de transporte eletrico de grafeno e de

grafeno hidrogenado,2009, Tese, Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de

Ciências Exatas Departamento de Física.

[17] www.wikipedia.org

[18] www.wikipedia.org

[19] Cunha, Daniel Elias, Estudo das propriedades de transporte eletrico de grafeno e de

grafeno hidrogenado,2009, Tese, Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de

Ciências Exatas Departamento de Física.