Исследование электрических характеристик тонких графитовых слоев

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

Исследование электрических характеристик тонких графитовых слоев

Барсов Н.А. 1
1КГУ «Общеобразовательная школа №19 отдела образования города Костаная» Управления образования акимата Костанайской области
Мякишева Е.Ю. 1
1КГУ «Общеобразовательная школа №19 отдела образования города Костаная» Управления образования акимата Костанайской области
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
   
   
   
     
     
     
     
     
   
     
     
   
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
   
   
   
   

. Введение

Актуальность: Тонкие углеродные слои (в дальнейшем ТУС), и особенно графен, применяемые в современной технике могут произвести революцию во многих областях науки и техники и интерес к этому только возрастает.

Гипотеза исследования:  Особые свойства тонких углеродных слоев начинают проявляться только в моноатомных слоях. Более толстые слои ведут себя как обыкновенные резисторы, которые могут заменить резистор в схеме какого - либо устройства и оно продолжит свою работу.

Цель работы: Исследовать электрические параметры тонких слоев углерода. Изготовить графитовый резистор с параметрами подходящими для установки в электрические схемы.

Задачи исследования.

1. Изготовить образцы ТУС с различными геометрическими параметрами.

2. Измерить электрические характеристики ТУС.

3. Исследовать зависимость электрических характеристик ТУС от геометрических размеров и состава атмосферы.

4. Оценить пригодность ТУС для работы в качестве резисторов.

Объект исследования: Тонкие углеродные слои различного происхождения.

Предмет исследования: Электрические параметры тонких слоев как элементов электрических схем.

Практическая значимость: Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами.

Степень самостоятельности: Учащийся самостоятельно провел эксперименты по определению зависимости сопротивления от длины ТУС, площади поперечного сечения, материала, влажности воздуха. Рассмотрел теорию по данным вопросам.

Методы исследования:

Анализ:

Изучение и обобщение информации из книг, учебников, литературы, справочников, интернета;

Эксперимент :

Проведение опытов по определению зависимостей.

Синтез:

Обсуждение результатов исследование, построение выводов и гипотез.


II. Основная часть.

Базовые понятия темы:

Графит – минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться.

Графен - это один слой решетки графита толщиной в 1 атом.
Резистор – пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления.

Сопротивление – физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток.

Сила тока – это отношение электрического заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения (t).

Мультиметр –многофункциональный измерительный прибор. Объединяет в себе несколько измерительных устройств: вольтметр, амперметр, омметр. 

Амперметр –прибор для измерения силы тока в амперах.

Вольтметр – электроизмерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях.

Транзистор –  радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Конденсатор – пассивный радиоэлемент, который обладает таким свойством, как сохранение электрического заряда на своих обкладках.

Теория

В своей работе мы хотим создать резистор из подручных материалов, который будет обладать определенными свойствами для включения его в электрические схемы. Это необходимо при отсутствии под рукой производственного резистора, например когда перестал работать радиопередатчик или другое устройство.

Важное направление в современной физике – создание и исследование новых материалов, но прежде чем преступить к созданию чего - либо надо изучить его свойства. Мы в своей работе тоже решили сделать именно так. Прежде чем создать резистор - изучить материал из которого он будет сделан, а именно графит, потому что свой резистор мы решили изготовить из бумаги, покрыв ее графитовым карандашом.

Один из самых важных элементов, лежащих в основе всех органических веществ - углерод. Есть возможность построить его атомами много различных материалов: графит, графен, карбин, алмаз, фулерен, нанотрубки. У всех у них по - разному расположены атомы, хотя все состоят из атомов углерода [здесь укажите источник]..

Графит – чистый углерод, мягкий, черный, расслаивающийся. Графит проводит электрический ток, что мы и решили использовать в своей работе.

Если рассмотреть пластину графита, то вдоль ее плоскости ток проводится намного лучше, чем поперек. Мы рассмотрели в микроскоп расположение атомов углерода и увидели следующую картину:

ФОТО 1. Полоса закрашена 1-2-3 слоя графита

ФОТО 2 . Полоса с 1-2-3 слоями графита в микроскоп в проходящем свете

Структура графита особенная, она состоит из тонких слоев толщиной в 1 атом и на вид каждый слой похож на соты – шестиугольники, соединенные в сетку. Эту структуру хорошо видно в электронный микроскоп, мы смотрели в обычный микроскоп и четко увидели, что чем больше слоев графита, тем сильнее они покрывают бумагу, при этом мы увидели, что при повторной закраске графит почти не заполняет новые места. Между большими кусками графита есть тонкий серый графитный слой.

Графен -это один слой решетки графита толщиной в 1 атом, монослой из атомов углерода.


Структура углерода, один слой – графен

Алмаз - Атомы углерода, образующие кубическую кристаллическую решетку, обеспечивающую алмазу самую высокую твердость

Структура алмаза

Фулерен – это молекула, представляющая собой замкнутую сферу, состоящую из шестидесяти атомов углерода

Структура фулерена

Углеродные нанотрубки - цилиндрические молекулы, изготовленные из свернутых листов графена. Это самые жесткие и прочные материалы, которые были синтезированы.

Структура нанотрубки

Графит — это одна из форм углерода, атомы которого выстроены в слои. В каждом таком слое атомы образуют структуру из шестиугольников наподобие пчелиных сот. В пределах одного слоя каждый атом крепко «держится» за своих соседей, а вот слои связаны друг с другом значительно слабее. Таким образом, кристаллическая решетка графита напоминает стопку бумаг: листы легко подвинуть друг относительно друга, но сами страницы порвать труднее.

Мы будем получать тонкие соли путем затушевывания бумаги графитовым карандашом.

След карандаша представляет вот такую картину:

На снимке электронного микроскопа представлен след простого карандаша на алюминиевой фольге. Хорошо видно, в каком направлении двигался карандаш. По центру снимка находится тонкая графитовая «чешуйка» [5]
Изучив теорию про графит будем изготавливать графитовые резисторы и проверим, как зависит сопротивление самодельного резистора от его длины, площади поперечного сечения и материала (графита разных стран изготовителей).

Формула для вычисления электрического сопротивления проводника, выглядит следующим образом:

В работе мы попытаемся проверить зависимость сопротивления нашего самодельного резистора от представленных физических параметров, а именно от длины проводника, площади поперечного сечения и материала.

Особые свойства тонких углеродных слоев начинают проявляться только в моноатомных слоях. Более толстые слои должны вести себя как обыкновенные резисторы, которые могут заменить резистор в схеме какого - либо устройства и оно продолжит свою работу. Это мы и попытаемся доказать. Мы будем исследовать несколько нанесенных моноатомных слоев на бумагу и проследим будет ли подтверждена формула зависимости сопротивления от других физических параметров в данном случае и если будет соблюдаться ВАХ, то мы можем наш самодельный резистор использовать в различных базовых схемах в затруднительных ситуациях, то есть, когда нет под ругой готового производственного резистора. Проверим также нельзя ли использовать наш резистор, как датчик влажности.

III. Поисковый этап

Изготовление ТУС:

Отмерили полосы необходимой длины и ширины из бумаги А4, нанесли на них густую штриховку только направлением вдоль нашей полосы с помощью простого твердого карандаша марки KOH – I – NOOR 2B . В науке для получения каких-либо ДОСТОВЕРНЫХ результатов всегда стремятся изменять только один параметр. Поэтому карандаш и бумагу ВСЕГДА используем только одну.

ФОТО 3.Марки используемых карандашей ФОТО 4. Нанесение штриховки на полосы

Полосы приклеили на картон.

ФОТО 5. Изготовление полос на картоне

Далее нам было необходимо присоединить контакты к полоскам. На полосы небольшой ширины для первого, третьего, четвертого опытов мы сделали это с помощью контактов «Крокодил», фольги и канцелярских зажимов, которые прикрепили к щупам мультиметра:

ФОТО 6. Контакты «Крокодил» ФОТО 7.Измерение сопротивления с

помощью контактов «Крокодил»

Фольгу мы зажимаем канцелярским зажимом для бумаг и затем присоединяем крокодил прямо на фольгу. Этим мы бы обеспечиваем постоянное и одинаковое давление на электрод, обеспечивая РАВНЫЕ условия экспериментов.

ФОТО 8. Измерение сопротивления с помощью

контактов «Крокодил» и фольги

IV.Результаты исследования

Исследование зависимости сопротивления ТУС от длины полоски

Описание опыта:

Д ля опыта мы взяли 5 полосок одинаковой длины 6 см, ширины 1 см и нанесли на них штриховку карандашом 2 В в 3 слоя на каждую. С помощью мультиметра измерили сопротивление данных полос резисторов. Затем уменьшили все полоски графита по длине на 1 см и вновь измерили их сопротивление, затем уменьшили длину полос еще на 1 см и вновь измерили сопротивление и т.д.

ФОТО 9. Измерение сопротивления

Все измерения занесли в таблицу

Таблица1. Зависимость сопротивления ТУС от его длины

 

Сопротивление полосы резистора, кОм

Длина полосы l=6,0см

Длина полосы l=5см

Длина полосы l=4см

Длина полосы l=3,0см

Длина полосы l=2,0см

Длина полосы l=1см

1

17,3

11,38

10,45

8,35

6,64

2,73

2

4,92

4,29

3,55

2,72

1,71

0,80

3

6,54

5,53

4,25

2,90

1,50

0,73

4

7,54

6,87

5,67

4,43

2,37

1,14

5

5,88

4,94

4,15

3,02

2,01

0,93

Среднее

7,27

6,42

5,19

3,94

2,45

1,27

Вывод: При уменьшении длины полоски графита, её сопротивление уменьшается. По среднему значению получившихся результатов построили график зависимости сопротивления от длины. Иными словами: для тонких углеродных слоев выполняется закон зависимости сопротивления от длины углеродного (графитового) слоя.

График зависимости сопротивления ТУС от его длины

2) Исследование зависимости сопротивления ТУС от ширины полоски резистора

Описание опыта:

Д ля опыта мы взяли 5 полосок одинаковой длины 6 см, но разной ширины 1-5 см и нанесли на них штриховку карандашом 2 В в 3 слоя на каждую. С помощью мультиметра измерили сопротивление данных полос с графитом. Чтобы сделать одинаковые условия опыта, а именно нажим на резисторы, мы нажимали в каждом опыте с помощью канцелярских зажимов игири массой 16 кг.

ФОТО 10. Гиря, как одинаковый прижим для опытов

Все измерения занесли в таблицу

Таблица2. Зависимость сопротивления резистора от ширины полос

Среднее значение

Сопротивление полосы резистора, кОм

Ширина полосы а=1,0см

Ширина полосы а=2,0см

Ширина полосы а=3,0см

Ширина полосы а=4,0см

Ширина полосы а=5,0см

 

1

600

165

91

71

55

 
 

а

Таблица 3. Зависимость проводимости ТУС от его ширины

Среднее значение

Проводимость резистора, Сименс

Ширина полосы а=1,0см

Ширина полосы а=2,0см

Ширина полосы а=3,0см

Ширина полосы а=4,0см

Ширина полосы а=5,0см

 

1

0,002

0,006

0,011

0,014

0,018

 

Мы построили график зависимости сопротивления резистора от его ширины и график зависимости проводимости 1/R от ширины полос. Вот, что получили:

График зависимости сопротивления ТУС График зависимости проводимости

от его ширины ТУС от ширины полос

Вывод: С увеличением ширины полос, то есть с увеличением площади поперечного сечения сопротивление падает. То есть для тонких углеродных слоев выполняется закон зависимости сопротивления от площади поперечного сечения графитового слоя.

3. Исследование зависимости сопротивления ТУС от наличия в воздухе некоторых веществ.

Поскольку в наших опытах тонкие углеродные слои напрямую контактируют с атмосферой, то было бы интересно посмотреть, каким образом изменяется сопротивление ТУС в зависимости от состояния окружающего воздуха – в частности от наличия в воздухе паров некоторых веществ.

Описание опыта: Для опыта мы взяли 1 полоску длиной 6 см, шириной 1 см и нанесли на нее штриховку карандашом 2 В в 3 слоя. Устанавливаем на столе, застеленном полиэтиленовой пленкой нашу полоску с прикрепленными к ней электродами зажатыми канцелярскими зажимами и крокодилами, подсоединенными к мультиметру. Выбираем достаточных размеров чашку чтобы она могла полностью накрыть графитовую полоску и чтобы оставалось место для размещения емкости, в которую будет налита исследуемая жидкость. Измеряем сопротивление полоски на воздухе. В емкость для жидкости наливаем немного исследуемой жидкости и накрываем чашкой. Края чашки должны обеспечивать герметичность. Через 30 минут измеряем сопротивление. Измерения ведем до тех пор, пока они не станут стабильными. Снимаем чашку. Ждем достаточно долго, пока полоска не станет иметь то же сопротивление, что и до опыта (Приложение Фото Х). Затем повторяем с другой жидкостью. Измерения проводим не менее трех раз и средние значения экспериментов заносим в таблицу.

 

Мультиметр

 

ТУС

 

Ацетон

ФОТО 11. Опыт с наличием в атмосфере паров различных веществ

Полученные данные занесли в таблицу :

Таблица 4. Зависимость сопротивления ТУС от наличия в атмосфере паров различных веществ

 

Сопротивление ТУС, (кОм)

Сухой воздух

Ацетон

Спирт

Вода

Среднее

17,7

19,01

19,64

18,1

Вывод: Наличие в окружающей атмосфере паров жидкостей приводит к увеличению сопротивления ТУС. Поскольку пары ацетона и спирта не являются проводниками, то они, скорее всего, не участвуют в создании проводимости тонкого углеродного слоя. Мы считаем, что причиной увеличения сопротивления ТУС является наличие между пластинками углерода некоторого пространства, которое может быть рассмотрено как капилляр. Известно, что в капиллярах давление насыщеных паров жидкости уменьшается и возникает конденсация жидкости в капилляре, известная как капиллярная конденсация [7].

Конденсирующаяся в капиллярах жидкость раздвигает чешуйки углерода, что в принципе изменяет (уменьшает) площадь поперечного сечения тонкого углеродного слоя. А ранее мы показали, что это ведет и к увеличению сопротивления. На этот же факт указывает и разница в сопротивлениях. У воды увеличение сопротивления меньше, так как молекулы воды имеют меньшие размеры, чем молекулы спирта и ацетона и поэтому раздвигают пластинки графита в меньшей степени.

Этот опыт натолкнул нас на мысль о возможности измерения влажности воздуха с использованием ТУС как датчика. Для этого мы провели

4) Исследование зависимости сопротивления ТУС от влажности воздуха в комнате.

Влажность воздуха изменяли с помощью увлажнителя воздуха: 30%, 36%, 44%, 56%.и измеряли с помощью электронного измерителя влажности с точностью до 5 процентов.

Результаты усредненных значений показаны в таблице.

Таблица 5. Зависимость сопротивления ТУС от влажности воздуха в помещении

Длина полосы l=6,0см

Сопротивление полосы ТУС, кОм

Влажность воздуха 30%

Влажность воздуха 36%

Влажность воздуха 44%

Влажность воздуха 52%

Среднее

7,27

8,52

9,97

11,23

5) Исследование зависимости сопротивления ТУС от материала проводника

Описание опыта: Для опыта возьмем 5 полосок и закрасим разными карандашами: серым, черным, красным, синим, зеленым, желтым.

ФОТО 12. Нанесение цветного карандаша на полосы бумаги

Вывод: При измерении сопротивления мультиметр с пределом измерения 200 Мом не измерил сопротивление данных цветных полос, что означает, что их сопротивление гораздо больше этого предела, то есть ток в цепи при их подключении данные резисторы пропускать не будут или будут очень слабый.

Цветные карандаши часто в своем составе вообще не имеют графита. Это органические красители и глина. Отсюда и результат!!!

6) Исследование зависимости сопротивления резистора от материала проводника

О писание опыта: Для опыта возьмем 5 полосок и закрасим карандашами разных производителей в 3 слоя: «Томск», KOH-I-NOOR, Maped, ErickKrause, deli

ФОТО 12. ТУС, нарисованные разным графитом

Таблица 6. Исследование зависимости сопротивления резистора от материала проводника

 

Сопротивление резисторов различных изготовителей, кОм

deli

Maped

Erick Krause

ТВ

KOH-I-NOOR

JSLTUB

EVOLUTIO

«Томск» Сибирский кедр

«Томск» Русский карандаш

Ср

41,7

89,2

136

154

390

1100

2300

9200

21600

Вывод: Графит разных фирм имеет различное сопротивление, причем оно отличается на несколько порядков Делаем вывод, что сопротивление наших резисторов зависит от материала из которого изготовлен проводник. Причина, скорее всего, заключается в наличии в более твердых карандашах большего количества присадок к графиту. Чем мягче карандаш, тем меньше его сопротивление. Из представленных карандашей самый мягкий deli, далее (по таблице) и самый твердый «Томск» Русский карандаш.

Поскольку тонкие углеродные слои являются по сути своей резисторами, то мы провели исследование их именно в качестве радиоэлемента – резистора.

Построим вольт – амперную характеристику нашего резистора.

Для снятия показаний амперметра и вольтметра и дальнейшего построения вольт- амперной характеристики мы собрали следующую схему:

ФОТО 13. Собранная цепь для снятия ВАХ

Таблица 7. Снятие значений силы тока и напряжения для ВАХ

I

0,2

0,4

0,5

0,61

0,71

0,8

0,85

1,0

1,1

U

3,0

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

                   

I

1,2

1,29

1,4

1,51

1,6

1,71

1,8

1,9

2,0

U

8,0

8,5

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

11,5

12,0

В ольт – амперная характеристика ТУС

Вывод : Изготовленные нами тонкие углеродные слои подчиняются закону Ома!!

Попробуем примерно оценить каким тонким слоем был нанесён нами графит на полоску - резистор, если считать, что он распространился ровным слоем

Из формулы (1)

(1)

- удельное сопротивление графита возьмем из таблицы,

l – длина полоски, l=6см=0,06 м

R - сопротивление полоски, R=7,27 Ом

а – ширина полоски, а=1 см=0,01 м

в – толщина полоски

Расстояние между слоями графита – х=3,35 Å=3,35*10-10 м, а между ближайшими атомами в слое графита –1,42 Å.=1,42*10-10 м 

=32,02

Вывод: с помощью простого карандаша на бумагу мы нанесли 32 атомных слоя.

Чтобы проверить наш резистор в действии мы предлагаем собрать такую схему:

В работе данной схемы предусмотрено перемигивание светодиодных лампочек.

И заменить в ней производственный резистор на самодельный, нами изготовленный и проследить будет ли работать прежняя схема.

 

Самодельный резистор

Перемигивающиеся лампочки

Источник питания

ФОТО 14. Собранная схема с самодельным резистором

Собранная схема с самодельным резистором работала в нормальном режиме

V. Заключение.

Выводы по работе:

Для выполнения работы мы изготовили образцы ТУС с различными геометрическими параметрами.

Выполнив работу, мы подтвердили выдвинутую нами гипотезу, а именно, что особые свойства тонких углеродных слоев начинают проявляться только в моноатомных и очень тонких слоях, что заметно по зависимости сопротивления от влажности . Более толстые слои ведут себя как обыкновенные резисторы, которые могут заменить резистор в схеме какого - либо устройства и оно продолжит свою работу.

Доказали зависимость сопротивления ТУС от физических параметров, входящих в формулу:

Оценили пригодность ТУС для работы в качестве резисторов в различных электрических схемах.

Результаты работы могут быть применены на практике при самостоятельном изготовлении резисторов (например, для ремонта электронных устройств в экстремальных условиях), а также для изготовления простых датчиков влажности из недорогих материалов в условиях школьной лаборатории.

Оценка точности результатов

В каждом опыте измерения производились по N раз, затем находилось среднее значение величины .

Дадим оценку точности наших результатов используя следующую формулу: , (1)

где Х1, Х2, …, ХN - это значение величины Х, полученные в 1-ом,2-ом, …, N-ом измерениях, N – это общее количество измерений.

В своих опытах мы измеряли сопротивление ТУС R по 5 раз в каждом опыте. С помощь формулы (1) дадим оценку точности произведенных нами результатов.

Результат измерений в первом опыте может быть представлен с учетом погрешности:

Используемая литература

Веселовский В.С. Требования промышленности к качеству минерального сырья. Графит. М.: Госгеолтехиздат, 1960.

Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы ХХI века. М. : Техносфера, 2003

Мкртчян Л.С., Закинян А.Р., Диканский Ю.И. Электрические свойства тонкого слоя магнитной жидкости // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1. 

Уббелоде А.Р. , Льюис Ф.А. Графит и его кристаллические соединения. Пер. с анг.. М.: Мир, 1965.

https://risunci.com/instrumentyi-dlya-risovaniya/istoriya-svojstva-vidy-i-neobychnye-ekzemplyary-karandashej/(дата обращения: 16.12.2021)

https://nplus1.ru/material/2017/10/23/carbon-atom (дата обращения: 25.12.2021)

Гавронская, Ю. Ю. Коллоидная химия : учебник и практикум для академического бакалавриата / Ю. Ю. Гавронская, В. Н. Пак. — Москва

Просмотров работы: 91