W 2010 r. Geim i Novoselov zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad grafenem. Ta nagroda wywarła głębokie wrażenie wielu ludziom. W końcu nie każde narzędzie eksperymentalne Nagrody Nobla jest tak samo powszechne jak taśma klejna, a nie każdy obiekt badawczy jest tak magiczny i łatwy do zrozumienia jak grafen „dwuwymiarowy kryształ”. Prace w 2004 r. Można przyznać w 2010 roku, co jest rzadkie w rejestrze Nagrody Nobla w ostatnich latach.
Grafen jest rodzajem substancji, która składa się z pojedynczej warstwy atomów węgla ściśle ułożonej w dwuwymiarową sześciokątną sieć plastra miodu. Podobnie jak diament, grafit, fuleren, nanorurki węglowe i amorficzny węgiel, jest to substancja (prosta substancja) złożona z elementów węglowych. Jak pokazano na poniższym rysunku, Fullerens i nanorurki węglowe mogą być postrzegane jako zwinięte w jakiś sposób z pojedynczej warstwy grafenu, który jest układany przez wiele warstw grafenu. Teoretyczne badania dotyczące wykorzystania grafenu do opisania właściwości różnych prostych substancji węglowych (grafitu, nanorurek węglowych i grafenu) trwały od prawie 60 lat, ale ogólnie uważa się, że takie dwuwymiarowe materiały są trudne do stabilnego istnienia samego, przymocowany tylko do trójwymiarowej powierzchni podłoża lub substancji wewnętrznych, takich jak grafit. Dopiero w 2004 r. Andre Geim i jego student Konstantin Novoselov odetchnęli jedną warstwę grafenu z grafitu poprzez eksperymenty, aby badania nad grafenem osiągnęły nowy rozwój.
Zarówno Fullerene (po lewej), jak i nanorurka węglowa (środkowa) można uznać za zwinięte przez pojedynczą warstwę grafenu w jakiś sposób, podczas gdy grafit (po prawej) jest układany przez wiele warstw grafenu przez połączenie siły Van der Waalsa.
W dzisiejszych czasach grafen można uzyskać na wiele sposobów, a różne metody mają własne zalety i wady. Geim i Novoselov uzyskali grafen w prosty sposób. Korzystając z przezroczystej taśmy dostępnej w supermarketach, rozebrały grafen, arkusz grafitowy z tylko jedną warstwą atomów węgla grubego, z kawałka pirolitycznego grafitu wysokiego rzędu. Jest to wygodne, ale sterowalność nie jest tak dobra, a grafen o wielkości mniejszej niż 100 mikronów (jedna dziesiąta milimetra) można uzyskać tylko, co można użyć do eksperymentów, ale trudno jest go użyć do praktycznego praktycznego Zastosowania. Chemiczne osadzanie pary może wyhodować próbki grafenu o wielkości dziesiątek centymetrów na metalu. Chociaż obszar o spójnej orientacji wynosi tylko 100 mikronów [3,4], jest odpowiedni dla potrzeb produkcyjnych niektórych zastosowań. Inną powszechną metodą jest podgrzanie kryształu węgliku krzemu (SIC) do ponad 1100 ℃ w próżni, tak że atomy krzemu w pobliżu odparowania powierzchni, a pozostałe atomy węgla są uporządkowane, które mogą również uzyskać próbki grafenu o dobrych właściwościach.
Grafen jest nowym materiałem o unikalnych właściwościach: jego przewodność elektryczna jest tak doskonała jak miedź, a jego przewodność cieplna jest lepsza niż jakikolwiek znany materiał. To jest bardzo przejrzyste. Tylko niewielka część (2,3%) pionowego padającego światła widzialnego zostanie wchłonięta przez grafen, a większość światła przejdzie. Jest tak gęsty, że nawet atomy helu (najmniejsze cząsteczki gazu) nie mogą przechodzić. Te magiczne właściwości nie są bezpośrednio odziedziczone po graficie, ale z mechaniki kwantowej. Jego unikalne właściwości elektryczne i optyczne określają, że ma szerokie perspektywy zastosowania.
Chociaż grafen pojawia się od mniej niż dziesięć lat, pokazał wiele zastosowań technicznych, co jest bardzo rzadkie w dziedzinie fizyki i nauk materialnych. Przejście z laboratorium do prawdziwego życia zajmuje ponad dziesięć lat, a nawet dziesięciolecia. Jaki jest zastosowanie grafenu? Spójrzmy na dwa przykłady.
Miękka przezroczysta elektroda
W wielu urządzeniach elektrycznych należy stosować przez przezroczyste materiały przewodzące jako elektrody. Zegarki elektroniczne, kalkulatory, telewizory, wyświetlacze ciekłokrystaliczne, ekrany dotykowe, panele słoneczne i wiele innych urządzeń nie mogą pozostawić istnienia przezroczystych elektrod. Tradycyjna przezroczysta elektrodę wykorzystuje tlenek cyny indu (ITO). Ze względu na wysoką cenę i ograniczoną podaż Indium materiał jest krucha i brak elastyczności, a elektroda musi zostać osadzona w środkowej warstwie próżni, a koszt jest stosunkowo wysoki. Od dłuższego czasu naukowcy starają się znaleźć swój substytut. Oprócz wymagań przejrzystości, dobrej przewodnictwa i łatwego przygotowania, jeśli elastyczność samego materiału jest dobra, będzie odpowiednia do tworzenia „papieru elektronicznego” lub innych składanych urządzeń wyświetlanych. Dlatego elastyczność jest również bardzo ważnym aspektem. Grafen jest takim materiałem, który jest bardzo odpowiedni dla przezroczystych elektrod.
Naukowcy z Uniwersytetu Samsunga i Chengjunguan w Korei Południowej uzyskali grafen o średnicy 30 cali przez chemiczne osadzanie pary i przenieśli go do folii tereftalanu polietylenu o grubości 188 mikronów (PET), aby wytworzyć ekran dotykowy na bazie grafenu [4]. Jak pokazano na poniższym rysunku, grafen hodowany na folii miedzianej jest najpierw wiązany z taśmą do usuwania termicznego (niebieska przezroczysta część), wówczas folia miedzi jest rozpuszczona metodą chemiczną, a wreszcie grafen jest przenoszony do folii PET przez ogrzewanie .
Nowy sprzęt do indukcji fotoelektrycznej
Grafen ma bardzo unikalne właściwości optyczne. Chociaż istnieje tylko jedna warstwa atomów, może wchłonąć 2,3% emitowanego światła w zakresie długości fali od światła widzialnego do podczerwieni. Liczba ta nie ma nic wspólnego z innymi parametrami materiału grafenu i jest określana za pomocą elektrodynamiki kwantowej [6]. Światło wchłonięte doprowadzi do wytwarzania nośników (elektronów i otworów). Generowanie i transport nośników w grafenie różnią się bardzo od tych w tradycyjnych półprzewodnikach. To sprawia, że grafen jest bardzo odpowiedni dla ultraszybkiego urządzeń do indukcji fotoelektrycznej. Szacuje się, że taki sprzęt do indukcji fotoelektrycznej może działać na częstotliwość 500 GHz. Jeśli jest używany do transmisji sygnału, może przesyłać 500 miliardów zer lub na sekundę i ukończyć transmisję zawartości dwóch płyt Blu Ray w ciągu jednej sekundy.
Eksperci z IBM Thomas J. Watson Research Center w Stanach Zjednoczonych wykorzystali grafen do produkcji fotoelektrycznych urządzeń indukcyjnych, które mogą działać przy częstotliwości 10 GHz [8]. Najpierw przygotowano płatki grafenowe na substratu krzemu pokrytym krzemionką o grubości 300 nm „metodą łzawiania taśmy”, a następnie wykonano złoto złota w Palladium lub tytanowe złoto z odstępem 1 mikronu i wykonano na niej szerokość 250 nm. W ten sposób uzyskuje się urządzenie indukcyjne fotoelektryczne oparte na grafenie.
Schematyczny schemat grafenowych fotoelektrycznych urządzeń indukcyjnych i skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) Zdjęcia rzeczywistych próbek. Czarna krótka linia na rysunku odpowiada 5 mikronom, a odległość między liniami metalowymi wynosi jeden mikron.
Poprzez eksperymenty naukowcy odkryli, że to metalowa struktura grafenu metalowa fotoelektryczna urządzenie indukcyjne może osiągnąć częstotliwość roboczą 16 GHz i może działać z dużą prędkością w zakresie długości fali od 300 nm (w pobliżu ultrafioletu) do 6 mikronów (podczerwień), a jednocześnie podczerwień), a Tradycyjna rurka indukcyjna fotoelektryczna nie może reagować na światło podczerwieni o dłuższej długości fali. Częstotliwość robocza sprzętu indukcyjnego grafenowego fotoelektrycznego wciąż ma świetny miejsce na ulepszenia. Jego doskonała wydajność sprawia, że ma szeroki zakres potencjalnych klientów, w tym komunikację, zdalne sterowanie i monitorowanie środowiska.
Jako nowy materiał o unikalnych właściwościach badania nad zastosowaniem grafenu pojawiają się jeden po drugim. Trudno nam je wyliczyć tutaj. W przyszłości mogą występować rurki efektu polowego wykonane z grafenu, przełączniki molekularne wykonane z grafenu i detektorów molekularnych wykonanych z grafenu w życiu codziennym… grafen, który stopniowo wychodzi z laboratorium, będzie świecić w codziennym życiu.
Możemy oczekiwać, że w najbliższej przyszłości pojawi się duża liczba produktów elektronicznych z użyciem grafenu. Zastanów się, jak interesujące byłoby to, gdyby nasze smartfony i netbooki mogły być zwinięte, zaciśnięte na uszach, nadziewane w kieszenie lub owinięte wokół naszych nadgarstków, gdy nie są używane!
Czas po: Mar-09-2022