W 2010 roku Geim i Nowosiołow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za prace nad grafenem. Nagroda ta wywarła głębokie wrażenie na wielu osobach. W końcu nie każde narzędzie eksperymentalne nagrodzone Nagrodą Nobla jest tak powszechne jak taśma klejąca, a nie każdy obiekt badawczy jest tak magiczny i łatwy do zrozumienia jak „dwuwymiarowy kryształ” grafenu. Praca z 2004 roku może zostać nagrodzona w 2010 roku, co jest rzadkością w historii Nagród Nobla w ostatnich latach.
Grafen to rodzaj substancji składającej się z pojedynczej warstwy atomów węgla, ściśle ułożonych w dwuwymiarową, heksagonalną sieć plastra miodu. Podobnie jak diament, grafit, fulereny, nanorurki węglowe i węgiel amorficzny, jest to substancja (substancja prosta) złożona z pierwiastków węglowych. Jak pokazano na poniższym rysunku, fulereny i nanorurki węglowe można przedstawić jako zwinięte w pewien sposób z pojedynczej warstwy grafenu, która jest ułożona warstwami grafenu. Teoretyczne badania nad wykorzystaniem grafenu do opisu właściwości różnych prostych substancji węglowych (grafitu, nanorurek węglowych i grafenu) trwają od prawie 60 lat, ale powszechnie uważa się, że takie dwuwymiarowe materiały trudno jest stabilnie istnieć samodzielnie, jedynie przyczepione do trójwymiarowej powierzchni podłoża lub wewnątrz substancji takich jak grafit. Dopiero w 2004 roku Andre Geim i jego uczeń Konstantin Novoselov, poprzez eksperymenty, oddzielili pojedynczą warstwę grafenu od grafitu, co umożliwiło nowy rozwój badań nad grafenem.
Zarówno fuleren (po lewej), jak i nanorurkę węglową (pośrodku) można postrzegać jako zwinięte w pewien sposób przez pojedynczą warstwę grafenu, podczas gdy grafit (po prawej) jest ułożony w stos z wielu warstw grafenu dzięki połączeniu sił van der Waalsa.
Obecnie grafen można uzyskać na wiele sposobów, a różne metody mają swoje zalety i wady. Geim i Novoselov uzyskali grafen w prosty sposób. Używając przezroczystej taśmy dostępnej w supermarketach, oddzielili grafen, arkusz grafitu o grubości tylko jednej warstwy atomów węgla, od kawałka grafitu pirolitycznego wyższego rzędu. Jest to wygodne, ale kontrolowalność nie jest tak dobra, a grafen o rozmiarze mniejszym niż 100 mikronów (jednej dziesiątej milimetra) można uzyskać tylko w celach eksperymentalnych, ale trudno go wykorzystać w praktycznych zastosowaniach. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej umożliwia wyhodowanie próbek grafenu o rozmiarze kilkudziesięciu centymetrów na powierzchni metalu. Chociaż obszar o stałej orientacji wynosi tylko 100 mikronów [3,4], jest on odpowiedni dla potrzeb produkcyjnych niektórych zastosowań. Inną powszechnie stosowaną metodą jest podgrzanie kryształu węglika krzemu (SIC) do temperatury ponad 1100 ℃ w próżni, tak aby atomy krzemu znajdujące się blisko powierzchni odparowały, a pozostałe atomy węgla uległy przegrupowaniu, co również umożliwia uzyskanie próbek grafenu o dobrych właściwościach.
Grafen to nowy materiał o unikalnych właściwościach: jego przewodnictwo elektryczne jest równie doskonałe jak miedzi, a przewodnictwo cieplne lepsze niż jakiegokolwiek innego znanego materiału. Jest bardzo przezroczysty. Tylko niewielka część (2,3%) padającego pionowo światła widzialnego jest absorbowana przez grafen, a większość światła przechodzi przez niego. Jest tak gęsty, że nawet atomy helu (najmniejsze cząsteczki gazu) nie mogą przez niego przejść. Te magiczne właściwości nie są bezpośrednio odziedziczone po graficie, lecz z mechaniki kwantowej. Jego unikalne właściwości elektryczne i optyczne decydują o jego szerokich perspektywach zastosowania.
Chociaż grafen pojawił się zaledwie niecałe dziesięć lat temu, znalazł już wiele zastosowań technicznych, co jest rzadkością w dziedzinie fizyki i materiałoznawstwa. Przejście standardowych materiałów z laboratorium do praktycznego zastosowania zajmuje ponad dziesięć lat, a nawet dekady. Jakie jest zastosowanie grafenu? Przyjrzyjmy się dwóm przykładom.
Miękka przezroczysta elektroda
W wielu urządzeniach elektrycznych jako elektrody konieczne jest zastosowanie przezroczystych materiałów przewodzących. Zegarki elektroniczne, kalkulatory, telewizory, wyświetlacze ciekłokrystaliczne, ekrany dotykowe, panele słoneczne i wiele innych urządzeń nie może obyć się bez przezroczystych elektrod. Tradycyjna elektroda przezroczysta wykorzystuje tlenek indu i cyny (ITO). Ze względu na wysoką cenę i ograniczoną dostępność indu, materiał ten jest kruchy i mało elastyczny, a elektroda musi być osadzona w środkowej warstwie próżni, co jest stosunkowo kosztowne. Naukowcy od dawna poszukują jego zamiennika. Oprócz wymagań dotyczących przejrzystości, dobrej przewodności i łatwości przygotowania, jeśli sam materiał jest elastyczny, będzie on odpowiedni do produkcji „papieru elektronicznego” lub innych składanych urządzeń wyświetlających. Dlatego elastyczność jest również bardzo ważnym aspektem. Grafen jest takim materiałem, który doskonale nadaje się do produkcji przezroczystych elektrod.
Naukowcy z Samsunga i Uniwersytetu Chengjunguan w Korei Południowej uzyskali grafen o przekątnej 30 cali metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej i przenieśli go na folię politereftalanu etylenu (PET) o grubości 188 mikronów, aby wytworzyć ekran dotykowy na bazie grafenu [4]. Jak pokazano na poniższym rysunku, grafen wytworzony na folii miedzianej jest najpierw łączony z taśmą termiczną (niebieska przezroczysta część), następnie folia miedziana jest rozpuszczana metodą chemiczną, a na koniec grafen jest przenoszony na folię PET poprzez podgrzanie.
Nowy sprzęt do indukcji fotoelektrycznej
Grafen ma bardzo unikalne właściwości optyczne. Pomimo tego, że ma tylko jedną warstwę atomów, może absorbować 2,3% emitowanego światła w całym zakresie długości fal od światła widzialnego do podczerwieni. Liczba ta nie ma nic wspólnego z innymi parametrami materiałowymi grafenu i jest określana przez elektrodynamikę kwantową [6]. Absorbowane światło prowadzi do generowania nośników (elektronów i dziur). Generowanie i transport nośników w grafenie znacznie różnią się od generowania i transportu w tradycyjnych półprzewodnikach. To sprawia, że grafen jest bardzo odpowiedni do ultraszybkich urządzeń do indukcji fotoelektrycznej. Szacuje się, że takie urządzenia do indukcji fotoelektrycznej mogą pracować z częstotliwością 500 GHz. Jeśli jest używany do transmisji sygnału, może przesyłać 500 miliardów zer lub jedynek na sekundę i zakończyć transmisję zawartości dwóch płyt Blu-ray w ciągu jednej sekundy.
Eksperci z amerykańskiego Centrum Badawczego IBM Thomasa J. Watsona wykorzystali grafen do produkcji fotoelektrycznych urządzeń indukcyjnych, które mogą pracować z częstotliwością 10 GHz [8]. Najpierw przygotowano płatki grafenu na podłożu krzemowym pokrytym warstwą krzemionki o grubości 300 nm metodą „rozrywania taśmy”, a następnie naniesiono na nie elektrody palladowo-złote lub tytanowo-złote o odstępie 1 mikrona i szerokości 250 nm. W ten sposób uzyskano fotoelektryczne urządzenie indukcyjne na bazie grafenu.
Schemat urządzenia do indukcji fotoelektrycznej grafenu oraz zdjęcia rzeczywistych próbek wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM). Czarna krótka linia na rysunku odpowiada 5 mikronom, a odległość między liniami metalu wynosi jeden mikron.
W wyniku eksperymentów naukowcy odkryli, że to urządzenie do indukcji fotoelektrycznej z metalową strukturą grafenu może osiągnąć częstotliwość roboczą maksymalnie 16 GHz i może pracować z dużą prędkością w zakresie długości fal od 300 nm (bliski ultrafiolet) do 6 mikronów (podczerwień), podczas gdy tradycyjna lampa indukcyjna fotoelektryczna nie reaguje na światło podczerwone o większej długości fali. Częstotliwość robocza urządzeń do indukcji fotoelektrycznej z grafenu wciąż ma duże pole do poprawy. Jego doskonała wydajność sprawia, że ma on szeroki zakres zastosowań, w tym komunikację, zdalne sterowanie i monitorowanie środowiska.
Jako nowy materiał o unikalnych właściwościach, badania nad zastosowaniem grafenu pojawiają się jeden po drugim. Trudno je tu wymienić. W przyszłości mogą pojawić się lampy polowe z grafenu, przełączniki molekularne z grafenu i detektory molekularne z grafenu w życiu codziennym… Grafen, który stopniowo wychodzi z laboratoriów, będzie błyszczał w życiu codziennym.
Możemy spodziewać się, że w niedalekiej przyszłości pojawi się wiele produktów elektronicznych wykorzystujących grafen. Pomyślcie, jak ciekawie byłoby, gdyby nasze smartfony i netbooki można było zwinąć, przypiąć do uszu, schować do kieszeni lub owinąć wokół nadgarstków, gdy ich nie używamy!
Czas publikacji: 09-03-2022