W 2010 roku Geim i Novoselov otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za prace nad grafenem.Nagroda ta wywarła głębokie wrażenie na wielu osobach.W końcu nie każde narzędzie eksperymentalne Nagrody Nobla jest tak powszechne jak taśma klejąca i nie każdy obiekt badawczy jest tak magiczny i łatwy do zrozumienia jak grafen „dwuwymiarowy kryształ”.Praca z roku 2004 może zostać nagrodzona w roku 2010, co jest rzadkością w historii Nagrody Nobla w ostatnich latach.
Grafen to rodzaj substancji składającej się z pojedynczej warstwy atomów węgla ściśle ułożonych w dwuwymiarową sześciokątną siatkę o strukturze plastra miodu.Podobnie jak diament, grafit, fuleren, nanorurki węglowe i węgiel amorficzny jest substancją (substancją prostą) złożoną z pierwiastków węglowych.Jak pokazano na poniższym rysunku, fulereny i nanorurki węglowe można zobaczyć w postaci zwiniętej z pojedynczej warstwy grafenu, która jest ułożona przez wiele warstw grafenu.Teoretyczne badania nad wykorzystaniem grafenu do opisu właściwości różnych substancji prostych węgla (grafit, nanorurki węglowe i grafen) trwają już blisko 60 lat, jednak powszechnie uważa się, że takie dwuwymiarowe materiały trudno stabilnie istnieć samodzielnie, przyczepione jedynie do trójwymiarowej powierzchni podłoża lub wewnątrz substancji takich jak grafit.Dopiero w 2004 roku Andre Geim i jego uczeń Konstantin Nowosełow w drodze eksperymentów usunęli z grafitu pojedynczą warstwę grafenu, co doprowadziło do nowego rozwoju badań nad grafenem.
Zarówno fuleren (po lewej), jak i nanorurkę węglową (w środku) można uznać za zwinięte w jedną warstwę grafenu, podczas gdy grafit (po prawej) jest ułożony w wiele warstw grafenu poprzez połączenie 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.Za pomocą przezroczystej taśmy dostępnej w supermarketach usunęli grafen, arkusz grafitu o grubości tylko jednej warstwy atomów węgla, z kawałka wysokiej jakości grafitu pirolitycznego.Jest to wygodne, ale sterowalność nie jest zbyt dobra i można uzyskać jedynie grafen o wielkości mniejszej niż 100 mikronów (jedna dziesiąta milimetra), który można wykorzystać do eksperymentów, ale trudno go wykorzystać w praktyce Aplikacje.Chemiczne osadzanie z fazy gazowej może spowodować powstanie na powierzchni metalu próbek grafenu o wielkości kilkudziesięciu centymetrów.Chociaż obszar o stałej orientacji wynosi tylko 100 mikronów [3,4], był odpowiedni do potrzeb produkcyjnych w niektórych zastosowaniach.Inną powszechną metodą jest podgrzanie kryształu węglika krzemu (SIC) do temperatury ponad 1100 ℃ w próżni, tak aby atomy krzemu w pobliżu powierzchni odparowały, a pozostałe atomy węgla uległy przegrupowaniu, co również pozwala uzyskać próbki grafenu o dobrych właściwościach.
Grafen to nowy materiał o unikalnych właściwościach: jego przewodność elektryczna jest równie doskonała jak miedź, a przewodność cieplna jest lepsza niż jakikolwiek znany materiał.To jest bardzo przejrzyste.Tylko niewielka część (2,3%) padającego pionowo światła widzialnego zostanie pochłonięta przez grafen, a większość światła przejdzie przez niego.Jest tak gęsty, że nawet atomy helu (najmniejsze cząsteczki gazu) nie mogą przez niego przejść.Te magiczne właściwości nie są bezpośrednio odziedziczone od grafitu, ale od mechaniki kwantowej.Jego unikalne właściwości elektryczne i optyczne decydują o szerokich perspektywach jego zastosowań.
Choć grafen pojawia się dopiero od niecałych dziesięciu lat, znalazł już wiele zastosowań technicznych, co jest bardzo rzadkie w fizyce i materiałoznawstwie.Przejście materiałów z laboratorium do prawdziwego życia zajmuje ponad dziesięć lat, a nawet dziesięcioleci.Jaki jest pożytek z grafenu?Spójrzmy na dwa przykłady.
Miękka przezroczysta elektroda
W wielu urządzeniach elektrycznych jako elektrody należy stosować przezroczyste materiały przewodzące.Zegarki elektroniczne, kalkulatory, telewizory, wyświetlacze ciekłokrystaliczne, ekrany dotykowe, panele słoneczne i wiele innych urządzeń nie może pominąć istnienia przezroczystych elektrod.Tradycyjna przezroczysta elektroda wykorzystuje tlenek indu i cyny (ITO).Ze względu na wysoką cenę i ograniczoną podaż indu materiał jest kruchy i brak elastyczności, a elektrodę należy osadzić w środkowej warstwie próżni, a koszt jest stosunkowo wysoki.Naukowcy od dawna poszukiwali jego zamiennika.Oprócz wymagań dotyczących przezroczystości, dobrej przewodności i łatwego przygotowania, jeśli elastyczność samego materiału jest dobra, będzie on nadawał się do produkcji „papieru elektronicznego” lub innych składanych urządzeń wyświetlających.Dlatego też elastyczność jest również bardzo ważnym aspektem.Grafen jest takim materiałem, który doskonale nadaje się na przezroczyste elektrody.
Naukowcy z Samsunga i Uniwersytetu Chengjunguan w Korei Południowej uzyskali grafen o przekątnej 30 cali poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej i przenieśli go na folię z politereftalanu etylenu (PET) o grubości 188 mikronów, aby wytworzyć ekran dotykowy na bazie grafenu [4].Jak pokazano na poniższym rysunku, grafen wyhodowany na folii miedzianej jest najpierw łączony za pomocą taśmy termoizolacyjnej (niebieska przezroczysta część), następnie folia miedziana jest rozpuszczana metodą chemiczną, a na koniec grafen jest przenoszony na folię PET poprzez ogrzewanie .
Nowy fotoelektryczny sprzęt indukcyjny
Grafen ma bardzo unikalne właściwości optyczne.Mimo, że ma tylko jedną warstwę atomów, może ona pochłonąć 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 wyznaczana metodą elektrodynamiki kwantowej [6].Zaabsorbowane światło doprowadzi do wygenerowania nośników (elektronów i dziur).Wytwarzanie i transport nośników w grafenie znacznie różni się od tych w tradycyjnych półprzewodnikach.To sprawia, że grafen doskonale nadaje się do ultraszybkich fotoelektrycznych urządzeń indukcyjnych.Szacuje się, że taki fotoelektryczny sprzęt indukcyjny może pracować na częstotliwości 500 GHz.Jeśli jest używany do transmisji sygnału, może przesłać 500 miliardów zer lub jedynek na sekundę i zakończyć 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 pracować na częstotliwości 10 GHz [8].W pierwszej kolejności przygotowano płatki grafenu na podłożu krzemowym pokrytym krzemionką o grubości 300 nm metodą „rozdzierania taśmy”, a następnie wykonano na nim elektrody ze złota palladowego lub złota tytanowego o odstępie 1 mikrona i szerokości 250 nm.W ten sposób otrzymuje się fotoelektryczne urządzenie indukcyjne na bazie grafenu.
Schemat ideowy sprzętu do indukcji fotoelektrycznej grafenu i zdjęcia rzeczywistych próbek ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM).Czarna krótka linia na rysunku odpowiada 5 mikronom, a odległość między metalowymi liniami wynosi jeden mikron.
W wyniku eksperymentów naukowcy odkryli, że to fotoelektryczne urządzenie indukcyjne o strukturze metalicznego 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 fotoelektryczna lampa indukcyjna nie reaguje na światło podczerwone o większej długości fali.Częstotliwość robocza grafenowych fotoelektrycznych urządzeń indukcyjnych nadal wymaga znacznych ulepszeń.Jego doskonała wydajność sprawia, że ma szeroki zakres zastosowań, w tym komunikację, zdalne sterowanie i monitorowanie środowiska.
Jako nowy materiał o unikalnych właściwościach, sukcesywnie pojawiają się badania nad zastosowaniem grafenu.Trudno nam je tutaj wyliczyć.W przyszłości mogą pojawić się lampy z efektem polowym wykonane z grafenu, przełączniki molekularne z grafenu i detektory molekularne z grafenu w życiu codziennym… Grafen, który stopniowo wychodzi z laboratorium, będzie świecił w życiu codziennym.
Można się spodziewać, że w najbliższej przyszłości pojawi się duża liczba produktów elektronicznych wykorzystujących grafen.Pomyśl, jak ciekawie byłoby, gdyby nasze smartfony i netbooki można było zwinąć, założyć na uszy, wepchnąć do kieszeni lub owinąć wokół nadgarstków, gdy nie są używane!
Czas publikacji: 09 marca 2022 r