W 2010 roku Geim i Novoselov zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad grafenem.Ta nagroda wywarła głębokie wrażenie na wielu osobach.W końcu nie każde narzędzie eksperymentalne Nagrody Nobla jest tak powszechne jak taśma klejąca, a nie każdy przedmiot badań jest tak magiczny i łatwy do zrozumienia, jak grafen „dwuwymiarowego kryształu”.Praca z 2004 roku może zostać nagrodzona w 2010 roku, co jest rzadkością w rekordzie Nagrody Nobla w ostatnich latach.
Grafen jest rodzajem substancji, która składa 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 (prostą substancją) złożoną z pierwiastków węglowych.Jak pokazano na poniższym rysunku, fulereny i nanorurki węglowe można postrzegać jako zwinięte z pojedynczej warstwy grafenu, na którą nakłada się wiele warstw grafenu.Teoretyczne badania nad wykorzystaniem grafenu do opisu właściwości różnych prostych substancji węglowych (grafitu, nanorurek węglowych i grafenu) trwają blisko 60 lat, ale ogólnie uważa się, że takie dwuwymiarowe materiały trudno jest trwale istnieć samodzielnie, przymocowane tylko do trójwymiarowej powierzchni podłoża lub substancji wewnętrznych, takich jak grafit.Dopiero w 2004 roku Andre Geim i jego uczeń Konstantin Novoselov w drodze eksperymentów zdarli pojedynczą warstwę grafenu z grafitu, dzięki czemu badania nad grafenem przyniosły nowy rozwój.
Zarówno fuleren (po lewej), jak i nanorurka węglowa (w środku) można uznać za zwinięte w jakiś sposób przez pojedynczą warstwę grafenu, podczas gdy grafit (po prawej) jest nałożony na wiele warstw grafenu dzięki połączeniu siły van der Waalsa.
W dzisiejszych czasach grafen można pozyskiwać na wiele sposobów, a różne metody mają swoje wady i zalety.Geim i Novoselov uzyskali grafen w prosty sposób.Używając przezroczystej taśmy dostępnej w supermarketach, zdjęli grafen, arkusz grafitowy o grubości tylko jednej warstwy atomów węgla, z kawałka wysokiej klasy grafitu pirolitycznego.Jest to wygodne, ale sterowalność nie jest tak dobra, a grafen o wielkości poniżej 100 mikronów (jedna dziesiąta milimetra) można uzyskać tylko, który można wykorzystać do eksperymentów, ale trudno go wykorzystać w praktyce Aplikacje.Chemiczne osadzanie z fazy gazowej może powodować wzrost próbek grafenu o wielkości kilkudziesięciu centymetrów na powierzchni metalu.Chociaż obszar o spójnej orientacji wynosi tylko 100 mikronów [3,4], był odpowiedni dla potrzeb produkcyjnych niektórych zastosowań.Inną popularną metodą jest podgrzanie kryształu węglika krzemu (SIC) do temperatury ponad 1100 ℃ w próżni, dzięki czemu atomy krzemu w pobliżu powierzchni wyparują, a pozostałe atomy węgla zostaną przegrupowane, co może również uzyskać próbki grafenu o dobrych właściwościach.
Grafen to nowy materiał o wyjątkowych właściwościach: jego przewodnictwo elektryczne jest tak doskonałe jak miedź, a jego przewodnictwo cieplne jest lepsze niż jakikolwiek znany materiał.Jest bardzo przejrzysty.Tylko niewielka część (2,3%) pionowego padającego światła widzialnego zostanie zaabsorbowana przez grafen, a większość światła przejdzie.Jest tak gęsty, że nawet atomy helu (najmniejsze cząsteczki gazu) nie mogą przez nią przejść.Te magiczne właściwości nie są bezpośrednio dziedziczone z grafitu, ale z mechaniki kwantowej.Jej wyjątkowe właściwości elektryczne i optyczne decydują o szerokich perspektywach aplikacyjnych.
Chociaż grafen pojawia się dopiero od niespełna dziesięciu lat, ma wiele zastosowań technicznych, co jest bardzo rzadkie w dziedzinie fizyki i materiałoznawstwa.Przejście z laboratorium do prawdziwego życia zajmuje ponad dziesięć lat, a nawet dziesięciolecia.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 opuścić istnienia przezroczystych elektrod.Tradycyjna przezroczysta elektroda wykorzystuje tlenek indowo-cynowy (ITO).Ze względu na wysoką cenę i ograniczoną podaż indu materiał jest kruchy i mało elastyczny, a elektroda musi być osadzona w środkowej warstwie próżni, a koszt jest stosunkowo wysoki.Naukowcy od dawna starają się znaleźć jego substytut.Oprócz wymagań przejrzystości, dobrej przewodności i łatwego przygotowania, jeśli sama elastyczność materiału jest dobra, 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 na przezroczyste elektrody.
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 z politereftalanu etylenu (PET) o grubości 188 mikronów (PET) w celu wytworzenia ekranu dotykowego na bazie grafenu [4].Jak pokazano na poniższym rysunku, grafen wyhodowany na folii miedzianej jest najpierw wiązany za pomocą termicznej taśmy do strippingu (część niebieska przezroczysta), następnie folia miedziana jest rozpuszczana metodą chemiczną, a na końcu grafen jest przenoszony na folię PET przez ogrzewanie .
Nowy fotoelektryczny sprzęt indukcyjny
Grafen ma bardzo wyjątkowe właściwości optyczne.Chociaż istnieje tylko jedna warstwa atomów, może ona pochłaniać 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].Pochłonięte światło doprowadzi do powstania nośników (elektronów i dziur).Wytwarzanie i transport nośników w grafenie bardzo różni się od tych w tradycyjnych półprzewodnikach.To sprawia, że grafen doskonale nadaje się do ultraszybkiego fotoelektrycznego sprzętu indukcyjnego.Szacuje się, że taki fotoelektryczny sprzęt indukcyjny może pracować na częstotliwości 500GHz.Jeśli jest używany do transmisji sygnału, może przesłać 500 miliardów zer lub jedynek na sekundę i zakończyć transmisję zawartości dwóch dysków 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 10GHz [8].Najpierw na krzemowym podłożu pokrytym krzemionką o grubości 300 nm metodą „tape tearing” przygotowano płatki grafenu, a następnie wykonano na nim elektrody ze złota palladowego lub tytanowego o odstępie 1 mikrona i szerokości 250 nm.W ten sposób uzyskuje się fotoelektryczne urządzenie indukcyjne na bazie grafenu.
Schemat ideowy grafenowego fotoelektrycznego sprzętu indukcyjnego i zdjęć ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) rzeczywistych próbek.Czarna krótka linia na rysunku odpowiada 5 mikronom, a odległość między metalowymi liniami to jeden mikron.
Dzięki eksperymentom naukowcy odkryli, że to fotoelektryczne urządzenie indukcyjne z metalową strukturą grafenu może osiągnąć częstotliwość roboczą co najwyżej 16 GHz i może pracować z dużą prędkością w zakresie długości fal od 300 nm (bliskie ultrafioletowi) do 6 mikronów (podczerwień), podczas gdy tradycyjna fotoelektryczna rura indukcyjna nie może reagować na światło podczerwone o większej długości fali.Częstotliwość pracy grafenowego fotoelektrycznego sprzętu indukcyjnego wciąż ma duże możliwości poprawy.Jego doskonała wydajność sprawia, że ma szeroki zakres zastosowań, w tym komunikację, zdalne sterowanie i monitorowanie środowiska.
Jako nowy materiał o unikalnych właściwościach, badania nad zastosowaniem grafenu pojawiają się po kolei.Trudno nam je tutaj wymienić.W przyszłości mogą pojawić się lampy polowe wykonane z grafenu, przełączniki molekularne wykonane z grafenu i detektory molekularne wykonane z grafenu w codziennym życiu… Grafen, który stopniowo wychodzi z laboratorium, będzie świecił w codziennym życiu.
Możemy się spodziewać, że w niedalekiej przyszłości pojawi się duża liczba produktów elektronicznych wykorzystujących grafen.Pomyśl, jak ciekawe byłoby, gdyby nasze smartfony i netbooki mogły być zwinięte, zaciśnięte na uszach, wepchnięte do kieszeni lub owinięte wokół nadgarstków, gdy nie są używane!
Czas publikacji: mar-09-2022