Leta 2010 sta Geim in Novoselov osvojila Nobelovo nagrado iz fizike za svoje delo na Grapheneu. Ta nagrada je pustila globok vtis na številne ljudi. Navsezadnje ni vsako eksperimentalno orodje Nobelove nagrade tako pogosto kot lepilni trak in vsak raziskovalni objekt ni tako čarobni in enostaven za razumevanje kot "dvodimenzionalni kristalni" grafen. Delo v letu 2004 je mogoče podeliti leta 2010, kar je v zadnjih letih redko v zapisu Nobelove nagrade.
Graphene je nekakšna snov, ki je sestavljena iz ene same plasti ogljikovih atomov, tesno razporejenih v dvodimenzionalno šesterokotno rešetko satja. Tako kot diamant, grafit, fuleren, ogljikove nanocevke in amorfni ogljik je tudi snov (preprosta snov), sestavljena iz ogljikovih elementov. Kot je prikazano na spodnji sliki, lahko Fullerene in ogljikove nanocevke vidimo kot valjane na nek način iz ene same plasti grafena, ki jo zložijo številne plasti grafena. Teoretične raziskave uporabe grafena za opis lastnosti različnih ogljikovih preprostih snovi (grafit, ogljikove nanocevke in grafena) trajajo že skoraj 60 let, vendar na splošno velja, da je takšni dvodimenzionalni materiali težko obstajati sami, sami pritrjena samo na tridimenzionalno površino substrata ali notranjosti snovi, kot je grafit. Šele leta 2004 sta Andre Geim in njegov študent Konstantin Novoselov s poskusi odvzela en sam sloj grafena iz grafita, raziskave o grafenu pa so dosegle nov razvoj.
Tako Fullerene (levo) kot levo) in ogljikovo nanotube (srednja) lahko na nek način štejemo, da jih z enim slojem grafena valja, medtem ko je grafit (desno) zložen z več plastmi grafena skozi povezavo sile van der Waals.
Dandanes lahko grafen pridobimo na več načinov, različne metode pa imajo svoje prednosti in slabosti. Geim in Novoselov sta na preprost način pridobila grafen. Z uporabo prozornega traku, ki je na voljo v supermarketih, so odstranili grafen, grafitni list z le eno plastjo ogljikovih atomov debelo, iz kosa pirolitnega grafita z visokim redom. To je priročno, vendar obvladljivost ni tako dobra in grafen z velikostjo manj kot 100 mikronov (eno desetino milimetra) je mogoče dobiti le prijave. Kemično odlaganje hlapov lahko goji vzorce grafena z velikostjo več deset centimetrov na kovinski površini. Čeprav je območje z dosledno orientacijo le 100 mikronov [3,4], je bilo primerno za proizvodne potrebe nekaterih aplikacij. Druga pogosta metoda je ogrevanje kristala silicijevega karbida (sic) na več kot 1100 ℃ v vakuumu, tako da silikonski atomi v bližini površine izhlapijo, preostali atomi ogljika pa se preuredijo, kar lahko dobi tudi vzorce grafena z dobrimi lastnostmi.
Graphene je nov material z edinstvenimi lastnostmi: njegova električna prevodnost je tako odlična kot baker, njegova toplotna prevodnost pa je boljša od katerega koli znanega materiala. Je zelo prozorno. Le majhen del (2,3%) vidne svetlobe navpičnega incidenta bo absorbiral grafen in večina svetlobe bo prešla skozi. Tako gosto je, da celo helijevi atomi (najmanjše molekule plina) ne morejo preiti skozi. Te čarobne lastnosti niso neposredno podedovane iz grafita, temveč iz kvantne mehanike. Njegove edinstvene električne in optične lastnosti določajo, da ima široke možnosti uporabe.
Čeprav se Graphene pojavlja le manj kot deset let, je pokazal veliko tehničnih aplikacij, kar je zelo redko na področju fizike in materialnih znanosti. Potrebnih je več kot deset let ali celo desetletja, da se splošni materiali premaknejo iz laboratorija v resnično življenje. Kakšna je uporaba grafena? Poglejmo dva primera.
Mehka prozorna elektroda
V mnogih električnih aparatih je treba kot elektrode uporabiti prozorne prevodne materiale. Elektronske ure, kalkulatorji, televizorji, tekoči kristalni zasloni, zasloni na dotik, sončne plošče in številne druge naprave ne morejo zapustiti obstoja prozornih elektrod. Tradicionalna prozorna elektroda uporablja indijev kositrni oksid (ITO). Zaradi visoke cene in omejene oskrbe z indij je material krhko in pomanjkanje prilagodljivosti, elektrodo pa je treba odložiti v srednjo plast vakuuma, stroški pa so relativno visoki. Znanstveniki že dolgo poskušajo najti svoj nadomestek. Poleg zahtev za preglednost, dobro prevodnost in enostavno pripravo, če je prožnost samega materiala dobra, bo primerna za izdelavo "elektronskega papirja" ali drugih zložljivih prikazovalnih naprav. Zato je prožnost tudi zelo pomemben vidik. Grafen je tak material, ki je zelo primeren za prozorne elektrode.
Raziskovalci z univerze Samsung in Chengjunguan v Južni Koreji so z diagonalno dolžino 30 centimetrov pridobili z odlaganjem kemičnih hlapov in ga prenesli v 188 mikron debeli polietilen tereftalat (PET), da bi ustvarili zaslon na dotik na osnovi grafena [4]. Kot je prikazano na spodnji sliki, je grafen, gojen na bakreni foliji, najprej vezan s toplotnim trakom (modri prozorni del), nato se bakrena folija raztopi s kemijsko metodo, na koncu pa se grafen prenese na film PET s segrevanjem .
Nova fotoelektrična indukcijska oprema
Graphene ima zelo edinstvene optične lastnosti. Čeprav obstaja samo ena plast atomov, lahko absorbira 2,3% oddajane svetlobe v celotni valovni dolžini od vidne svetlobe do infrardečega. Ta številka nima nobene zveze z drugimi materialnimi parametri grafena in ga določa kvantna elektrodinamika [6]. Absorbirana svetloba bo vodila do generacije nosilcev (elektronov in lukenj). Generacija in transport nosilcev v grafenu se zelo razlikujeta od tistih v tradicionalnih polprevodnikih. Zaradi tega je grafen zelo primeren za ultra hitri fotoelektrični indukcijski opremi. Ocenjuje se, da lahko takšna fotoelektrična indukcijska oprema deluje na frekvenci 500 GHz. Če se uporablja za prenos signala, lahko v eni sekundi prenese 500 milijard ničlic ali tistih na sekundo in v eni sekundi dokonča prenos vsebine dveh blu žarkov.
Strokovnjaki IBM Thomas J. Watson Research Center v Združenih državah Amerike so uporabili Graphene za izdelavo fotoelektričnih indukcijskih naprav, ki lahko delujejo pri 10 GHz frekvenci [8]. Prvič, grafenske kosmiče so bile pripravljene na silicijevem substratu, prekritem s 300 nm debelim silicijevim dioksidom z "metodo trganja traku", nato pa paladijevo zlato ali titanovo zlato elektrodo z intervalom 1 mikrona in širino 250 nm. Na ta način dobimo fotoelektrično indukcijsko napravo na osnovi grafena.
Shematski diagram fotoelektrične indukcijske opreme grafena in skenirajočega elektronskega mikroskopa (SEM) fotografije dejanskih vzorcev. Črna kratka črta na sliki ustreza 5 mikronom, razdalja med kovinskimi črtami pa je en mikron.
Skozi poskuse so raziskovalci ugotovili, da ta kovinska kovinska kovinska struktura fotoelektrične indukcijske naprave lahko doseže največ delovne frekvence 16GHz in lahko deluje z veliko hitrostjo v valovni dolžini od 300 nm (blizu ultravijoličnega) do 6 mikronov (infrardeča), medtem ko je infrardeča), medtem ko Tradicionalna fotoelektrična indukcijska cev se ne more odzvati na infrardečo svetlobo z daljšo valovno dolžino. Delovna frekvenca fotoelektrične indukcijske opreme grafena ima še vedno veliko prostora za izboljšave. Njegova vrhunska zmogljivost ima široko paleto možnosti aplikacije, vključno s komunikacijo, daljinskim upravljanjem in spremljanjem okolja.
Kot nov material z edinstvenimi lastnostmi se raziskava uporabe grafena pojavlja drug za drugim. Težko jih je našteti tukaj. V prihodnosti lahko obstajajo cevi za terenski učinek iz grafena, molekularna stikala iz grafena in molekularnih detektorjev iz grafena v vsakdanjem življenju ... grafen, ki postopoma izhaja iz laboratorija, bo zasijal v vsakdanjem življenju.
Pričakujemo lahko, da se bo v bližnji prihodnosti pojavilo veliko število elektronskih izdelkov, ki uporabljajo grafena. Pomislite, kako zanimivo bi bilo, če bi se naše pametne telefone in netbooke lahko zamahnili, pritegnili na naša ušesa, napolnili v žepe ali zavili okoli zapestja, ko jih ne uporabljamo!
Čas objave: Mar-09-2022