Leta 2010 sta Geim in Novoselov prejela Nobelovo nagrado za fiziko za svoje delo na grafenu.Ta nagrada je na marsikoga pustila globok vtis.Navsezadnje ni vsako eksperimentalno orodje za Nobelovo nagrado tako pogosto kot lepilni trak in ni vsak raziskovalni predmet tako čaroben in enostaven za razumevanje kot "dvodimenzionalni kristalni" grafen.Delo v letu 2004 je lahko nagrajeno v letu 2010, kar je redkost v evidenci Nobelovih nagrad v zadnjih letih.
Grafen je nekakšna snov, ki je sestavljena iz ene same plasti ogljikovih atomov, tesno razporejenih v dvodimenzionalno satasto šesterokotno mrežo.Tako kot diamant, grafit, fuleren, ogljikove nanocevke in amorfni ogljik je snov (preprosta snov), sestavljena iz ogljikovih elementov.Kot je prikazano na spodnji sliki, lahko fulerene in ogljikove nanocevke vidimo kot na nek način zvite iz ene same plasti grafena, ki je sestavljena iz številnih plasti grafena.Teoretične raziskave o uporabi grafena za opisovanje lastnosti različnih ogljikovih enostavnih snovi (grafita, ogljikovih nanocevk in grafena) so trajale že skoraj 60 let, vendar je splošno prepričanje, da takšni dvodimenzionalni materiali težko stabilno obstajajo sami, samo pritrjen na tridimenzionalno površino podlage ali znotraj snovi, kot je grafit.Šele leta 2004, ko sta Andre Geim in njegov študent Konstantin Novoselov s poskusi odstranila eno plast grafena iz grafita, so raziskave grafena dosegle nov razvoj.
Za fuleren (levo) in ogljikove nanocevke (na sredini) lahko velja, da sta na nek način zviti z eno samo plastjo grafena, medtem ko je grafit (desno) zložen z več plastmi grafena prek povezave van der Waalsove sile.
Dandanes je grafen mogoče pridobiti na več načinov, različne metode pa imajo svoje prednosti in slabosti.Geim in Novoselov sta grafen pridobila na preprost način.S prozornim trakom, ki je na voljo v supermarketih, so s kosa visokokakovostnega pirolitičnega grafita odstranili grafen, grafitno ploščo z le eno plastjo ogljikovih atomov.To je priročno, vendar nadzor ni tako dober in grafen z velikostjo, manjšo od 100 mikronov (ena desetinka milimetra), je mogoče dobiti le, ki se lahko uporablja za poskuse, vendar ga je težko uporabiti za praktične namene. aplikacije.S kemičnim naparjevanjem lahko na kovinski površini zrastejo vzorci grafena velikosti več deset centimetrov.Čeprav je območje z dosledno orientacijo le 100 mikronov [3,4], je bilo primerno za proizvodne potrebe nekaterih aplikacij.Druga običajna metoda je segrevanje kristala silicijevega karbida (SIC) na več kot 1100 ℃ v vakuumu, tako da atomi silicija blizu površine izhlapijo, preostali atomi ogljika pa se prerazporedijo, kar lahko prav tako pridobi vzorce grafena z dobrimi lastnostmi.
Grafen je nov material z edinstvenimi lastnostmi: njegova električna prevodnost je tako odlična kot baker, njegova toplotna prevodnost pa boljša od katerega koli znanega materiala.Je zelo pregleden.Le majhen del (2,3 %) navpične vpadne vidne svetlobe bo absorbiral grafen, večina svetlobe pa bo prešla skozi.Je tako gost, da niti atomi helija (najmanjše molekule plina) ne morejo skozi.Te magične lastnosti niso neposredno podedovane od grafita, ampak od kvantne mehanike.Njegove edinstvene električne in optične lastnosti določajo, da ima široke možnosti uporabe.
Čeprav se je grafen pojavil šele pred manj kot desetimi leti, je pokazal veliko tehničnih aplikacij, kar je zelo redko na področju fizike in znanosti o materialih.Traja več kot deset let ali celo desetletja, da se splošni materiali premaknejo iz laboratorija v resnično življenje.Kakšna je uporaba grafena?Poglejmo si dva primera.
Mehka prozorna elektroda
V mnogih električnih napravah je treba kot elektrode uporabiti prozorne prevodne materiale.Elektronske ure, kalkulatorji, televizorji, zasloni s tekočimi kristali, zasloni na dotik, sončne celice in številne druge naprave ne morejo zapustiti obstoja prozornih elektrod.Tradicionalna prozorna elektroda uporablja indij kositrov oksid (ITO).Zaradi visoke cene in omejene ponudbe indija je material krhek in premajhne prožnosti, zato je treba elektrodo odložiti v srednjo plast vakuuma, stroški pa so relativno visoki.Že dolgo so znanstveniki poskušali najti njegov nadomestek.Poleg zahtev po preglednosti, dobri prevodnosti in enostavni pripravi, če je fleksibilnost samega materiala dobra, bo primeren za izdelavo "elektronskega papirja" ali drugih zložljivih zaslonskih naprav.Zato je tudi fleksibilnost zelo pomemben vidik.Grafen je tak material, ki je zelo primeren za prozorne elektrode.
Raziskovalci iz Samsunga in univerze Chengjunguan v Južni Koreji so pridobili grafen z diagonalno dolžino 30 palcev s kemičnim nanašanjem iz pare in ga prenesli na 188 mikronov debel polietilen tereftalatni (PET) film, da bi izdelali zaslon na dotik na osnovi grafena [4].Kot je prikazano na spodnji sliki, se grafen, gojen na bakreni foliji, najprej zlepi s trakom za termično odstranjevanje (modri prozorni del), nato se bakrena folija raztopi s kemično metodo in končno se grafen s segrevanjem prenese na PET folijo .
Nova fotoelektrična indukcijska oprema
Grafen ima zelo edinstvene optične lastnosti.Čeprav obstaja le ena plast atomov, lahko absorbira 2,3 % oddane svetlobe v celotnem območju valovnih dolžin od vidne svetlobe do infrardeče svetlobe.To število nima nobene zveze z drugimi materialnimi parametri grafena in je določeno s kvantno elektrodinamiko [6].Absorbirana svetloba bo povzročila nastanek nosilcev (elektronov in lukenj).Nastajanje in transport nosilcev v grafenu se zelo razlikujeta od tistih v tradicionalnih polprevodnikih.Zaradi tega je grafen zelo primeren za ultra hitro fotoelektrično indukcijsko opremo.Ocenjuje se, da lahko takšna fotoelektrična indukcijska oprema deluje pri frekvenci 500 GHz.Če se uporablja za prenos signala, lahko odda 500 milijard ničel ali enic na sekundo in v eni sekundi zaključi prenos vsebine dveh plošč Blu ray.
Strokovnjaki iz raziskovalnega centra IBM Thomas J. Watson v ZDA so uporabili grafen za izdelavo fotoelektričnih indukcijskih naprav, ki lahko delujejo pri frekvenci 10 GHz [8].Najprej so na silicijevem substratu, prekritem s 300 nm debelim silicijevim dioksidom, z »metodo trganja traku« pripravili grafenske kosmiče, nato pa so nanj izdelali paladijevo zlato ali titanovo zlato elektrode z intervalom 1 mikrona in širino 250 nm.Na ta način dobimo fotoelektrično indukcijsko napravo na osnovi grafena.
Shematski diagram grafenske fotoelektrične indukcijske opreme in fotografije dejanskih vzorcev z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM).Črna kratka črta na sliki ustreza 5 mikronom, razdalja med kovinskimi črtami pa je en mikron.
S poskusi so raziskovalci ugotovili, da lahko ta fotoelektrična indukcijska naprava s kovinsko grafensko kovinsko strukturo doseže delovno frekvenco največ 16 GHz in lahko deluje pri visoki hitrosti v območju valovnih dolžin od 300 nm (blizu ultravijoličnega) do 6 mikronov (infrardeče), medtem ko tradicionalna fotoelektrična indukcijska cev se ne more odzvati na infrardečo svetlobo z daljšo valovno dolžino.Delovna frekvenca grafenske fotoelektrične indukcijske opreme ima še veliko prostora za izboljšave.Zaradi vrhunske zmogljivosti ima široko paleto možnosti uporabe, vključno s komunikacijo, daljinskim nadzorom in spremljanjem okolja.
Kot nov material z edinstvenimi lastnostmi se ena za drugo pojavljajo raziskave o uporabi grafena.Tukaj jih težko naštejemo.V prihodnosti bodo morda v vsakdanjem življenju elektronke z efektom polja, narejene iz grafena, molekularna stikala iz grafena in molekularni detektorji iz grafena … Grafen, ki postopoma prihaja iz laboratorija, bo zasijal v vsakdanjem življenju.
Pričakujemo lahko, da se bo v bližnji prihodnosti pojavilo veliko število elektronskih izdelkov, ki bodo uporabljali grafen.Pomislite, kako zanimivo bi bilo, če bi naše pametne telefone in netbooke lahko zvili, pritrdili na ušesa, stlačili v žepe ali ovili okoli zapestja, ko jih ne uporabljamo!
Čas objave: mar-09-2022