V roku 2010 získali Geim a Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za svoju prácu na graféne. Táto cena zanechala na mnohých ľuďoch hlboký dojem. Koniec koncov, nie každý experimentálny nástroj Nobelovej ceny je taký bežný ako lepiaca páska a nie každý výskumný objekt je rovnako magický a ľahko pochopiteľný ako grafén „dvojrozmerného kryštálu“. Práca v roku 2004 môže byť udelená v roku 2010, čo je zriedkavé v zázname Nobelovej ceny v posledných rokoch.
Grafén je druh látky, ktorá pozostáva z jednej vrstvy atómov uhlíka, ktoré sú úzko usporiadané do dvojrozmernej šesťhrannej hexagonálnej mriežky. Rovnako ako diamant, grafit, fullerén, uhlíkové nanotrubice a amorfný uhlík, je to látka (jednoduchá látka) zložená z uhlíkových prvkov. Ako je znázornené na obrázku nižšie, fullerény a uhlíkové nanotrubice možno vnímať ako zvinuté z jednej vrstvy grafénu, ktorý je naskladaný mnohými vrstvami grafénu. Teoretický výskum použitia grafénu na opis vlastností rôznych uhlíkových jednoduchých látok (grafit, uhlíkové nanotrubice a grafén) trval takmer 60 rokov, ale vo všeobecnosti sa verí, že takéto dvojrozmerné materiály sú ťažké stabilne existovať samostatne, samostatne, Pripevnené iba k trojrozmernému povrchu substrátu alebo vo vnútorných látkach, ako je grafit. Až v roku 2004 Andre Geim a jeho študent Konstantin Novoselov zbavil jednu vrstvu grafénu z grafitu prostredníctvom experimentov, že výskum grafénu dosiahol nový vývoj.
Fullerene (vľavo) aj uhlíková nanotube (stredná) sa dajú považovať za zvinutú jednou vrstvou grafénu nejakým spôsobom, zatiaľ čo grafit (vpravo) je naskladaný viacerými vrstvami grafénu prostredníctvom spojenia sily van der Waals.
V súčasnosti je možné grafén získať mnohými spôsobmi a rôzne metódy majú svoje vlastné výhody a nevýhody. Geim a Novoselov získali grafén jednoduchým spôsobom. Pomocou priehľadnej pásky dostupnej v supermarketoch odizolujú grafén, grafitový list s iba jednou vrstvou hustých atómov uhlíka, z kúska pyrolytického grafitu vysokého poriadku. Je to vhodné, ale ovládateľnosť nie je taká dobrá a grafén s veľkosťou menej ako 100 mikrónov (jedna desatina milimetra) je možné získať iba, čo sa dá použiť na experimenty, ale je ťažké ho použiť na praktické Aplikácie. Chemické ukladanie pary môže pestovať vzorky grafénu s veľkosťou desiatok centimetrov na povrchu kovu. Aj keď oblasť s konzistentnou orientáciou je iba 100 mikrónov [3,4], bola vhodná pre výrobné potreby niektorých aplikácií. Ďalšou bežnou metódou je zahrievanie kryštálu karbidu kremíka (SIC) na viac ako 1100 ° Váku, takže atómy kremíka v blízkosti povrchu sa odparia a zostávajúce atómy uhlíka sú preusporiadané, ktoré môžu tiež získať vzorky grafénu s dobrými vlastnosťami.
Grafén je nový materiál s jedinečnými vlastnosťami: jeho elektrická vodivosť je rovnako vynikajúca ako meď a jej tepelná vodivosť je lepšia ako akýkoľvek známy materiál. Je to veľmi priehľadné. Iba malá časť (2,3%) vertikálneho incidentu viditeľného svetla bude absorbovaná grafénom a väčšina svetla prechádza. Je také husté, že ani atómy hélia (najmenšie molekuly plynu) nemôžu prejsť. Tieto magické vlastnosti nie sú priamo zdedené od grafitu, ale od kvantovej mechaniky. Jeho jedinečné elektrické a optické vlastnosti určujú, že majú rozsiahle vyhliadky na aplikáciu.
Aj keď sa grafén objavil iba menej ako desať rokov, ukázal mnoho technických aplikácií, čo je veľmi zriedkavé v oblasti fyziky a vedy o materiáloch. Trvá viac ako desať rokov alebo dokonca desaťročia, kým sa všeobecné materiály presúvajú z laboratória do skutočného života. Aké je použitie grafénu? Pozrime sa na dva príklady.
Mäkká priehľadná elektróda
V mnohých elektrických spotrebičoch je potrebné ako elektródy použiť priehľadné vodivé materiály. Elektronické hodinky, kalkulačky, televízory, displeje tekutých kryštálov, dotykové obrazovky, solárne panely a mnoho ďalších zariadení nemôžu zanechať existenciu priehľadných elektród. Tradičná priehľadná elektróda používa oxid cín india (ITO). Vzhľadom na vysokú cenu a obmedzenú ponuku indium je materiál krehký a nedostatok flexibility a elektróda je potrebné uložiť do strednej vrstvy vákua a náklady sú relatívne vysoké. Vedci sa už dlho snažia nájsť svoju náhradu. Okrem požiadaviek transparentnosti, dobrej vodivosti a ľahkej prípravy, ak je flexibilita samotného materiálu dobrá, bude vhodná na výrobu „elektronického papiera“ alebo iných skladateľných displeja. Preto je flexibilita tiež veľmi dôležitým aspektom. Grafén je taký materiál, ktorý je veľmi vhodný pre priehľadné elektródy.
Vedci z Univerzity Samsung a Chengjunguan v Južnej Kórei získali grafén s diagonálnou dĺžkou 30 palcov pomocou chemického ukladania pary a preniesli ho na 188 mikrónový polyetylénový tereftalát (PET) film na vytvorenie dotykovej obrazovky založenej na graféne [4]. Ako je znázornené na obrázku nižšie, grafén pestovaný na medenej fólii je najprv spojený s tepelnou páskou (modrá priehľadná časť), potom sa medená fólia rozpustí chemickou metódou a nakoniec sa grafén prenesie do filmu PET zahrievaním .
Nové fotoelektrické indukčné vybavenie
Grafén má veľmi jedinečné optické vlastnosti. Aj keď existuje iba jedna vrstva atómov, môže absorbovať 2,3% emitovaného svetla v celom rozsahu vlnových dĺžok od viditeľného svetla po infračervené. Toto číslo nemá nič spoločné s inými materiálovými parametrami grafénu a je určené kvantovou elektrodynamikou [6]. Absorbované svetlo povedie k tvorbe nosičov (elektróny a diery). Generácia a transport nosičov v graféne sa veľmi líšia od výroby v tradičných polovodičoch. Vďaka tomu je grafén veľmi vhodný pre ultra rýchly fotoelektrický indukčný zariadenia. Odhaduje sa, že takéto fotoelektrické indukčné zariadenie môže fungovať pri frekvencii 500 GHz. Ak sa používa na prenos signálu, môže vysielať 500 miliárd nuly alebo za sekundu a dokončiť prenos obsahu dvoch diskov Blu Ray za jednu sekundu.
Odborníci z výskumného centra IBM Thomas J. Watson v Spojených štátoch použili grafén na výrobu fotoelektrických indukčných zariadení, ktoré môžu pracovať pri frekvencii 10 GHz [8]. Po prvé, vločky grafénu sa pripravili na kremíkovom substráte pokrytom 300 nm hrubým oxidom kremičitým „metódou roztrhávania pásky“ a potom boli na ňom vyrobené paladium zlaté alebo titánové zlaté elektródy s intervalom 1 mikrónom a šírkou 250 nm. Týmto spôsobom sa získa fotoelektrické indukčné zariadenie založené na graféne.
Schematický diagram grafénových fotoelektrických indukčných zariadení a skenovací elektrónový mikroskop (SEM) Fotografie skutočných vzoriek. Čierna krátka čiara na obrázku zodpovedá 5 mikrónov a vzdialenosť medzi kovovými čiarami je jeden mikrón.
Prostredníctvom experimentov vedci zistili, že táto kovová kovová štruktúra kovovej štruktúry fotoelektrické indukčné zariadenie môže dosiahnuť nanajvýš pracovnú frekvenciu 16 GHz a môže pracovať pri vysokej rýchlosti vo vlnových dĺžkach od 300 nm (blízko ultrafialového) do 6 mikrónov (infračervené), zatiaľ čo infračervené), zatiaľ čo infračervené), zatiaľ čo infračervené) Tradičná fotoelektrická indukčná trubica nemôže reagovať na infračervené svetlo dlhšou vlnovou dĺžkou. Pracovná frekvencia grafénového fotoelektrického indukčného zariadenia má stále skvelý priestor na zlepšenie. Jeho vynikajúci výkon spôsobuje, že má širokú škálu vyhliadok na aplikáciu vrátane komunikácie, diaľkového ovládania a monitorovania životného prostredia.
Ako nový materiál s jedinečnými vlastnosťami sa objavuje výskum aplikácie grafénu jeden po druhom. Je pre nás ťažké ich vymenovať tu. V budúcnosti môžu existovať trubice v teréne vyrobené z grafénu, molekulárnych spínačov vyrobených z grafénu a molekulárnych detektorov vyrobených z grafénu v každodennom živote ... grafén, ktorý postupne vychádza z laboratória, bude žiariť v každodennom živote.
Môžeme očakávať, že v blízkej budúcnosti sa objaví veľké množstvo elektronických výrobkov využívajúcich grafén. Zamyslite sa nad tým, aké zaujímavé by to bolo, keby naše smartfóny a netbooky mohli byť zvinuté, zovreté na ušiach, plnené v našich vreckách alebo omotané okolo našich zápästia, keď sa nepoužívajú!
Čas príspevku: mar-09-2022