V roku 2010 získali Geim a Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za svoju prácu o graféne. Toto ocenenie zanechalo na mnohých ľuďoch hlboký dojem. Koniec koncov, nie každý experimentálny nástroj, na ktorý sa udeľuje Nobelova cena, je taký bežný ako lepiaca páska a nie každý výskumný objekt je taký magický a ľahko pochopiteľný ako „dvojrozmerný kryštálový“ grafén. Práca z roku 2004 môže byť ocenená aj v roku 2010, čo je v histórii Nobelových cien v posledných rokoch zriedkavé.
Grafén je druh látky, ktorá pozostáva z jednej vrstvy atómov uhlíka tesne usporiadaných do dvojrozmernej hexagonálnej mriežky v tvare včelieho plástu. Podobne 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 zrolované z jednej vrstvy grafénu, ktorá je prekrytá mnohými vrstvami grafénu. Teoretický výskum použitia grafénu na opis vlastností rôznych jednoduchých uhlíkových látok (grafit, uhlíkové nanotrubice a grafén) trvá už takmer 60 rokov, ale všeobecne sa predpokladá, že takéto dvojrozmerné materiály je ťažké stabilne existovať samostatne, iba pripojené k trojrozmernému povrchu substrátu alebo vo vnútri látok, ako je grafit. Až v roku 2004 Andrej Geim a jeho študent Konstantin Novoselov experimentálne odstránili z grafitu jednu vrstvu grafénu, čo viedlo k novému vývoju výskumu grafénu.
Fullerén (vľavo) aj uhlíková nanotrubica (v strede) sa dajú považovať za zrolované jednou vrstvou grafénu, zatiaľ čo grafit (vpravo) je navrstvený na viacerých vrstvách grafénu prostredníctvom van der Waalsovej sily.
V súčasnosti sa grafén dá získať mnohými spôsobmi a rôzne metódy majú svoje výhody a nevýhody. Geim a Novoselov získali grafén jednoduchým spôsobom. Pomocou priehľadnej pásky dostupnej v supermarketoch odstránili grafén, grafitovú fóliu s hrúbkou iba jednej vrstvy atómov uhlíka, z kusu pyrolytického grafitu vyššieho rádu. Je to pohodlné, ale ovládateľnosť nie je taká dobrá a možno získať iba grafén s veľkosťou menšou ako 100 mikrónov (jedna desatina milimetra), ktorý sa dá použiť na experimenty, ale je ťažké ho použiť v praktických aplikáciách. Chemická depozícia z pár umožňuje vypestovať vzorky grafénu s veľkosťou desiatok centimetrov na kovovom povrchu. Hoci plocha s konzistentnou orientáciou je iba 100 mikrónov [3,4], je vhodná pre výrobné potreby niektorých aplikácií. Ďalšou bežnou metódou je zahrievanie kryštálov karbidu kremíka (SIC) na viac ako 1100 ℃ vo vákuu, takže atómy kremíka v blízkosti povrchu sa odparia a zostávajúce atómy uhlíka sa preskupia, čím sa tiež dajú získať vzorky grafénu s dobrými vlastnosťami.
Grafén je nový materiál s jedinečnými vlastnosťami: jeho elektrická vodivosť je rovnako vynikajúca ako u medi a tepelná vodivosť je lepšia ako u akéhokoľvek známeho materiálu. Je veľmi priehľadný. Grafén absorbuje iba malú časť (2,3 %) vertikálne dopadajúceho viditeľného svetla a väčšina svetla ním prechádza. Je taký hustý, že ním neprejdú ani atómy hélia (najmenšie molekuly plynu). Tieto magické vlastnosti nie sú priamo zdedené z grafitu, ale z kvantovej mechaniky. Jeho jedinečné elektrické a optické vlastnosti určujú jeho široké možnosti využitia.
Hoci sa grafén objavil len necelých desať rokov, už má mnoho technických aplikácií, čo je v oblastiach fyziky a materiálovej vedy veľmi zriedkavé. Trvá viac ako desať rokov alebo dokonca desaťročia, kým sa bežné materiály dostanú z laboratória do reálneho života. Aké je využitie grafénu? Pozrime sa na dva príklady.
Mäkká priehľadná elektróda
V mnohých elektrických spotrebičoch sa ako elektródy musia používať priehľadné vodivé materiály. Elektronické hodinky, kalkulačky, televízory, displeje z tekutých kryštálov, dotykové obrazovky, solárne panely a mnoho ďalších zariadení sa nemôže vyhnúť existencii priehľadných elektród. Tradičná priehľadná elektróda používa oxid india a cínu (ITO). Vzhľadom na vysokú cenu a obmedzené zásoby india je materiál krehký a nemá dostatočnú flexibilitu a elektróda sa musí nanášať do strednej vrstvy vákua, čo má relatívne vysoké náklady. Vedci sa už dlho snažia nájsť jeho náhradu. Okrem požiadaviek na priehľadnosť, dobrú vodivosť a jednoduchú prípravu, ak je samotný materiál dobre ohybný, bude vhodný na výrobu „elektronického papiera“ alebo iných skladacích zobrazovacích zariadení. Preto je flexibilita tiež veľmi dôležitým aspektom. Grafén je takýto materiál, ktorý je veľmi vhodný pre priehľadné elektródy.
Výskumníci zo spoločnosti Samsung a Univerzity Chengjunguan v Južnej Kórei získali grafén s uhlopriečkou 30 palcov pomocou chemického nanášania z pár a preniesli ho na 188 mikrónov hrubú polyetyléntereftalátovú (PET) fóliu, čím vytvorili dotykovú obrazovku na báze grafénu [4]. Ako je znázornené na obrázku nižšie, grafén narastený na medenej fólii sa najprv slepí s tepelnou odizolovacou páskou (modrá priehľadná časť), potom sa medená fólia chemicky rozpustí a nakoniec sa grafén zahrievaním prenesie na PET fóliu.
Nové fotoelektrické indukčné zariadenie
Grafén má veľmi unikátne optické vlastnosti. Hoci má iba jednu atómovú vrstvu, dokáže absorbovať 2,3 % vyžarovaného 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 vedie ku generovaniu nosičov náboja (elektrónov a dier). Generovanie a transport nosičov náboja v graféne sa veľmi líšia od tradičných polovodičov. Vďaka tomu je grafén veľmi vhodný pre ultrarýchle fotoelektrické indukčné zariadenia. Odhaduje sa, že takéto fotoelektrické indukčné zariadenia môžu pracovať na frekvencii 500 GHz. Ak sa použijú na prenos signálu, dokážu preniesť 500 miliárd núl alebo jednotiek za sekundu a dokončiť prenos obsahu dvoch Blu-ray diskov za jednu sekundu.
Odborníci z výskumného centra IBM Thomas J. Watson v Spojených štátoch použili grafén na výrobu fotoelektrických indukčných zariadení, ktoré dokážu pracovať na frekvencii 10 GHz [8]. Najprv boli na kremíkovom substráte pokrytom 300 nm hrubým oxidom kremičitým pripravené grafénové vločky „metódou trhania pásky“ a potom boli na nich vyrobené paládiovo-zlaté alebo titánovo-zlaté elektródy s rozostupom 1 mikrón a šírkou 250 nm. Týmto spôsobom sa získalo fotoelektrické indukčné zariadenie na báze grafénu.
Schematický diagram zariadenia na fotoelektrickú indukciu s grafénom a fotografie skutočných vzoriek zhotovené skenovacím elektrónovým mikroskopom (SEM). Krátka čierna čiara na obrázku zodpovedá 5 mikrónom a vzdialenosť medzi kovovými čiarami je jeden mikrón.
Výskumníci prostredníctvom experimentov zistili, že toto fotoelektrické indukčné zariadenie s kovovou štruktúrou grafénu dokáže dosiahnuť pracovnú frekvenciu maximálne 16 GHz a pracovať pri vysokej rýchlosti v rozsahu vlnových dĺžok od 300 nm (blízke ultrafialové žiarenie) do 6 mikrónov (infračervené žiarenie), zatiaľ čo tradičná fotoelektrická indukčná trubica nedokáže reagovať na infračervené svetlo s dlhšou vlnovou dĺžkou. Pracovná frekvencia grafénu s fotoelektrickým indukčným zariadením má stále veľký priestor na zlepšenie. Jeho vynikajúci výkon mu umožňuje široké spektrum aplikácií vrátane komunikácie, diaľkového ovládania a monitorovania životného prostredia.
Ako nový materiál s jedinečnými vlastnosťami sa výskum v oblasti využitia grafénu objavuje jeden za druhým. Je pre nás ťažké ich tu vymenovať. V budúcnosti sa v každodennom živote môžu objaviť trubice s efektom poľa vyrobené z grafénu, molekulárne spínače vyrobené z grafénu a molekulárne detektory vyrobené z grafénu... Grafén, ktorý postupne vychádza z laboratórií, bude žiariť v každodennom živote.
Môžeme očakávať, že v blízkej budúcnosti sa objaví veľké množstvo elektronických produktov využívajúcich grafén. Predstavte si, aké zaujímavé by bolo, keby sa naše smartfóny a netbooky dali zrolovať, pripnúť si na uši, strčiť do vreciek alebo si ich omotať okolo zápästí, keď ich nepoužívame!
Čas uverejnenia: 9. marca 2022