V roku 2010 získali Geim a Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za prácu o graféne.Toto ocenenie zanechalo v mnohých ľuďoch hlboký dojem.Koniec koncov, nie každý experimentálny nástroj Nobelovej ceny je taký bežný ako lepiaca páska a nie každý výskumný objekt je taký magický a ľahko pochopiteľný ako „dvojrozmerný kryštál“ grafén.Dielo z roku 2004 môže byť ocenené v roku 2010, čo je v záznamoch o Nobelovej cene za posledné roky ojedinelé.
Grafén je druh látky, ktorá pozostáva z jednej vrstvy atómov uhlíka tesne usporiadaných do dvojrozmernej voštinovej šesťuholníkovej mriežky.Podobne ako diamant, grafit, fullerén, uhlíkové nanorúrky a amorfný uhlík je to látka (jednoduchá látka) zložená z uhlíkových prvkov.Ako je znázornené na obrázku nižšie, fullerény a uhlíkové nanorúrky je možné vidieť ako zvinuté z jednej vrstvy grafénu, ktorá je naskladaná mnohými vrstvami grafénu.Teoretický výskum využitia grafénu na opis vlastností rôznych uhlíkových jednoduchých látok (grafit, uhlíkové nanorúrky a grafén) trvá takmer 60 rokov, ale všeobecne sa verí, že takéto dvojrozmerné materiály je ťažké stabilne existovať samostatne. pripojené iba k trojrozmernému povrchu substrátu alebo vnútri látok, ako je grafit.Až v roku 2004 Andre Geim a jeho študent Konstantin Novoselov pomocou experimentov odstránili jednu vrstvu grafénu z grafitu a výskum grafénu dosiahol nový vývoj.
Fullerén (vľavo) aj uhlíkové nanorúrky (uprostred) sa môžu nejakým spôsobom považovať za zvinuté jednou vrstvou grafénu, zatiaľ čo grafit (vpravo) je naskladaný viacerými vrstvami grafénu prostredníctvom spojenia van der Waalsovej sily.
V súčasnosti sa dá grafén získať mnohými spôsobmi a rôzne metódy majú svoje výhody a nevýhody.Geim a Novoselov získali grafén jednoduchým spôsobom.Pomocou priehľadnej pásky dostupnej v supermarketoch odizolovali grafén, grafitový list s hrúbkou len jednej vrstvy atómov uhlíka, z kúska vysokokvalitného pyrolytického grafitu.To je pohodlné, ale ovládateľnosť nie je taká dobrá a dá sa získať iba grafén s veľkosťou menšou ako 100 mikrónov (jedna desatina milimetra), ktorý sa dá použiť na experimenty, ale v praxi je ťažko použiteľný. aplikácie.Chemickou depozíciou pár je možné na povrchu kovu vypestovať vzorky grafénu s veľkosťou desiatok centimetrov.Hoci plocha s konzistentnou orientáciou je len 100 mikrónov [3,4], bola vhodná pre výrobné potreby niektorých aplikácií.Ďalšou bežnou metódou je zahriatie kryštálu karbidu kremíka (SIC) na viac ako 1100 ℃ vo vákuu, aby sa atómy kremíka v blízkosti povrchu odparili a zvyšné atómy uhlíka sa preusporiadali, čím sa dajú získať aj vzorky grafénu s dobrými vlastnosťami.
Grafén je nový materiál s jedinečnými vlastnosťami: jeho elektrická vodivosť je rovnako vynikajúca ako meď a jeho tepelná vodivosť je lepšia ako u akéhokoľvek známeho materiálu.Je veľmi transparentný.Iba malá časť (2,3 %) vertikálne dopadajúceho viditeľného svetla bude absorbovaná grafénom a väčšina svetla prejde.Je taký hustý, že ním nemôžu prejsť ani atómy hélia (najmenšie molekuly plynu).Tieto magické vlastnosti nie sú dedené priamo z grafitu, ale z kvantovej mechaniky.Jeho jedinečné elektrické a optické vlastnosti predurčujú, že má široké uplatnenie.
Hoci sa grafén objavil len necelých desať rokov, ukázal mnoho technických aplikácií, čo je v oblasti fyziky a materiálovej vedy veľmi zriedkavé.Trvá viac ako desať rokov alebo dokonca desaťročí, kým sa všeobecné materiály presunú z laboratória do reálneho života.Aké je využitie 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 z tekutých kryštálov, dotykové obrazovky, solárne panely a mnohé ďalšie zariadenia nemôžu opustiť existenciu priehľadných elektród.Tradičná priehľadná elektróda používa oxid indium-cín (ITO).V dôsledku vysokej ceny a obmedzeného množstva india je materiál krehký a nepružný a elektróda musí byť uložená v strednej vrstve vákua a cena je relatívne vysoká.Vedci sa už dlho snažia nájsť jeho náhradu.Okrem požiadaviek na transparentnosť, dobrú vodivosť a jednoduchú prípravu, ak je samotná pružnosť materiálu dobrá, bude vhodný na výrobu „elektronického papiera“ alebo iných skladacích zobrazovacích zariadení.Flexibilita je preto tiež veľmi dôležitým aspektom.Grafén je taký materiál, ktorý je veľmi vhodný pre priehľadné elektródy.
Výskumníci zo Samsungu a Chengjunguan University v Južnej Kórei získali grafén s dĺžkou uhlopriečky 30 palcov chemickou depozíciou pár a preniesli ho na 188 mikrónov hrubú polyetyléntereftalátovú (PET) fóliu, aby vytvorili dotykovú obrazovku na báze grafénu [4].Ako je znázornené na obrázku nižšie, grafén narastený na medenej fólii je najprv spojený s tepelnou stripovacou páskou (modrá priehľadná časť), potom je medená fólia rozpustená chemickou metódou a nakoniec je grafén prenesený na PET film zahrievaním. .
Nové fotoelektrické indukčné zariadenie
Grafén má veľmi jedinečné optické vlastnosti.Hoci je tam len jedna vrstva atómov, 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 povedie k vytvoreniu nosičov (elektrónov a dier).Generovanie a transport nosičov v graféne sú veľmi odlišné od tých v tradičných polovodičoch.Vďaka tomu je grafén veľmi vhodný pre ultrarýchle fotoelektrické indukčné zariadenia.Odhaduje sa, že takéto fotoelektrické indukčné zariadenie môže pracovať na frekvencii 500 GHz.Ak sa používa na prenos signálu, dokáže preniesť 500 miliárd núl alebo jednotiek za sekundu a dokončiť prenos obsahu dvoch Blu-ray diskov za jednu sekundu.
Odborníci z IBM Thomas J. Watson Research Center v Spojených štátoch použili grafén na výrobu fotoelektrických indukčných zariadení, ktoré môžu pracovať na frekvencii 10 GHz [8].Najprv sa pripravili grafénové vločky na kremíkovom substráte pokrytom 300 nm hrubou silikou „metódou trhania pásky“ a následne sa na ňom vyrobili elektródy z paládiového zlata alebo titánového zlata s intervalom 1 mikrón a šírkou 250 nm.Týmto spôsobom sa získa fotoelektrické indukčné zariadenie na báze grafénu.
Schematický diagram grafénového fotoelektrického indukčného zariadenia a fotografie skutočných vzoriek zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM).Čierna krátka čiara na obrázku zodpovedá 5 mikrónov a vzdialenosť medzi kovovými čiarami je jeden mikrón.
Prostredníctvom experimentov výskumníci zistili, že toto fotoelektrické indukčné zariadenie s kovovou grafénovou štruktúrou môže dosiahnuť pracovnú frekvenciu maximálne 16 GHz a môže pracovať pri vysokej rýchlosti v rozsahu vlnových dĺžok od 300 nm (blízko ultrafialového žiarenia) do 6 mikrónov (infračervené žiarenie). Tradičná fotoelektrická indukčná trubica nemôže reagovať na infračervené svetlo s dlhšou vlnovou dĺžkou.Pracovná frekvencia grafénových fotoelektrických indukčných zariadení má stále veľký priestor na zlepšenie.Vďaka vynikajúcemu výkonu má široké možnosti využitia, vrátane komunikácie, diaľkového ovládania a monitorovania prostredia.
Ako nový materiál s unikátnymi vlastnosťami sa jeden po druhom objavuje výskum aplikácie grafénu.Je pre nás ťažké ich tu vymenovať.V budúcnosti môžu byť v každodennom živote trubice s efektom poľa vyrobené z grafénu, molekulárne spínače vyrobené z grafénu a molekulárne detektory vyrobené z grafénu... Grafén, ktorý postupne vychádza z laboratória, zažiari v každodennom živote.
Môžeme očakávať, že v blízkej budúcnosti sa objaví veľké množstvo elektronických produktov využívajúcich grafén.Zamyslite sa nad tým, aké zaujímavé by bolo, keby sa naše smartfóny a netbooky dali zrolovať, pripnúť na uši, strčiť do vreciek alebo omotať okolo zápästia, keď ich nepoužívame!
Čas odoslania: Mar-09-2022