Το 2010, οι Geim και Novoselov κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική για το έργο τους στο Graphene. Αυτό το βραβείο έχει αφήσει μια βαθιά εντύπωση σε πολλούς ανθρώπους. Μετά από όλα, δεν είναι κάθε πειραματικό εργαλείο του βραβείου Νόμπελ να είναι τόσο κοινό όσο η κολλητική ταινία, και όχι κάθε ερευνητικό αντικείμενο είναι τόσο μαγικό και εύκολο να κατανοηθεί όσο το "δισδιάστατο κρύσταλλο" graphene. Το έργο το 2004 μπορεί να απονεμηθεί το 2010, το οποίο είναι σπάνιο στο ρεκόρ του βραβείου Νόμπελ τα τελευταία χρόνια.
Το Graphene είναι ένα είδος ουσίας που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα που είναι στενά διατεταγμένα σε ένα δισδιάστατο εξαγωνικό πλέγμα με κηρήθρα. Όπως το διαμάντι, ο γραφίτης, το φουλλεένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα και ο άμορφος άνθρακας, είναι μια ουσία (απλή ουσία) που αποτελείται από στοιχεία άνθρακα. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, οι φουλλερενές και οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να θεωρηθούν ως τυλιγμένοι με κάποιο τρόπο από ένα μόνο στρώμα γραφένιου, το οποίο στοιβάζεται από πολλά στρώματα γραφένιου. Η θεωρητική έρευνα σχετικά με τη χρήση του γραφένιου για να περιγράψει τις ιδιότητες διαφόρων απλών ουσιών άνθρακα (γραφίτης, νανοσωλήνες άνθρακα και γραφένιο) έχει διαρκέσει σχεδόν 60 χρόνια, αλλά γενικά πιστεύεται ότι τέτοια δισδιάστατα υλικά είναι δύσκολο να υπάρχουν μόνοι τους, Μόνο συνδεδεμένο με την τρισδιάστατη επιφάνεια του υποστρώματος ή τις εσωτερικές ουσίες όπως ο γραφίτης. Μόλις το 2004 ο Andre Geim και ο φοιτητής του Konstantin Novoselov απογύμνωσαν ένα μόνο στρώμα γραφένιου από γραφίτη μέσω πειραμάτων ότι η έρευνα για το graphene πέτυχε νέα ανάπτυξη.
Τόσο το φουλερένιο (αριστερά) όσο και το νανοσωλήνα άνθρακα (μεσαία) μπορούν να θεωρηθούν ως τυλιγμένα από ένα μόνο στρώμα γραφένιου με κάποιο τρόπο, ενώ ο γραφίτης (δεξιά) στοιβάζεται από πολλαπλά στρώματα γραφένιου μέσω της σύνδεσης της δύναμης van der Waals.
Σήμερα, το graphene μπορεί να ληφθεί με πολλούς τρόπους και διαφορετικές μέθοδοι έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ο Geim και ο Novoselov έλαβαν το graphene με απλό τρόπο. Χρησιμοποιώντας διαφανή ταινία διαθέσιμη στα σούπερ μάρκετ, απογυμνώνουν το γραφένιο, ένα φύλλο γραφίτη με μόνο ένα στρώμα ατόμων άνθρακα πάχους, από ένα κομμάτι πυρολυτικού γραφίτη υψηλής τάξης. Αυτό είναι βολικό, αλλά η δυνατότητα ελέγχου δεν είναι τόσο καλή, και το graphene με μέγεθος μικρότερου από 100 μικρά (ένα δέκατο ενός χιλιοστού) μπορεί να ληφθεί μόνο, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πειράματα, αλλά είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί για πρακτικά Εφαρμογές. Η εναπόθεση χημικών ατμών μπορεί να αναπτύξει δείγματα γραφένιου με το μέγεθος των δεκάδων εκατοστών στην μεταλλική επιφάνεια. Αν και η περιοχή με συνεπή προσανατολισμό είναι μόνο 100 microns [3,4], είναι κατάλληλη για τις ανάγκες παραγωγής ορισμένων εφαρμογών. Μια άλλη κοινή μέθοδος είναι να θερμαίνονται το κρυστάλλινο καρβίδιο του πυριτίου (siC) σε περισσότερα από 1100 ℃ σε κενό, έτσι ώστε τα άτομα πυριτίου κοντά στην επιφάνεια να εξατμίζονται και τα υπόλοιπα άτομα άνθρακα να αναδιατάσσονται, τα οποία μπορούν επίσης να αποκτήσουν δείγματα γραφένιου με καλές ιδιότητες.
Το Graphene είναι ένα νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες: η ηλεκτρική αγωγιμότητά του είναι εξίσου εξαιρετική με τον χαλκό και η θερμική αγωγιμότητά του είναι καλύτερη από οποιοδήποτε γνωστό υλικό. Είναι πολύ διαφανές. Μόνο ένα μικρό μέρος (2,3%) του κατακόρυφου περιστατικού ορατό φως θα απορροφηθεί από το graphene και το μεγαλύτερο μέρος του φωτός θα περάσει. Είναι τόσο πυκνό που ακόμη και τα άτομα ηλίου (τα μικρότερα μόρια αερίου) δεν μπορούν να περάσουν. Αυτές οι μαγικές ιδιότητες δεν κληρονομούνται άμεσα από τον γραφίτη, αλλά από την κβαντική μηχανική. Οι μοναδικές ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες του καθορίζουν ότι διαθέτει ευρείες προοπτικές εφαρμογής.
Αν και το graphene εμφανίστηκε μόνο για λιγότερο από δέκα χρόνια, έχει δείξει πολλές τεχνικές εφαρμογές, οι οποίες είναι πολύ σπάνιες στους τομείς της φυσικής και της επιστήμης των υλικών. Χρειάζονται περισσότερα από δέκα χρόνια ή ακόμα και δεκαετίες για να μετακινηθούν γενικά υλικά από το εργαστήριο στην πραγματική ζωή. Ποια είναι η χρήση του graphene; Ας δούμε δύο παραδείγματα.
Μαλακό διαφανές ηλεκτρόδιο
Σε πολλές ηλεκτρικές συσκευές, τα διαφανή αγώγιμα υλικά πρέπει να χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια. Τα ηλεκτρονικά ρολόγια, οι αριθμομηχανές, οι τηλεοράσεις, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων, οι οθόνες αφής, οι ηλιακοί συλλέκτες και πολλές άλλες συσκευές δεν μπορούν να αφήσουν την ύπαρξη διαφανών ηλεκτροδίων. Το παραδοσιακό διαφανές ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί οξείδιο του κασσίτερου ινδίου (ITO). Λόγω της υψηλής τιμής και της περιορισμένης προσφοράς ινδίου, το υλικό είναι εύθραυστο και η έλλειψη ευελιξίας και το ηλεκτρόδιο πρέπει να εναποτίθεται στο μεσαίο στρώμα κενού και το κόστος είναι σχετικά υψηλό. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν το υποκατάστατο του. Εκτός από τις απαιτήσεις της διαφάνειας, της καλής αγωγιμότητας και της εύκολης προετοιμασίας, εάν η ευελιξία του ίδιου του υλικού είναι καλή, θα είναι κατάλληλη για την κατασκευή "ηλεκτρονικού χαρτιού" ή άλλων πτυσσόμενων συσκευών εμφάνισης. Επομένως, η ευελιξία είναι επίσης μια πολύ σημαντική πτυχή. Το Graphene είναι ένα τέτοιο υλικό, το οποίο είναι πολύ κατάλληλο για διαφανή ηλεκτρόδια.
Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Samsung και Chengjunguan στη Νότια Κορέα έλαβαν γραφένιο με διαγώνιο μήκος 30 ίντσες με από εναπόθεση χημικών ατμών και το μετέφεραν σε φιλμ πολυαιθυλίου Terephthalate πάχους 188 micron [4]. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, το graphene που καλλιεργείται στο φύλλο χαλκού συνδέεται πρώτα με τη θερμική ταινία απογύμνωσης (μπλε διαφανές τμήμα), τότε το φύλλο χαλκού διαλύεται με χημική μέθοδο και τελικά το graphene μεταφέρεται στο φιλμ ΡΕΤ με θέρμανση με θέρμανση .
Νέος φωτοηλεκτρικός εξοπλισμός επαγωγής
Το Graphene έχει πολύ μοναδικές οπτικές ιδιότητες. Παρόλο που υπάρχει μόνο ένα στρώμα ατόμων, μπορεί να απορροφήσει το 2,3% του εκπεμπόμενου φωτός σε ολόκληρο το μήκος κύματος από ορατό φως έως υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτός ο αριθμός δεν έχει καμία σχέση με άλλες παραμέτρους υλικού του graphene και καθορίζεται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική [6]. Το απορροφημένο φως θα οδηγήσει στη δημιουργία μεταφορέων (ηλεκτρόνια και τρύπες). Η παραγωγή και η μεταφορά των μεταφορέων στο graphene είναι πολύ διαφορετικές από εκείνες των παραδοσιακών ημιαγωγών. Αυτό καθιστά το Graphene πολύ κατάλληλο για εξαιρετικά γρήγορη φωτοηλεκτρική επαγωγή εξοπλισμού. Εκτιμάται ότι ένας τέτοιος φωτοηλεκτρικός εξοπλισμός επαγωγής μπορεί να λειτουργήσει με συχνότητα 500GHz. Εάν χρησιμοποιείται για μετάδοση σήματος, μπορεί να μεταδώσει 500 δισεκατομμύρια μηδενικά ή αυτά ανά δευτερόλεπτο και να ολοκληρώσει τη μετάδοση των περιεχομένων δύο δίσκων Blu Ray σε ένα δευτερόλεπτο.
Εμπειρογνώμονες από το IBM Thomas J. Watson Research Center στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν χρησιμοποιήσει graphene για την κατασκευή φωτοηλεκτρικών συσκευών επαγωγής που μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητα 10GHz [8]. Πρώτον, παρασκευάστηκαν νιφάδες graphene σε ένα υπόστρωμα πυριτίου που καλύπτεται με πυριτικό πάχος 300 nm με "μέθοδο σχισίματος ταινίας" και στη συνέχεια κατασκευάστηκαν χρυσά χρυσά ή χρυσά ηλεκτρόδια τιτανίου με διάστημα 1 μικρού και πλάτος 250 nm. Με αυτόν τον τρόπο, λαμβάνεται μια συσκευή φωτοηλεκτρικής επαγωγής με βάση graphene.
Σχηματικό διάγραμμα εξοπλισμού φωτοηλεκτρικής επαγωγής Graphene και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) των πραγματικών δειγμάτων. Η μαύρη σύντομη γραμμή στο σχήμα αντιστοιχεί σε 5 microns και η απόσταση μεταξύ των μεταλλικών γραμμών είναι ένα Micron.
Μέσα από πειράματα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η μεταλλική δομή μετάλλου Graphene είναι η φωτοηλεκτρική συσκευή επαγωγής μπορεί να φτάσει στη συχνότητα λειτουργίας των 16GHz το πολύ και μπορεί να λειτουργήσει με μεγάλη ταχύτητα στο εύρος μήκους κύματος από 300 nm (κοντά στο υπεριώδες) έως 6 μικρά (υπέρυθρο), ενώ Ο παραδοσιακός φωτοηλεκτρικός σωλήνας επαγωγής δεν μπορεί να ανταποκριθεί στο υπέρυθρο φως με μεγαλύτερο μήκος κύματος. Η συχνότητα λειτουργίας του εξοπλισμού φωτοηλεκτρικής επαγωγής Graphene εξακολουθεί να έχει εξαιρετικό χώρο για βελτίωση. Η ανώτερη απόδοση του καθιστά ένα ευρύ φάσμα προοπτικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της επικοινωνίας, του τηλεχειριστηρίου και της παρακολούθησης του περιβάλλοντος.
Ως νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες, η έρευνα σχετικά με την εφαρμογή του graphene αναδύεται το ένα μετά το άλλο. Είναι δύσκολο για εμάς να τους απαριθμήσουμε εδώ. Στο μέλλον, μπορεί να υπάρχουν σωλήνες επίδρασης πεδίου από γραφένιο, μοριακοί διακόπτες από γραφένιο και μοριακούς ανιχνευτές από γραφένιο στην καθημερινή ζωή ... graphene που σταδιακά βγαίνει από το εργαστήριο θα λάμπει στην καθημερινή ζωή.
Μπορούμε να αναμένουμε ότι ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονικών προϊόντων που χρησιμοποιούν το graphene θα εμφανιστούν στο εγγύς μέλλον. Σκεφτείτε πόσο ενδιαφέρον θα ήταν αν τα smartphones και τα netbooks μας μπορούσαν να κυλήσουν, να συσφίγγονται στα αυτιά μας, να γεμίσουν στις τσέπες μας ή να τυλιχτούν γύρω από τους καρπούς μας όταν δεν χρησιμοποιούνται!
Χρόνος δημοσίευσης: Μαρ-09-2022