Το 2010, ο Geim και ο Novoselov κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής για την εργασία τους στο γραφένιο.Αυτό το βραβείο έχει αφήσει βαθιά εντύπωση σε πολλούς ανθρώπους.Σε τελική ανάλυση, δεν είναι όλα τα πειραματικά εργαλεία του βραβείου Νόμπελ τόσο συνηθισμένα όσο η κολλητική ταινία και δεν είναι κάθε ερευνητικό αντικείμενο τόσο μαγικό και κατανοητό όσο το «δισδιάστατο κρύσταλλο» γραφένιο.Το έργο του 2004 μπορεί να απονεμηθεί το 2010, κάτι που είναι σπάνιο στο ρεκόρ του βραβείου Νόμπελ τα τελευταία χρόνια.
Το γραφένιο είναι ένα είδος ουσίας που αποτελείται από ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα στενά διατεταγμένα σε ένα δισδιάστατο κυψελοειδή εξαγωνικό πλέγμα.Όπως το διαμάντι, ο γραφίτης, το φουλερένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα και ο άμορφος άνθρακας, είναι μια ουσία (απλή ουσία) που αποτελείται από στοιχεία άνθρακα.Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, τα φουλλερένια και οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να φανούν τυλιγμένα με κάποιο τρόπο από ένα μόνο στρώμα γραφενίου, το οποίο στοιβάζεται από πολλά στρώματα γραφενίου.Η θεωρητική έρευνα σχετικά με τη χρήση του γραφενίου για την περιγραφή των ιδιοτήτων διαφόρων απλών ουσιών άνθρακα (γραφίτη, νανοσωλήνες άνθρακα και γραφένιο) διήρκεσε σχεδόν 60 χρόνια, αλλά γενικά πιστεύεται ότι τέτοια δισδιάστατα υλικά είναι δύσκολο να υπάρχουν σταθερά μόνα τους. προσαρτάται μόνο στην τρισδιάστατη επιφάνεια του υποστρώματος ή μέσα σε ουσίες όπως ο γραφίτης.Μόλις το 2004 ο Andre Geim και ο μαθητής του Konstantin Novoselov αφαίρεσαν ένα μόνο στρώμα γραφενίου από τον γραφίτη μέσω πειραμάτων που η έρευνα για το γραφένιο πέτυχε νέα ανάπτυξη.
Τόσο το φουλερένιο (αριστερά) όσο και ο νανοσωλήνας άνθρακα (μέση) μπορούν να θεωρηθούν ότι τυλίγονται από ένα μόνο στρώμα γραφενίου με κάποιο τρόπο, ενώ ο γραφίτης (δεξιά) στοιβάζεται από πολλαπλά στρώματα γραφενίου μέσω της σύνδεσης της δύναμης van der Waals.
Σήμερα, το γραφένιο μπορεί να ληφθεί με πολλούς τρόπους και διαφορετικές μέθοδοι έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.Ο Geim και ο Novoselov απέκτησαν γραφένιο με απλό τρόπο.Χρησιμοποιώντας διαφανή ταινία που διατίθεται στα σούπερ μάρκετ, αφαίρεσαν το γραφένιο, ένα φύλλο γραφίτη με πάχος μόνο ενός στρώματος ατόμων άνθρακα, από ένα κομμάτι πυρολυτικού γραφίτη υψηλής τάξης.Αυτό είναι βολικό, αλλά η δυνατότητα ελέγχου δεν είναι τόσο καλή και γραφένιο με μέγεθος μικρότερο από 100 μικρά (ένα δέκατο του χιλιοστού) μπορεί να ληφθεί μόνο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πειράματα, αλλά είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί για πρακτική εφαρμογές.Η εναπόθεση χημικών ατμών μπορεί να αναπτύξει δείγματα γραφενίου με μέγεθος δεκάδων εκατοστών στη μεταλλική επιφάνεια.Αν και η περιοχή με σταθερό προσανατολισμό είναι μόνο 100 μικρά [3,4], ήταν κατάλληλη για τις ανάγκες παραγωγής ορισμένων εφαρμογών.Μια άλλη κοινή μέθοδος είναι η θέρμανση του κρυστάλλου καρβιδίου του πυριτίου (SIC) σε περισσότερο από 1100 ℃ στο κενό, έτσι ώστε τα άτομα πυριτίου κοντά στην επιφάνεια να εξατμίζονται και τα υπόλοιπα άτομα άνθρακα να αναδιατάσσονται, τα οποία μπορούν επίσης να λάβουν δείγματα γραφενίου με καλές ιδιότητες.
Το γραφένιο είναι ένα νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες: η ηλεκτρική του αγωγιμότητα είναι εξίσου εξαιρετική με τον χαλκό και η θερμική του αγωγιμότητα είναι καλύτερη από οποιοδήποτε γνωστό υλικό.Είναι πολύ διαφανές.Μόνο ένα μικρό μέρος (2,3%) του κατακόρυφου προσπίπτοντος ορατού φωτός θα απορροφηθεί από το γραφένιο 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 κβαντομηχανική.Οι μοναδικές ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητές του καθορίζουν ότι έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής.
Αν και το γραφένιο έχει εμφανιστεί μόνο για λιγότερο από δέκα χρόνια, έχει δείξει πολλές τεχνικές εφαρμογές, κάτι που είναι πολύ σπάνιο στους τομείς της φυσικής και της επιστήμης των υλικών.Χρειάζονται περισσότερα από δέκα χρόνια ή και δεκαετίες για να μετακινηθούν τα γενικά υλικά από το εργαστήριο στην πραγματική ζωή.Ποια είναι η χρήση του γραφενίου;Ας δούμε δύο παραδείγματα.
Μαλακό διαφανές ηλεκτρόδιο
Σε πολλές ηλεκτρικές συσκευές, ως ηλεκτρόδια πρέπει να χρησιμοποιούνται διαφανή αγώγιμα υλικά.Ηλεκτρονικά ρολόγια, αριθμομηχανές, τηλεοράσεις, οθόνες υγρών κρυστάλλων, οθόνες αφής, ηλιακοί συλλέκτες και πολλές άλλες συσκευές δεν μπορούν να αφήσουν την ύπαρξη διαφανών ηλεκτροδίων.Το παραδοσιακό διαφανές ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί οξείδιο κασσιτέρου ινδίου (ITO).Λόγω της υψηλής τιμής και της περιορισμένης προσφοράς ινδίου, το υλικό είναι εύθραυστο και έλλειψη ευελιξίας και το ηλεκτρόδιο πρέπει να εναποτεθεί στο μεσαίο στρώμα του κενού και το κόστος είναι σχετικά υψηλό.Εδώ και πολύ καιρό, οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν το υποκατάστατό του.Εκτός από τις απαιτήσεις διαφάνειας, καλής αγωγιμότητας και εύκολης προετοιμασίας, εάν η ευελιξία του ίδιου του υλικού είναι καλή, θα είναι κατάλληλο για την κατασκευή «ηλεκτρονικού χαρτιού» ή άλλων αναδιπλούμενων συσκευών προβολής.Επομένως, η ευελιξία είναι επίσης μια πολύ σημαντική πτυχή.Το γραφένιο είναι ένα τέτοιο υλικό, το οποίο είναι πολύ κατάλληλο για διαφανή ηλεκτρόδια.
Ερευνητές από τη Samsung και το Πανεπιστήμιο chengjunguan στη Νότια Κορέα έλαβαν γραφένιο με διαγώνιο μήκος 30 ιντσών με εναπόθεση χημικών ατμών και το μετέφεραν σε μια μεμβράνη τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET) πάχους 188 micron για να παράγουν μια οθόνη αφής με βάση το γραφένιο [4].Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, το γραφένιο που αναπτύσσεται στο φύλλο χαλκού συνδέεται πρώτα με τη θερμική ταινία απογύμνωσης (μπλε διαφανές μέρος), στη συνέχεια το φύλλο χαλκού διαλύεται με χημική μέθοδο και τέλος το γραφένιο μεταφέρεται στο φιλμ PET με θέρμανση. .
Νέος εξοπλισμός φωτοηλεκτρικής επαγωγής
Το γραφένιο έχει πολύ μοναδικές οπτικές ιδιότητες.Αν και υπάρχει μόνο ένα στρώμα ατόμων, μπορεί να απορροφήσει το 2,3% του εκπεμπόμενου φωτός σε όλο το εύρος μήκους κύματος από το ορατό φως έως το υπέρυθρο.Αυτός ο αριθμός δεν έχει καμία σχέση με άλλες παραμέτρους υλικού του γραφενίου και καθορίζεται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική [6].Το απορροφούμενο φως θα οδηγήσει στη δημιουργία φορέων (ηλεκτρόνια και οπές).Η παραγωγή και η μεταφορά φορέων στο γραφένιο είναι πολύ διαφορετικές από αυτές των παραδοσιακών ημιαγωγών.Αυτό καθιστά το γραφένιο πολύ κατάλληλο για εξαιρετικά γρήγορο εξοπλισμό φωτοηλεκτρικής επαγωγής.Εκτιμάται ότι τέτοιος εξοπλισμός φωτοηλεκτρικής επαγωγής μπορεί να λειτουργεί στη συχνότητα των 500 ghz.Εάν χρησιμοποιείται για μετάδοση σήματος, μπορεί να μεταδώσει 500 δισεκατομμύρια μηδενικά ή μονάδες ανά δευτερόλεπτο και να ολοκληρώσει τη μετάδοση των περιεχομένων δύο δίσκων Blu ray σε ένα δευτερόλεπτο.
Οι ειδικοί από το Ερευνητικό Κέντρο IBM Thomas J. Watson στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησαν γραφένιο για την κατασκευή συσκευών φωτοηλεκτρικής επαγωγής που μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητα 10 GHz [8].Αρχικά, παρασκευάστηκαν νιφάδες γραφενίου σε υπόστρωμα πυριτίου καλυμμένο με πυρίτιο πάχους 300 nm με «μέθοδο σχισίματος ταινίας» και στη συνέχεια κατασκευάστηκαν ηλεκτρόδια από χρυσό παλλαδίου ή χρυσού τιτανίου με διάστημα 1 micron και πλάτος 250 nm.Με αυτόν τον τρόπο, λαμβάνεται μια συσκευή φωτοηλεκτρικής επαγωγής με βάση το γραφένιο.
Σχηματικό διάγραμμα εξοπλισμού φωτοηλεκτρικής επαγωγής γραφενίου και φωτογραφίες ηλεκτρονικών μικροσκοπίων σάρωσης (SEM) πραγματικών δειγμάτων.Η μαύρη σύντομη γραμμή στο σχήμα αντιστοιχεί σε 5 μικρά και η απόσταση μεταξύ των μεταλλικών γραμμών είναι ένα μικρό.
Μέσω πειραμάτων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η συσκευή φωτοηλεκτρικής επαγωγής μεταλλικής δομής μεταλλικού γραφενίου μπορεί να φτάσει τη συχνότητα εργασίας των 16 ghz το πολύ και μπορεί να λειτουργήσει με υψηλή ταχύτητα στην περιοχή μήκους κύματος από 300 nm (κοντά στο υπεριώδες) έως 6 μικρά (υπέρυθρα), ενώ ο παραδοσιακός σωλήνας φωτοηλεκτρικής επαγωγής δεν μπορεί να ανταποκριθεί στο υπέρυθρο φως με μεγαλύτερο μήκος κύματος.Η συχνότητα λειτουργίας του εξοπλισμού φωτοηλεκτρικής επαγωγής γραφενίου εξακολουθεί να έχει μεγάλα περιθώρια βελτίωσης.Η ανώτερη απόδοσή του το κάνει να έχει ένα ευρύ φάσμα προοπτικών εφαρμογής, όπως επικοινωνία, τηλεχειριστήριο και παρακολούθηση περιβάλλοντος.
Ως νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες, η έρευνα για την εφαρμογή του γραφενίου αναδύεται η μία μετά την άλλη.Μας είναι δύσκολο να τα απαριθμήσουμε εδώ.Στο μέλλον, μπορεί να υπάρχουν σωλήνες πεδίου από γραφένιο, μοριακοί διακόπτες από γραφένιο και μοριακοί ανιχνευτές από γραφένιο στην καθημερινή ζωή… Το γραφένιο που σταδιακά βγαίνει από το εργαστήριο θα λάμπει στην καθημερινή ζωή.
Μπορούμε να περιμένουμε ότι ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονικών προϊόντων που χρησιμοποιούν γραφένιο θα εμφανιστεί στο εγγύς μέλλον.Σκεφτείτε πόσο ενδιαφέρον θα ήταν αν τα smartphone και τα netbook μας μπορούσαν να τυλιχτούν, να κουμπώσουν στα αυτιά μας, να γεμίσουν στις τσέπες μας ή να τυλιχτούν γύρω από τους καρπούς μας όταν δεν τα χρησιμοποιούμε!
Ώρα δημοσίευσης: Mar-09-2022