Godine 2010. Geim i Novoselov osvojili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu.Ova nagrada ostavila je dubok dojam na mnoge ljude.Uostalom, nije svaki eksperimentalni alat za Nobelovu nagradu tako uobičajen kao ljepljiva traka, niti je svaki predmet istraživanja tako čaroban i lako razumljiv kao "dvodimenzionalni kristalni" grafen.Djelo iz 2004. može biti nagrađeno 2010., što je rijetkost u evidenciji Nobelovih nagrada posljednjih godina.
Grafen je vrsta tvari koja se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma blisko poredanih u dvodimenzionalnu šesterokutnu rešetku saća.Poput dijamanta, grafita, fulerena, ugljikovih nanocijevi i amorfnog ugljika, to je tvar (jednostavna tvar) sastavljena od ugljikovih elemenata.Kao što je prikazano na donjoj slici, fulereni i ugljikove nanocijevi mogu se vidjeti kao smotani na neki način od jednog sloja grafena, koji je složen od mnogo slojeva grafena.Teoretsko istraživanje o korištenju grafena za opisivanje svojstava različitih ugljičnih jednostavnih tvari (grafita, ugljikovih nanocijevi i grafena) trajalo je gotovo 60 godina, no općenito se vjeruje da je takvim dvodimenzionalnim materijalima teško postojati samostalno, samo pričvršćen na trodimenzionalnu površinu podloge ili unutar tvari poput grafita.Tek 2004. godine kada su Andre Geim i njegov student Konstantin Novoselov eksperimentima skinuli jedan sloj grafena s grafita, istraživanje grafena je postiglo novi razvoj.
I fuleren (lijevo) i ugljikova nanocijev (u sredini) mogu se smatrati smotanim jednim slojem grafena na neki način, dok je grafit (desno) složen od više slojeva grafena putem veze van der Waalsove sile.
Danas se grafen može dobiti na više načina, a različite metode imaju svoje prednosti i nedostatke.Geim i Novoselov dobili su grafen na jednostavan način.Koristeći prozirnu traku dostupnu u supermarketima, skinuli su grafen, grafitnu ploču sa samo jednim slojem ugljikovih atoma debljine, s komada visokokvalitetnog pirolitičkog grafita.To je zgodno, ali mogućnost upravljanja nije tako dobra, a može se dobiti samo grafen veličine manje od 100 mikrona (jedna desetina milimetra), koji se može koristiti za eksperimente, ali ga je teško koristiti za praktične svrhe. aplikacije.Kemijsko taloženje iz pare može na metalnoj površini uzgojiti uzorke grafena veličine nekoliko desetaka centimetara.Iako je područje s dosljednom orijentacijom samo 100 mikrona [3,4], bilo je prikladno za proizvodne potrebe nekih aplikacija.Druga uobičajena metoda je zagrijavanje kristala silicijevog karbida (SIC) na više od 1100 ℃ u vakuumu, tako da atomi silicija blizu površine ispare, a preostali atomi ugljika se preurede, čime se također mogu dobiti uzorci grafena s dobrim svojstvima.
Grafen je novi materijal s jedinstvenim svojstvima: električna vodljivost mu je izvrsna kao i bakar, a toplinska vodljivost bolja od bilo kojeg poznatog materijala.Vrlo je proziran.Grafen će apsorbirati samo mali dio (2,3%) vertikalne upadne vidljive svjetlosti, a većina svjetlosti će proći.Toliko je gust da ni atomi helija (najmanje molekule plina) ne mogu proći kroz njega.Ta čarobna svojstva nisu izravno naslijeđena od grafita, već od kvantne mehanike.Njegova jedinstvena električna i optička svojstva određuju njegovu široku primjenu.
Iako se grafen pojavio tek prije manje od deset godina, pokazao je mnoge tehničke primjene, što je vrlo rijetko u područjima fizike i znanosti o materijalima.Potrebno je više od deset godina ili čak desetljeća da opći materijali pređu iz laboratorija u stvarni život.Čemu služi grafen?Pogledajmo dva primjera.
Meka prozirna elektroda
U mnogim električnim uređajima prozirni vodljivi materijali moraju se koristiti kao elektrode.Elektronički satovi, kalkulatori, televizori, zasloni s tekućim kristalima, ekrani osjetljivi na dodir, solarni paneli i mnogi drugi uređaji ne mogu napustiti postojanje prozirnih elektroda.Tradicionalna prozirna elektroda koristi indij kositar oksid (ITO).Zbog visoke cijene i ograničene ponude indija, materijal je krt i nema fleksibilnost, a elektroda se mora odložiti u srednji sloj vakuuma, a cijena je relativno visoka.Znanstvenici već dugo pokušavaju pronaći njegovu zamjenu.Uz zahtjeve transparentnosti, dobre vodljivosti i jednostavne pripreme, ako je fleksibilnost samog materijala dobra, bit će prikladan za izradu “elektroničkog papira” ili drugih sklopivih uređaja za prikaz.Stoga je fleksibilnost također vrlo važan aspekt.Grafen je takav materijal, koji je vrlo pogodan za prozirne elektrode.
Istraživači sa Samsunga i Sveučilišta chengjunguan u Južnoj Koreji dobili su grafen dijagonalne duljine 30 inča kemijskim taloženjem iz pare i prenijeli ga na polietilen tereftalatni (PET) film debljine 188 mikrona kako bi proizveli zaslon osjetljiv na dodir na bazi grafena [4].Kao što je prikazano na donjoj slici, grafen uzgojen na bakrenoj foliji prvo se lijepi trakom za termalno skidanje (plavi prozirni dio), zatim se bakrena folija otapa kemijskom metodom i na kraju se grafen zagrijavanjem prenosi na PET film .
Nova fotoelektrična indukcijska oprema
Grafen ima vrlo jedinstvena optička svojstva.Iako postoji samo jedan sloj atoma, on može apsorbirati 2,3% emitirane svjetlosti u cijelom rasponu valnih duljina od vidljive svjetlosti do infracrvene.Ovaj broj nema nikakve veze s drugim materijalnim parametrima grafena i određen je kvantnom elektrodinamikom [6].Apsorbirana svjetlost će dovesti do stvaranja nositelja (elektrona i šupljina).Generiranje i transport nositelja u grafenu vrlo se razlikuju od onih u tradicionalnim poluvodičima.To čini grafen vrlo prikladnim za ultrabrzu fotoelektričnu indukcijsku opremu.Procjenjuje se da takva fotoelektrična indukcijska oprema može raditi na frekvenciji od 500 GHz.Ako se koristi za prijenos signala, može prenijeti 500 milijardi nula ili jedinica u sekundi, te završiti prijenos sadržaja dva Blu ray diska u jednoj sekundi.
Stručnjaci IBM Thomas J. Watson Research Centera u Sjedinjenim Američkim Državama koristili su grafen za proizvodnju fotoelektričnih indukcijskih uređaja koji mogu raditi na frekvenciji od 10GHz [8].Najprije su na silicijskoj podlozi prekrivenoj 300 nm debelim silicijevim dioksidom pripremljene grafenske ljuskice “metodom kidanja vrpce”, a potom su na njoj izrađene paladijeve zlatne ili titanijeve zlatne elektrode razmaka od 1 mikrona i širine 250 nm.Na taj način se dobiva fotoelektrični indukcijski uređaj na bazi grafena.
Shematski dijagram grafenske fotoelektrične indukcijske opreme i fotografija stvarnih uzoraka skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM).Crna kratka linija na slici odgovara 5 mikrona, a razmak između metalnih linija je jedan mikron.
Eksperimentima su istraživači otkrili da ovaj fotoelektrični indukcijski uređaj s metalnom grafenskom metalnom strukturom može doseći radnu frekvenciju od najviše 16 GHz i može raditi velikom brzinom u rasponu valnih duljina od 300 nm (blizu ultraljubičastog) do 6 mikrona (infracrveno), dok tradicionalna fotoelektrična indukcijska cijev ne može reagirati na infracrveno svjetlo veće valne duljine.Radna frekvencija grafenske fotoelektrične indukcijske opreme još ima mnogo prostora za poboljšanje.Njegove vrhunske performanse čine ga širokim rasponom mogućnosti primjene, uključujući komunikaciju, daljinsko upravljanje i praćenje okoliša.
Kao novi materijal s jedinstvenim svojstvima, istraživanja o primjeni grafena pojavljuju se jedno za drugim.Teško nam ih je ovdje nabrojiti.U budućnosti bi mogle postojati cijevi s efektom polja od grafena, molekularni prekidači od grafena i molekularni detektori od grafena u svakodnevnom životu... Grafen koji postupno izlazi iz laboratorija zablistat će u svakodnevnom životu.
Možemo očekivati da će se u skoroj budućnosti pojaviti veliki broj elektroničkih proizvoda koji koriste grafen.Razmislite o tome kako bi bilo zanimljivo kada bi se naši pametni telefoni i netbookovi mogli smotati, pričvrstiti za uši, strpati u džepove ili omotati oko zapešća kada nisu u upotrebi!
Vrijeme objave: 9. ožujka 2022