Godine 2010. GEIM i Novoselov osvojili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu. Ova je nagrada ostavila dubok dojam na mnoge ljude. Uostalom, nije svaki eksperimentalni alat Nobelove nagrade jednako čest kao ljepljiva traka, a nije svaki istraživački objekt tako čaroban i lako razumljiv kao grafen "dvodimenzionalni kristal". Rad 2004. godine može se dodijeliti 2010. godine, što je rijetko u rekordu Nobelove nagrade posljednjih godina.
Grafen je vrsta tvari koja se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma usko raspoređenih u dvodimenzionalnu šesterokutnu šesterokutnu rešetku. Kao i dijamant, grafit, fulleren, ugljikove nanocjevčice i amorfni ugljik, to je tvar (jednostavna tvar) sastavljena od ugljikovih elemenata. Kao što je prikazano na slici ispod, fulerenes i ugljikove nanocjevčice mogu se vidjeti kao kotrljaju se na neki način iz jednog sloja grafena, koji je složen mnogim slojevima grafena. Teorijsko istraživanje o korištenju grafena za opisivanje svojstava različitih ugljičnih jednostavnih tvari (grafita, ugljičnih nanocjevčica i grafena) trajalo je gotovo 60 godina, ali općenito se vjeruje da je takvi dvodimenzionalni materijali teško postojali sami, samo pričvršćeni na trodimenzionalnu površinu supstrata ili unutarnjih tvari poput grafita. Tek 2004. godine Andre Geim i njegov student Konstantin Novoselov skinuli su jedan sloj grafena iz grafita kroz eksperimente, istraživanje grafena postiglo je novi razvoj.
I fulleren (lijevo) i ugljična nanocjevčica (srednja) mogu se smatrati da se na neki način namotava jedan sloj grafena, dok grafit (desno) slaže više slojeva grafena kroz priključak Van der Waalsove sile.
Danas se grafen može dobiti na više načina, a različite metode imaju vlastite prednosti i nedostatke. Geim i Novoselov dobili su grafen na jednostavan način. Koristeći prozirnu vrpcu dostupnu u supermarketima, skinuli su grafen, grafitni list sa samo jednim slojem debljine atoma ugljika, iz komada pirolitičkog grafita visokog reda. To je prikladno, ali kontroliranost nije tako dobra, a grafen s veličinom manjom od 100 mikrona (jedna desetina milimetra) može se dobiti samo, što se može koristiti za eksperimente, ali je teško koristiti za praktično Prijave. Taloženje kemijskog pare može uzgajati uzorke grafena s veličinom desetaka centimetara na metalnoj površini. Iako je područje s konzistentnom orijentacijom samo 100 mikrona [3,4], bilo je prikladno za proizvodne potrebe nekih aplikacija. Druga uobičajena metoda je zagrijavanje kristala silicij -karbida (sic) na više od 1100 ℃ u vakuumu, tako da silicijski atomi u blizini površine ispare, a preostali atomi ugljika su preuređeni, što također može dobiti uzorke grafena s dobrim svojstvima.
Graphene je novi materijal s jedinstvenim svojstvima: njegova električna vodljivost je izvrsna kao i bakar, a njegova toplinska vodljivost je bolja od bilo kojeg poznatog materijala. Vrlo je prozirno. Samo mali dio (2,3%) vertikalnog incidenta vidljivog svjetla apsorbirat će grafen, a većina svjetla će proći. Toliko je gusta da čak ni atomi helija (najmanji molekuli plina) ne mogu proći. Ova čarobna svojstva nisu izravno naslijeđena od grafita, već od kvantne mehanike. Njegova jedinstvena električna i optička svojstva određuju da ima široke izglede za primjenu.
Iako se grafen pojavio samo 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 se opći materijali pređu iz laboratorija u stvarni život. U čemu se koristi grafen? Pogledajmo dva primjera.
Meka prozirna elektroda
U mnogim električnim uređajima treba koristiti prozirne vodljive materijale kao elektrode. Elektronski satovi, kalkulatori, televizori, prikazi tekućih kristala, zasloni s dodirima, solarni paneli i mnogi drugi uređaji ne mogu napustiti postojanje prozirnih elektroda. Tradicionalna prozirna elektroda koristi indijski kositreni oksid (ITO). Zbog visoke cijene i ograničene opskrbe indijom, materijal je krhki i nedostatak fleksibilnosti, a elektrodu se mora odlagati u srednjem sloju vakuuma, a trošak je relativno visok. Dugo vremena znanstvenici pokušavaju pronaći svoju zamjenu. Uz zahtjeve transparentnosti, dobre vodljivosti i jednostavne pripreme, ako je fleksibilnost samog materijala dobra, bit će prikladna 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 Sveučilišta Samsung i Chengjunguan u Južnoj Koreji dobili su grafen s dijagonalnom duljinom od 30 inča taloženjem kemijskog pare i prenijeli ga u film od poliefilentehtalata debljine mikrona iz 188 (PET) (PET) film kako bi proizveli dodirni ekran temeljen na grafenu [4]. Kao što je prikazano na slici ispod, grafen uzgojen na bakrenoj foliji najprije je povezan s toplinskom trakom za uklanjanje (plavi prozirni dio), tada se bakrena folija otopi kemijskom metodom, a na kraju se grafen prenosi u PET film zagrijavanjem .
Nova fotoelektrična indukcijska oprema
Grafen ima vrlo jedinstvena optička svojstva. Iako postoji samo jedan sloj atoma, on može apsorbirati 2,3% emitirane svjetlosti u rasponu cijele valne duljine od vidljive svjetlosti do infracrvenog. Ovaj broj nema nikakve veze s drugim materijalnim parametrima grafena i određuje se kvantnom elektrodinamikom [6]. Apsorbirana svjetlost dovest će do stvaranja nosača (elektrona i rupa). Generacija i transport nosača u grafenu vrlo se razlikuju od onih u tradicionalnim poluvodičima. To grafen čini vrlo pogodnim za ultra brzu 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 one u sekundi i dovršiti prijenos sadržaja dva Blu Ray diska u jednoj sekundi.
Stručnjaci iz IBM Thomas J. Watson Research Center u Sjedinjenim Državama koristili su grafen za proizvodnju fotoelektričnih indukcijskih uređaja koji mogu raditi na frekvenciji od 10 GHz [8]. Prvo, grafenske pahuljice pripremljene su na silikonskoj podlozi prekrivenoj silicijumom debljine 300 nm „metodom suziranja vrpce“, a zatim su na njemu napravljene paladijske zlatne ili titanijske zlatne elektrode s intervalom od 1 mikrona i širine od 250 nm. Na taj se način dobiva fotoelektrični indukcijski uređaj temeljen na grafenu.
Shematski dijagram fotoelektrične indukcijske opreme za grafen i skeniranja elektronskog mikroskopa (SEM) fotografija stvarnih uzoraka. Crna kratka linija na slici odgovara 5 mikrona, a udaljenost između metalnih linija je jedan mikron.
Kroz eksperimente, istraživači su otkrili da ovaj metalni grafenski metalna struktura fotoelektričnih indukcijskih uređaja može dostići radnu frekvenciju najviše 16 GHz, a može raditi velikom brzinom u rasponu valne duljine od 300 nm (u blizini ultraljubičastog) do 6 mikrona (infracrveni), dok Tradicionalna fotoelektrična indukcijska cijev ne može reagirati na infracrveno svjetlo s većom valnom duljinom. Radna frekvencija grafen fotoelektrične indukcijske opreme još uvijek ima veliku prostor za poboljšanje. Njegovi superiorni učinak čini da ima širok raspon izgledi za aplikacije, uključujući komunikaciju, daljinsko upravljanje i nadzor okoliša.
Kao novi materijal s jedinstvenim svojstvima, istraživanje o primjeni grafena se pojavljuje jedan za drugim. Teško nam je ovdje nabrojati. U budućnosti mogu postojati epruvete na terenu izrađene od grafena, molekularne sklopke izrađene od grafena i molekularnih detektora izrađenih od grafena u svakodnevnom životu ... grafen koji postupno izlazi iz laboratorija zasjat će u svakodnevnom životu.
Možemo očekivati da će se u bliskoj budućnosti pojaviti veliki broj elektroničkih proizvoda koji koriste grafen. Razmislite o tome kako bi bilo zanimljivo kad bi se naši pametni telefoni i netbooks mogli namotati, stegnuti na ušima, napunjeni u džepovima ili omotati oko zapešća kad se ne koristimo!
Post Vrijeme: ožujak-09-2022