banner

Koja je korist od grafena?Dva slučaja primjene omogućuju vam razumijevanje mogućnosti primjene grafena

Godine 2010. Geim i Novoselov dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu.Ova nagrada ostavila je dubok utisak na mnoge ljude.Uostalom, nije svaki eksperimentalni alat za Nobelovu nagradu tako uobičajen kao ljepljiva traka, a nije svaki istraživački objekt tako čaroban i lako razumljiv kao grafen "dvodimenzionalnog kristala".Rad iz 2004. godine može biti nagrađen 2010. godine, što je rijetkost u zapisu o Nobelovoj nagradi posljednjih godina.

Grafen je vrsta tvari koja se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma usko raspoređenih 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 ugljične nanocijevi mogu se vidjeti kao smotane na neki način iz jednog sloja grafena, koji je složen s mnogo slojeva grafena.Teorijska istraživanja upotrebe grafena za opisivanje svojstava različitih ugljičnih jednostavnih supstanci (grafita, ugljičnih nanocijevi i grafena) traju gotovo 60 godina, no općenito se vjeruje da je takve dvodimenzionalne materijale teško stabilno postojati sami, pričvršćena samo na trodimenzionalnu površinu supstrata ili unutar tvari poput grafita.Tek 2004. godine Andre Geim i njegov učenik Konstantin Novoselov su eksperimentima skinuli jedan sloj grafena s grafita, istraživanje grafena je postiglo novi razvoj.

I fuleren (lijevo) i ugljična nanocijev (u sredini) može se smatrati da su na neki način smotani jednim slojem grafena, dok je grafit (desno) složen s više slojeva grafena kroz vezu van der Waalsove sile.

Danas se grafen može dobiti na mnogo 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 pirolitičkog grafita visokog reda.To je zgodno, ali upravljivost 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 u praksi aplikacije.Kemijsko taloženje pare može razviti uzorke grafena veličine desetaka centimetara na metalnoj površini.Iako je područje s dosljednom orijentacijom samo 100 mikrona [3,4], bilo je prikladno za potrebe proizvodnje u nekim aplikacijama.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: njegova električna vodljivost je izvrsna kao bakar, a toplinska vodljivost bolja od bilo kojeg poznatog materijala.Vrlo je transparentan.Grafen će apsorbirati samo mali dio (2,3%) vertikalne upadne vidljive svjetlosti, a većina svjetlosti će proći.Toliko je gust da čak ni atomi helija (najmanje molekule plina) ne mogu proći.Ova magična svojstva nisu izravno naslijeđena od grafita, već od kvantne mehanike.Njegova jedinstvena električna i optička svojstva određuju da ima široku perspektivu primjene.

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.Koja je korist od grafena?Pogledajmo dva primjera.

Mekana prozirna elektroda
U mnogim električnim uređajima, prozirni vodljivi materijali moraju se koristiti kao elektrode.Elektronički satovi, kalkulatori, televizori, zasloni s tekućim kristalima, zasloni 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 krhak i nefleksibilan, a elektrodu je potrebno položiti u srednji sloj vakuuma, a trošak je relativno visok.Već dugo vremena znanstvenici pokušavaju pronaći njegovu zamjenu.Osim zahtjeva prozirnosti, 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 s dijagonalnom duljinom od 30 inča kemijskim taloženjem pare i prenijeli ga na 188 mikrona debeo polietilen tereftalat (PET) film kako bi proizveli zaslon osjetljiv na dodir na bazi grafena [4].Kao što je prikazano na donjoj slici, grafen narastao na bakrenoj foliji najprije se veže termo trakom za skidanje (plavi prozirni dio), zatim se bakrena folija otapa kemijskom metodom, a 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 do infracrvene svjetlosti.Ovaj broj nema nikakve veze s drugim materijalnim parametrima grafena i određen je kvantom elektrodinamikom [6].Apsorbirana svjetlost će dovesti do stvaranja nositelja (elektrona i rupa).Generiranje i transport nosača u grafenu su vrlo različiti 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 i dovršiti prijenos sadržaja dva Blu ray diska u jednoj sekundi.

Stručnjaci iz IBM-ovog istraživačkog centra Thomas J. Watson u Sjedinjenim Državama koristili su grafen za proizvodnju fotoelektričnih indukcijskih uređaja koji mogu raditi na frekvenciji od 10 GHz [8].Najprije su grafenske pahuljice pripremljene na silicijskoj podlozi prekrivenoj silicijevim dioksidom debljine 300 nm “metodom kidanja trake”, a zatim su na njoj izrađene elektrode od zlata od paladija ili titana s razmakom od 1 mikrona i širine 250 nm.Na taj se način dobiva fotoelektrični indukcijski uređaj na bazi grafena.

Shematski dijagram opreme za fotoelektričnu indukciju grafena 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 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 uvijek ima veliki prostor za poboljšanje.Njegove vrhunske performanse čine ga širokim rasponom mogućnosti primjene, uključujući komunikaciju, daljinsko upravljanje i nadzor okoliša.

Kao novi materijal s jedinstvenim svojstvima, istraživanja o primjeni grafena pojavljuju se jedno za drugim.Teško nam ih je ovdje nabrojati.U budućnosti bi u svakodnevnom životu mogle postojati poljske cijevi od grafena, molekularni prekidači od grafena i molekularni detektori od grafena... 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.Zamislite kako bi bilo zanimljivo kada bi se naši pametni telefoni i netbookovi mogli smotati, pričvrstiti na uši, strpati u džepove ili omotati oko zapešća kada ih ne koristimo!


Vrijeme objave: 09.03.2022