În 2010, Geim și Novoselov au câștigat Premiul Nobel pentru fizică pentru munca lor pe grafen. Acest premiu a lăsat o impresie profundă asupra multor oameni. La urma urmei, nu fiecare instrument experimental al Premiului Nobel este la fel de comun ca banda adezivă și nu orice obiect de cercetare este la fel de magic și ușor de înțeles ca „cristal bidimensional” grafen. Lucrarea din 2004 poate fi acordată în 2010, ceea ce este rar în recordul premiului Nobel din ultimii ani.
Grafenul este un fel de substanță care constă dintr-un singur strat de atomi de carbon strâns aranjați într-o rețea hexagonală bidimensională de fagure. La fel ca diamantul, grafitul, fullerena, nanotuburile de carbon și carbonul amorf, este o substanță (substanță simplă) compusă din elemente de carbon. Așa cum se arată în figura de mai jos, Fullerenes și nanotuburile de carbon pot fi văzute ca fiind rulate într -un fel dintr -un singur strat de grafen, care este stivuit de multe straturi de grafen. Cercetările teoretice privind utilizarea grafenului pentru a descrie proprietățile diferitelor substanțe simple de carbon (grafit, nanotuburi de carbon și grafen) au durat aproape 60 de ani, dar se crede în general că astfel de materiale bidimensionale sunt dificil de existat stabil, există singuri, Atașat numai la suprafața tridimensională a substratului sau în interiorul substanțelor precum grafitul. Abia în 2004, Andre Geim și studentul său Konstantin Novoselov au dezbrăcat un singur strat de grafen din grafit prin experimente, cercetarea pe grafen a obținut o nouă dezvoltare.
Atât fullerena (stânga), cât și nanotubul de carbon (mijloc) pot fi considerate ca fiind rulate de un singur strat de grafen într -un fel, în timp ce grafitul (dreapta) este stivuit de mai multe straturi de grafen prin conectarea forței van der Waals.
În zilele noastre, grafenul poate fi obținut în multe feluri, iar diferite metode au propriile lor avantaje și dezavantaje. Geim și Novoselov au obținut grafen într -un mod simplu. Folosind bandă transparentă disponibilă în supermarketuri, au dezbrăcat grafen, o foaie de grafit cu un singur strat de atomi de carbon gros, dintr-o bucată de grafit pirolitic de înaltă ordine. Acest lucru este convenabil, dar controlabilitatea nu este atât de bună, iar grafenul cu o dimensiune mai mică de 100 microni (o zecime de milimetru) poate fi obținută doar, care poate fi utilizată pentru experimente, dar este dificil să fie utilizat pentru practic Aplicații. Depunerea de vapori chimici poate crește probe de grafen cu dimensiunea de zeci de centimetri pe suprafața metalului. Deși zona cu orientare constantă este de doar 100 de microni [3,4], a fost potrivită pentru nevoile de producție ale unor aplicații. O altă metodă obișnuită este încălzirea cristalului carburii de siliciu (SIC) la mai mult de 1100 ℃ în vid, astfel încât atomii de siliciu din apropierea suprafeței să se evapore, iar atomii de carbon rămași sunt reorganizați, care pot obține, de asemenea, probe de grafen cu proprietăți bune.
Grafenul este un material nou, cu proprietăți unice: conductivitatea sa electrică este la fel de excelentă ca cuprul, iar conductivitatea termică este mai bună decât orice material cunoscut. Este foarte transparent. Doar o mică parte (2,3%) din lumina vizibilă a incidentelor verticale va fi absorbită de grafen, iar cea mai mare parte a luminii va trece. Este atât de dens încât chiar și atomii de heliu (cele mai mici molecule de gaz) nu pot trece. Aceste proprietăți magice nu sunt moștenite direct de la grafit, ci de la mecanica cuantică. Proprietățile sale electrice și optice unice determină faptul că are perspective largi de aplicare.
Deși grafenul a apărut doar de mai puțin de zece ani, a arătat multe aplicații tehnice, ceea ce este foarte rar în domeniile fizicii și științei materialelor. Este nevoie de mai mult de zece ani sau chiar de zeci de ani pentru ca materialele generale să treacă de la laborator la viața reală. Care este utilizarea grafenului? Să ne uităm la două exemple.
Electrod transparent moale
În multe aparate electrice, materialele conductoare transparente trebuie utilizate ca electrozi. Ceasurile electronice, calculatoare, televizoare, afișaje de cristal lichid, ecrane tactile, panouri solare și multe alte dispozitive nu pot lăsa existența electrozilor transparenți. Electrodul transparent tradițional folosește oxid de staniu de indiu (ITO). Datorită prețului ridicat și a ofertei limitate de Indium, materialul este fragil și lipsa de flexibilitate, iar electrodul trebuie să fie depus în stratul mediu de vid, iar costul este relativ mare. De multă vreme, oamenii de știință încearcă să -și găsească înlocuitorul. Pe lângă cerințele de transparență, o conductivitate bună și o pregătire ușoară, dacă flexibilitatea materialului în sine este bună, va fi potrivită pentru a face „hârtie electronică” sau alte dispozitive de afișare pliabile. Prin urmare, flexibilitatea este, de asemenea, un aspect foarte important. Grafenul este un astfel de material, care este foarte potrivit pentru electrozii transparenti.
Cercetătorii de la Universitatea Samsung și Chengjunguan din Coreea de Sud au obținut grafen cu o lungime diagonală de 30 de centimetri prin depunerea de vapori chimici și au transferat -o într -un film de tereftalat de polietilen de 188 microni cu o groază de 188 pentru a produce un ecran tactil bazat pe grafen [4]. Așa cum se arată în figura de mai jos, grafenul cultivat pe folia de cupru este mai întâi legat cu banda de dezbrăcare termică (partea transparentă albastră), apoi folia de cupru este dizolvată prin metoda chimică, iar în sfârșit grafenul este transferat la pelicula PET prin încălzire prin încălzire .
Nou echipamente de inducție fotoelectrică
Grafenul are proprietăți optice foarte unice. Deși există un singur strat de atomi, acesta poate absorbi 2,3% din lumina emisă în întreaga lungime de undă, de la lumina vizibilă la infraroșu. Acest număr nu are nicio legătură cu alți parametri de material de grafen și este determinat de electrodinamica cuantică [6]. Lumina absorbită va duce la generarea de transportatori (electroni și găuri). Generarea și transportul transportatorilor în grafen sunt foarte diferite de cele din semiconductorii tradiționali. Acest lucru face ca grafenul să fie foarte potrivit pentru echipamentele de inducție fotoelectrică ultrarapele. Se estimează că astfel de echipamente de inducție fotoelectrică pot funcționa la frecvența de 500 GHz. Dacă este utilizat pentru transmisia semnalului, poate transmite 500 de miliarde de zerouri sau altele pe secundă și poate completa transmisia conținutului a două discuri cu raze Blu într -o secundă.
Experții de la IBM Thomas J. Watson Centrul de cercetare din Statele Unite au folosit grafen pentru fabricarea dispozitivelor de inducție fotoelectrică care pot funcționa la frecvență de 10 GHz [8]. În primul rând, fulgii de grafen au fost preparați pe un substrat de siliciu acoperit cu silice de 300 nm grosime prin „metodă de rupere a benzii”, apoi electrozi de aur de aur sau de aur de paladiu cu un interval de 1 micron și o lățime de 250 nm au fost făcuți pe el. În acest fel, se obține un dispozitiv de inducție fotoelectrică bazat pe grafen.
Diagrama schematică a echipamentelor de inducție fotoelectrică de grafen și a microscopului electronic de scanare (SEM) fotografii ale eșantioanelor reale. Linia scurtă neagră din figură corespunde cu 5 microni, iar distanța dintre liniile metalice este de un micron.
Prin experimente, cercetătorii au descoperit că acest dispozitiv de inducție fotoelectrică a structurii metalelor metalice poate atinge frecvența de lucru de 16GHz cel mult și poate funcționa cu viteză mare în intervalul de undă de la 300 nm (aproape de ultraviolete) la 6 microni (infraroșu), în timp ce Tubul tradițional de inducție fotoelectrică nu poate răspunde la lumina infraroșu cu o lungime de undă mai lungă. Frecvența de lucru a echipamentelor de inducție fotoelectrică grafen are încă un spațiu excelent pentru îmbunătățiri. Performanța sa superioară o face să aibă o gamă largă de perspective de aplicație, inclusiv comunicare, telecomandă și monitorizare a mediului.
Ca un material nou cu proprietăți unice, cercetarea privind aplicarea grafenului apar una după alta. Este dificil pentru noi să le enumerăm aici. În viitor, pot exista tuburi de efect de câmp realizate din grafen, comutatoare moleculare din grafen și detectoare moleculare realizate din grafen în viața de zi cu zi ... grafenul care iese treptat din laborator va străluci în viața de zi cu zi.
Ne putem aștepta ca un număr mare de produse electronice care utilizează grafen în viitorul apropiat. Gândiți -vă cât de interesant ar fi dacă smartphone -urile și netbook -urile noastre ar putea fi rulate, fixate pe urechile noastre, umplute în buzunare sau înfășurate în jurul încheieturilor noastre atunci când nu sunt folosite!
Timpul post: 09-2022 MAR