În 2010, Geim și Novoselov au câștigat Premiul Nobel pentru fizică pentru munca lor asupra grafenului.Acest premiu a lăsat o impresie profundă asupra multor oameni.La urma urmei, nu orice 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 precum grafenul „cristal bidimensional”.Lucrarea din 2004 poate fi premiată în 2010, ceea ce este rar în palmaresul la Premiul 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 tip fagure.La fel ca diamantul, grafitul, fulerenul, nanotuburile de carbon și carbonul amorf, este o substanță (substanță simplă) compusă din elemente de carbon.După cum se arată în figura de mai jos, fulerenele și nanotuburile de carbon pot fi văzute ca rulate într-un fel dintr-un singur strat de grafen, care este stivuit de mai 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 în general se crede că astfel de materiale bidimensionale sunt dificil de a exista în mod stabil singure, atașat doar la suprafața substratului tridimensional sau în interiorul unor substanțe precum grafitul.Abia în 2004, Andre Geim și studentul său Konstantin Novoselov au îndepărtat un singur strat de grafen din grafit prin experimente că cercetările asupra grafenului au realizat noi dezvoltări.
Atât fullerene (stânga), cât și nanotuburile de carbon (din mijloc) pot fi considerate ca fiind înfășurate într-un fel de un singur strat de grafen, în timp ce grafitul (dreapta) este stivuit de mai multe straturi de grafen prin conexiunea forței van der Waals.
În zilele noastre, grafenul poate fi obținut în multe moduri, iar diferitele metode au propriile avantaje și dezavantaje.Geim și Novoselov au obținut grafenul într-un mod simplu.Folosind bandă transparentă disponibilă în supermarketuri, au îndepărtat grafenul, o foaie de grafit cu un singur strat gros de atomi de carbon, dintr-o bucată de grafit pirolitic de ordin înalt.Acest lucru este convenabil, dar controlabilitatea nu este atât de bună, iar grafenul cu o dimensiune mai mică de 100 de microni (o zecime de milimetru) poate fi obținut doar, care poate fi folosit pentru experimente, dar este dificil de utilizat pentru practică. aplicatii.Depunerea chimică de vapori poate crește mostre de grafen cu dimensiunea de zeci de centimetri pe suprafața metalului.Deși zona cu orientare consistentă este de numai 100 de microni [3,4], aceasta a fost potrivită pentru nevoile de producție ale unor aplicații.O altă metodă comună este încălzirea cristalului de carbură 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 să fie rearanjați, ceea ce poate obține, de asemenea, mostre de grafen cu proprietăți bune.
Grafenul este un material nou cu proprietăți unice: conductivitatea sa electrică este la fel de excelentă ca cuprul, iar conductibilitatea termică este mai bună decât orice material cunoscut.Este foarte transparent.Doar o mică parte (2,3%) din lumina vizibilă incidentă verticală va fi absorbită de grafen și cea mai mare parte a luminii va trece.Este atât de dens încât nici atomii de heliu (cele mai mici molecule de gaz) nu pot trece.Aceste proprietăți magice nu sunt moștenite direct din grafit, ci din mecanica cuantică.Proprietățile sale electrice și optice unice determină 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 decenii pentru ca materialele generale să treacă de la laborator la viața reală.La ce folosește grafenul?Să ne uităm la două exemple.
Electrod moale transparent
În multe aparate electrice, materialele conductoare transparente trebuie folosite ca electrozi.Ceasurile electronice, calculatoarele, televizoarele, afișajele cu cristale lichide, ecranele tactile, panourile solare și multe alte dispozitive nu pot părăsi existența electrozilor transparenți.Electrodul tradițional transparent folosește oxid de indiu staniu (ITO).Datorită prețului ridicat și a ofertei limitate de indiu, materialul este fragil și lipsit de flexibilitate, iar electrodul trebuie depus în stratul mijlociu al vidului, iar costul este relativ ridicat.De multă vreme, oamenii de știință au încercat să-i găsească înlocuitorul.Pe lângă cerințele de transparență, conductivitate bună și pregătire ușoară, dacă flexibilitatea materialului în sine este bună, acesta va fi potrivit pentru realizarea de „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 electrozi transparenți.
Cercetătorii de la Samsung și de la Universitatea Chengjunguan din Coreea de Sud au obținut grafen cu o lungime diagonală de 30 de inci prin depunere chimică de vapori și l-au transferat într-o peliculă de polietilen tereftalat (PET) de 188 de microni pentru a produce un ecran tactil pe bază de grafen [4].După cum se arată în figura de mai jos, grafenul crescut pe folia de cupru este mai întâi lipit cu bandă de decapare termică (partea albastră transparentă), apoi folia de cupru este dizolvată prin metodă chimică și, în final, grafenul este transferat pe filmul PET prin încălzire. .
Echipament fotoelectric de inducție nou
Grafenul are proprietăți optice foarte unice.Deși există un singur strat de atomi, acesta poate absorbi 2,3% din lumina emisă în întregul interval de lungimi de undă de la lumina vizibilă la infraroșu.Acest număr nu are nimic de-a face cu alți parametri materiali ai grafenului și este determinat de electrodinamica cuantică [6].Lumina absorbită va duce la generarea de purtători (electroni și găuri).Generarea și transportul purtătorilor în grafen sunt foarte diferite de cele din semiconductori tradiționali.Acest lucru face ca grafenul să fie foarte potrivit pentru echipamentele de inducție fotoelectrică ultrarapidă.Se estimează că un astfel de echipament fotoelectric de inducție poate funcționa la frecvența de 500 GHz.Dacă este folosit pentru transmiterea semnalului, poate transmite 500 de miliarde de zerouri sau unu pe secundă și poate finaliza transmiterea conținutului a două discuri Blu ray într-o secundă.
Experții de la Centrul de Cercetare IBM Thomas J. Watson din Statele Unite au folosit grafenul pentru a fabrica dispozitive de inducție fotoelectrică care pot funcționa la frecvența de 10 GHz [8].În primul rând, fulgii de grafen au fost pregătiți pe un substrat de siliciu acoperit cu silice de 300 nm grosime prin „metoda de rupere a benzii”, iar apoi au fost realizați electrozi de aur de paladiu sau aur de titan cu un interval de 1 micron și o lățime de 250 nm.În acest fel, se obține un dispozitiv de inducție fotoelectrică pe bază de grafen.
Diagrama schematică a echipamentelor de inducție fotoelectrică cu grafen și fotografii cu microscopul electronic de scanare (SEM) ale probelor reale.Linia scurtă neagră din figură corespunde la 5 microni, iar distanța dintre liniile metalice este de un micron.
Prin experimente, cercetătorii au descoperit că acest dispozitiv de inducție fotoelectrică cu structură metalică a grafenului poate atinge frecvența de lucru de cel mult 16 GHz și poate funcționa la viteză mare în intervalul de lungimi de undă de la 300 nm (aproape ultraviolet) la 6 microni (infraroșu), în timp ce tubul de inducție fotoelectric tradițional nu poate răspunde la lumina infraroșie cu lungime de undă mai mare.Frecvența de lucru a echipamentelor de inducție fotoelectrică cu grafen are încă mare loc de îmbunătățire.Performanța sa superioară îl face să aibă o gamă largă de perspective de aplicație, inclusiv comunicare, control de la distanță și monitorizare a mediului.
Ca material nou cu proprietăți unice, cercetările privind aplicarea grafenului apar una după alta.Ne este greu să le enumerăm aici.În viitor, în viața de zi cu zi, pot exista tuburi cu efect de câmp din grafen, comutatoare moleculare din grafen și detectoare moleculare din grafen... Grafenul care iese treptat din laborator va străluci în viața de zi cu zi.
Ne putem aștepta ca în viitorul apropiat să apară un număr mare de produse electronice care utilizează grafen.Gândiți-vă cât de interesant ar fi dacă smartphone-urile și netbook-urile noastre ar putea fi înfășurate, prinse de urechi, îndesate în buzunare sau înfășurate în jurul încheieturilor noastre atunci când nu sunt folosite!
Ora postării: Mar-09-2022