2010. aastal võitsid Geim ja Novoselov füüsikafüüsika auhinna grafeeniga seotud töö eest. See auhind on jätnud paljudele inimestele sügava mulje. Lõppude lõpuks pole mitte iga Nobeli preemia eksperimentaalne tööriist sama tavaline kui kleepuv lint ning mitte iga uurimisobjekt pole nii maagiline ja hõlpsasti mõistetav kui „kahemõõtmeline kristall” grafeen. 2004. aasta tööd saab anda 2010. aastal, mis on viimastel aastatel Nobeli preemia rekordiliselt haruldane.
Grafeen on omamoodi aine, mis koosneb ühe kihi süsinikuaatomitest, mis on tihedalt paigutatud kahemõõtmeliseks kärgstruktuuriks kuusnurkseks võreks. Nagu teemant, grafiidi, fullureen, süsiniknanotorud ja amorfoosne süsinik, on see ka süsinikuelementidest koosnev aine (lihtne aine). Nagu on näidatud allpool toodud joonisel, võib fullerene'i ja süsiniknanotorusid pidada ühes grafeeni kihis mingil moel, mida virnastavad paljud grafeeni kihid. Teoreetilised uuringud grafeeni kasutamise kohta mitmesuguste süsiniku lihtsate ainete (grafiidi, süsiniknanotorude ja grafeeni) omaduste kirjeldamiseks on kestnud ligi 60 aastat, kuid üldiselt arvatakse, et selliseid kahemõõtmelisi materjale on keeruline püsivalt eksisteerida, üksi, üksi, üksi, üksi, üksi, üksi, üksi, üksi, ainuüksi stabiilselt eksisteerivad. kinnitatud ainult kolmemõõtmelise substraadi pinna külge või sisemiste ainete nagu grafiit. Alles 2004. aastal riisusid Andre Geim ja tema tudeng Konstantin Novoselov grafiidist ühe kihi grafeeniga katsete kaudu, et grafeeniuuringud saavutasid uue arengu.
Nii fullereeni (vasakul) kui ka süsiniknanotoru (keskel) võib pidada ühes mõttes ühe kihiga, samas kui grafiidi (paremal) on van der Waalsi jõu ühendamise kaudu mitme kihiga grafeeniga virnastatud.
Tänapäeval on grafeeni saada mitmel viisil ja erinevatel meetoditel on oma plussid ja puudused. Geim ja Novoselov said grafeeni lihtsal viisil. Kasutades supermarketites saadaolevat läbipaistvat linti, eemaldasid nad grafiidilehe, millel oli ainult üks kiht süsinikuaatomite paksud, suure järgu pürolüütilise grafiidi tükist. See on mugav, kuid juhitavus pole nii hea ja grafeen, mille suurus on vähem kui 100 mikronit (üks kümnendik millimeetrist), on ainult võimalik, mida saab kasutada katseteks, kuid praktilise jaoks on keeruline kasutada praktiliseks rakendused. Keemiline aurude sadestumine võib kasvatada grafeeniproove, mille suurus on metallpinnal kümnete sentimeetrite suurusega. Ehkki järjepideva orientatsiooniga piirkond on ainult 100 mikronit [3,4], on see mõne rakenduse tootmisvajaduste jaoks sobiv. Veel üks levinud meetod on soojendada räni karbiidi (SIC) kristalli rohkem kui 1100 ℃ vaakumis, nii et pinna lähedal asuvad räni aatomid aurustuvad ja ülejäänud süsinikuaatomid on ümber korraldatud, mis võib saada ka heade omadustega grafeeniproovid.
Grafeen on uus unikaalsete omadustega materjal: selle elektrijuhtivus on sama suurepärane kui vask ja selle soojusjuhtivus on parem kui ükski tuntud materjal. See on väga läbipaistev. Ainult väike osa (2,3%) vertikaalsest juhtumist nähtavast valgusest imendub grafeen ja suurem osa valgust läbib. See on nii tihe, et isegi heeliumi aatomid (väikseimad gaasimolekulid) ei saa läbi. Need maagilised omadused ei pärita otseselt grafiidist, vaid kvantmehaanikast. Selle ainulaadsed elektrilised ja optilised omadused määravad, et sellel on laialdased rakenduse väljavaated.
Ehkki grafeen on ilmunud ainult vähem kui kümme aastat, on see näidanud palju tehnilisi rakendusi, mis on füüsika ja materiaalse teaduse valdkonnas väga haruldased. Laborist reaalsesse ellu liikumiseks kulub rohkem kui kümme aastat või isegi aastakümneid. Mis kasu on grafeenist? Vaatame kahte näidet.
Pehme läbipaistev elektrood
Paljudes elektriseadmetes tuleb elektroodidena kasutada läbipaistvaid juhtivaid materjale. Elektroonilised kellad, kalkulaatorid, telerid, vedelkristallide ekraanid, puutetundlikud ekraanid, päikesepaneelid ja paljud muud seadmed ei saa läbipaistvate elektroodide olemasolu jätta. Traditsiooniline läbipaistev elektrood kasutab indium -tinaoksiidi (ITO). Kõrge hinna ja piiratud indiumi pakkumise tõttu on materjal habras ja paindlikkus ning elektrood tuleb ladestuda vaakumi keskmisse kihti ning kulud on suhteliselt kõrge. Pikka aega on teadlased üritanud leida selle asendajat. Lisaks läbipaistvuse nõuetele, hea juhtivuse ja lihtsa ettevalmistamise nõuetele, kui materjali enda paindlikkus on hea, sobib see ka elektroonilise paberi või muude kokkupandavate kuvaseadmete valmistamiseks. Seetõttu on paindlikkus ka väga oluline aspekt. Grafeen on selline materjal, mis sobib väga läbipaistvate elektroodide jaoks.
Lõuna -Korea Samsungi ja Chengjunguani ülikooli teadlased said keemilise aurude sadestumise abil grafeeni 30 tolli pikkusega ja viisid selle 188 mikroni paksusesse polüetüleentereftalaadi (PET) kilesse, et saada grafeenipõhine puutetundlik ekraan [4]. Nagu on näidatud alloleval joonisel, on vaskfooliumil kasvatatud grafeen ühendatud kõigepealt termilise eemaldamislindiga (sinine läbipaistev osa), siis lahustatakse vaskfoolium keemilise meetodi abil ja lõpuks kantakse grafeen PET -kilesse kuumutamise teel, kuumutades .
Uued fotoelektrilised induktsiooniseadmed
Grafeenil on väga ainulaadsed optilised omadused. Ehkki aatomite kiht on ainult üks kiht, võib see neelata 2,3% eralduva valgusest kogu lainepikkuse ulatuses nähtavast valgusest infrapunani. Sellel numbril pole midagi pistmist teiste grafeeni materjalide parameetritega ja see määrab kvant -elektrodünaamika [6]. Imendunud valgus viib kandjate genereerimiseni (elektronid ja augud). Grafeeni vedajate genereerimine ja transport erineb väga traditsiooniliste pooljuhtide omadest. See muudab grafeeni väga sobivaks ultrafast -fotoelektriliste induktsiooniseadmete jaoks. Arvatakse, et sellised fotoelektrilised induktsiooniseadmed võivad töötada sagedusel 500 GHz. Kui seda kasutatakse signaali edastamiseks, saab see edastada 500 miljardit zerot või selliseid sekundis ja lõpetada kahe Blu Ray ketta sisu ülekandmine ühe sekundiga.
Ameerika Ühendriikide IBM Thomas J. Watsoni uurimiskeskuse eksperdid on kasutanud grafeeni fotoelektriliste induktsiooniseadmete valmistamiseks, mis võivad töötada 10 GHz sagedusel [8]. Esiteks valmistati grafeenihelbed räni substraadil, mis oli kaetud 300 nm paksuse ränidioksiidiga “lindirepteerimismeetodi” abil, ja seejärel tehti pallaadiumkulla või titaankuld elektroodidel, mille intervall oli 1 mikron ja laiusega 250 nm. Sel viisil saadakse grafeenipõhine fotoelektriline induktsiooniseade.
Grafeeni fotoelektrilise induktsiooniseadmete ja skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) fotod tegelike proovide skemaatiline diagramm. Joonisel olev must lühike joon vastab 5 mikronile ja metalljoonte vaheline kaugus on üks mikron.
Katsete kaudu leidsid teadlased, et see metallist grafeenmetalli struktuuri fotoelektriline induktsiooniseade suudab kõige rohkem jõuda 16 GHz töösageduseni ja töötada suure kiirusega lainepikkuses vahemikus 300 nm (ultraviolett) kuni 6 mikronini (infrapuna), samas Traditsiooniline fotoelektriline induktsioonitoru ei saa pikema lainepikkusega infrapunavalgusele reageerida. Grafeeni fotoelektriliste induktsiooniseadmete töösagedusel on endiselt hea parendusruumi. Selle suurepärase jõudluse tõttu on selle laia valiku rakenduste väljavaated, sealhulgas suhtlus, kaugjuhtimispuldi ja keskkonnaseire.
Uue ainulaadsete omadustega materjalina on grafeeni kasutamise uurimine üksteise järel. Meil on neid siin keeruline loetleda. Tulevikus võivad olla grafeenist, grafeenist ja grafeenist tehtud molekulaarsete detektorite molekulaarlülitid, mis on valmistatud igapäevaelus… grafeen, mis järk -järgult laborist välja tuleb, molekulaarsed lülitid.
Võib oodata, et lähitulevikus ilmub suur arv grafeeni kasutavaid elektroonilisi tooteid. Mõelge, kui huvitav oleks, kui meie nutitelefonid ja netboogid saaksid üles keerata, kõrvadele kinnitada, taskutesse topitud või randmete ümber mähitud, kui neid ei kasutata!
Postiaeg: märts 09-2022