2010. aastal võitsid Geim ja Novoselov grafeenialase töö eest Nobeli füüsikaauhinna.See auhind on jätnud paljudele inimestele sügava mulje.Lõppude lõpuks pole iga Nobeli preemia eksperimentaalne tööriist nii levinud kui kleeplint ja mitte iga uurimisobjekt pole nii maagiline ja kergesti mõistetav kui "kahemõõtmeline kristall" grafeen.2004. aasta teost saab autasustada 2010. aastal, mis on viimaste aastate Nobeli preemiate arvestuses haruldane.
Grafeen on teatud tüüpi aine, mis koosneb ühest kihist süsinikuaatomitest, mis on tihedalt paigutatud kahemõõtmeliseks kärgstruktuuriga kuusnurkvõreks.Nagu teemant, grafiit, fullereen, süsiniknanotorud ja amorfne süsinik, on see aine (lihtaine), mis koosneb süsiniku elementidest.Nagu on näidatud alloleval joonisel, võib fullereene ja süsinik-nanotorusid näha ühelt grafeenikihilt, mis on virnastatud paljude grafeenikihtidega, mingil viisil kokku rullituna.Teoreetilised uuringud grafeeni kasutamisest erinevate süsiniklihtainete (grafiit, süsinik-nanotorud ja grafeen) omaduste kirjeldamiseks on kestnud ligi 60 aastat, kuid üldiselt arvatakse, et selliseid kahemõõtmelisi materjale on raske stabiilselt eksisteerida üksi. kinnitatud ainult kolmemõõtmelise substraadi pinnale või ainete, näiteks grafiidi sees.Alles 2004. aastal eemaldasid Andre Geim ja tema õpilane Konstantin Novoselov katsetega grafeenist ühe kihi grafeenist, et grafeeniuuringud saavutasid uue arengu.
Nii fullereeni (vasakul) kui ka süsinik-nanotoru (keskel) võib pidada ühel grafeenikihil mingil viisil kokku rullituks, samas kui grafiit (paremal) on van der Waalsi jõu ühenduse kaudu virnastatud mitme grafeenikihiga.
Tänapäeval saab grafeeni kätte mitmel viisil ning erinevatel meetoditel on omad plussid ja miinused.Geim ja Novoselov said grafeeni lihtsal viisil.Supermarketites saadaoleva läbipaistva teibi abil eemaldasid nad kõrge järgu pürolüütilise grafiidi tükist grafeeni, vaid ühe süsinikuaatomikihi paksuse grafiitlehe.See on mugav, kuid juhitavus pole nii hea ja alla 100 mikroni (üks kümnendik millimeetrit) suurust grafeeni saab ainult, mida saab kasutada katseteks, kuid seda on raske kasutada praktilistel eesmärkidel. rakendusi.Keemilise aur-sadestamise abil saab metalli pinnale kasvatada kümnete sentimeetrite suurusi grafeeniproove.Kuigi ühtse orientatsiooniga ala on vaid 100 mikronit [3,4], on see mõne rakenduse tootmisvajaduste jaoks sobinud.Teine levinud meetod on ränikarbiidi (SIC) kristallide kuumutamine vaakumis temperatuurini üle 1100 ℃, nii et pinna lähedal asuvad räni aatomid aurustuvad ja ülejäänud süsinikuaatomid paigutatakse ümber, mis võib samuti saada heade omadustega grafeeniproove.
Grafeen on uus materjal, millel on ainulaadsed omadused: selle elektrijuhtivus on sama suurepärane kui vask ja selle soojusjuhtivus on parem kui ühelgi tuntud materjalil.See on väga läbipaistev.Grafeen neelab ainult väikese osa (2,3%) vertikaalsest langevast nähtavast valgusest ja suurem osa valgusest läbib.See on nii tihe, et isegi heeliumi aatomid (kõige väiksemad gaasimolekulid) ei pääse läbi.Need maagilised omadused ei ole otseselt päritud grafiidilt, vaid kvantmehaanikast.Selle ainulaadsed elektrilised ja optilised omadused määravad, et sellel on laialdased kasutusvõimalused.
Kuigi grafeen on ilmunud alles vähem kui kümme aastat, on see näidanud palju tehnilisi rakendusi, mis on füüsika ja materjaliteaduse valdkonnas väga haruldane.Üldiste materjalide liikumine laborist pärisellu võtab aega üle kümne aasta või isegi aastakümneid.Mis kasu on grafeenist?Vaatame kahte näidet.
Pehme läbipaistev elektrood
Paljudes elektriseadmetes tuleb elektroodidena kasutada läbipaistvaid juhtivaid materjale.Elektroonilised kellad, kalkulaatorid, televiisorid, vedelkristallkuvarid, puuteekraanid, päikesepaneelid ja paljud teised seadmed ei saa jätta läbipaistvate elektroodide olemasolu.Traditsiooniline läbipaistev elektrood kasutab indiumtinaoksiidi (ITO).Indiumi kõrge hinna ja piiratud pakkumise tõttu on materjal habras ja paindumatu ning elektrood tuleb asetada vaakumi keskmisesse kihti ja hind on suhteliselt kõrge.Teadlased on pikka aega püüdnud leida selle asendajat.Kui materjali enda painduvus on hea, sobib see lisaks läbipaistvuse, hea juhtivuse ja lihtsa ettevalmistamise nõuetele ka “elektroonilise paberi” või muude kokkupandavate kuvaseadmete valmistamiseks.Seetõttu on väga oluline aspekt ka paindlikkus.Grafeen on selline materjal, mis sobib väga hästi läbipaistvate elektroodide jaoks.
Samsungi ja Lõuna-Korea Chengjunguani ülikooli teadlased said keemilise aurustamise teel grafeeni diagonaaliga 30 tolli ja kandsid selle 188 mikroni paksusele polüetüleentereftalaadi (PET) kilele, et toota grafeenil põhinev puuteekraan [4].Nagu on näidatud alloleval joonisel, seotakse vaskfooliumile kasvatatud grafeen esmalt termoeemalduslindiga (sinine läbipaistev osa), seejärel lahustatakse vaskfoolium keemilisel meetodil ja lõpuks viiakse grafeen kuumutamise teel PET-kilele. .
Uus fotoelektriline induktsioonseade
Grafeenil on väga ainulaadsed optilised omadused.Kuigi aatomeid on ainult üks kiht, suudab see neelata 2,3% kiiratavast valgusest kogu lainepikkuse vahemikus nähtavast valgusest infrapunani.Sellel arvul pole midagi pistmist grafeeni muude materiaalsete parameetritega ja selle määrab kvantelektrodünaamika [6].Neeldunud valgus viib kandjate (elektronide ja aukude) tekkeni.Kandjate tekitamine ja transport grafeenis on traditsiooniliste pooljuhtide omadest väga erinevad.See muudab grafeeni ülikiirete fotoelektriliste induktsiooniseadmete jaoks väga sobivaks.Arvatakse, et sellised fotoelektrilised induktsiooniseadmed võivad töötada sagedusel 500 GHz.Kui seda kasutatakse signaali edastamiseks, suudab see edastada 500 miljardit nulli või ühte sekundis ja viia lõpule kahe Blu-ray plaadi sisu edastamine ühe sekundiga.
Ameerika Ühendriikide IBM Thomas J. Watsoni uurimiskeskuse eksperdid on kasutanud grafeeni 10 GHz sagedusel töötavate fotoinduktsiooniseadmete tootmiseks [8].Kõigepealt valmistati 300 nm paksuse ränidioksiidiga kaetud ränisubstraadile “lindirebimise meetodil” grafeenihelbed ning seejärel pallaadiumkuld- või titaankullaelektroodid intervalliga 1 mikroni ja laiusega 250 nm.Sel viisil saadakse grafeenil põhinev fotoelektriline induktsioonseade.
Grafeeni fotoelektrilise induktsiooni seadmete ja tegelike proovide skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) fotode skemaatiline diagramm.Must lühike joon joonisel vastab 5 mikronile ja metalljoonte vaheline kaugus on üks mikron.
Katsete abil leidsid teadlased, et see metallgrafeenist metallkonstruktsiooniga fotoelektriline induktsioonseade võib jõuda maksimaalselt 16 GHz töösageduseni ja töötada suurel kiirusel lainepikkuste vahemikus 300 nm (ultraviolettkiirgus) kuni 6 mikronini (infrapuna). Traditsiooniline fotoelektriline induktsioontoru ei suuda reageerida pikema lainepikkusega infrapunavalgusele.Grafeeni fotoelektriliste induktsiooniseadmete töösagedusel on veel palju arenguruumi.Selle suurepärase jõudluse tõttu on sellel lai valik rakendusvõimalusi, sealhulgas side, kaugjuhtimine ja keskkonnaseire.
Uue ainulaadsete omadustega materjalina on järjest esile kerkimas grafeeni rakendusuuringud.Meil on neid siin raske loetleda.Tulevikus võivad igapäevaelus olla grafeenist väljaefektiga torud, grafeenist molekulaarlülitid ja grafeenist molekulaarsed detektorid... Grafeen, mis laborist järk-järgult välja tuleb, hakkab igapäevaelus särama.
Võime oodata, et lähitulevikus ilmub suur hulk grafeeni kasutavaid elektroonikatooteid.Mõelge, kui huvitav oleks, kui meie nutitelefone ja netbooke saaks kokku keerata, kõrva külge kinnitada, taskusse toppida või ümber randme mähkida, kui neid ei kasutata!
Postitusaeg: 09.03.2022