Геим и Новоселов су 2010. године освојили Нобелову награду за физику за свој рад на графену. Ова награда је оставила дубок утисак на многе људе. На крају крајева, није сваки експериментални алат добитник Нобелове награде толико уобичајен као лепљива трака, нити је сваки истраживачки објекат толико магичан и лако разумљив као „дводимензионални кристални“ графен. Рад из 2004. године може бити додељен 2010. године, што је реткост у историји Нобелових награда последњих година.
Графен је врста супстанце која се састоји од једног слоја атома угљеника густо распоређених у дводимензионалну хексагоналну решетку саћа. Попут дијаманта, графита, фулерена, угљеничних наноцеви и аморфног угљеника, то је супстанца (једноставна супстанца) састављена од угљеничних елемената. Као што је приказано на слици испод, фулерени и угљеничне наноцеви могу се видети као на неки начин смотани из једног слоја графена, који је наслаган многим слојевима графена. Теоријско истраживање употребе графена за описивање својстава различитих једноставних угљеничних супстанци (графита, угљеничних наноцеви и графена) траје скоро 60 година, али се генерално верује да је таквим дводимензионалним материјалима тешко стабилно постојати сами, већ само причвршћени за тродимензионалну површину подлоге или унутар супстанци попут графита. Тек 2004. године, када су Андреј Геим и његов студент Константин Новоселов скинули један слој графена са графита кроз експерименте, истраживање графена је достигло нови развој.
И фулерен (лево) и угљенична наноцев (средина) могу се сматрати на неки начин смотаним једним слојем графена, док је графит (десно) наслаган у више слојева графена кроз везу ван дер Валсове силе.
Данас се графен може добити на много начина, а различите методе имају своје предности и мане. Геим и Новоселов су добили графен на једноставан начин. Користећи провидну траку доступну у супермаркетима, скинули су графен, графитни лист са само једним слојем атома угљеника, са комада пиролитичког графита високог реда. Ово је погодно, али контрола није тако добра, и може се добити само графен величине мање од 100 микрона (једна десетина милиметра), који се може користити за експерименте, али га је тешко користити у практичне примене. Хемијско таложење паром може да узгаја узорке графена величине десетина центиметара на металној површини. Иако је површина са конзистентном оријентацијом само 100 микрона [3,4], то је погодно за производне потребе неких примена. Друга уобичајена метода је загревање кристала силицијум карбида (SIC) на више од 1100 ℃ у вакууму, тако да атоми силицијума близу површине испаравају, а преостали атоми угљеника се преуређују, што такође може да добије узорке графена са добрим својствима.
Графен је нови материјал са јединственим својствима: његова електрична проводљивост је одлична као код бакра, а топлотна проводљивост је боља од било ког познатог материјала. Веома је транспарентан. Само мали део (2,3%) вертикално упадне видљиве светлости биће апсорбован графеном, а већина светлости ће проћи кроз њега. Толико је густ да чак ни атоми хелијума (најмањи молекули гаса) не могу да прођу кроз њега. Ова магична својства нису директно наслеђена од графита, већ из квантне механике. Његова јединствена електрична и оптичка својства одређују да има широке могућности примене.
Иако се графен појавио тек пре мање од десет година, показао је многе техничке примене, што је веома ретко у областима физике и науке о материјалима. Потребно је више од десет година или чак деценија да се општи материјали пребаце из лабораторија у стварни живот. Чему служи графен? Погледајмо два примера.
Мекана провидна електрода
У многим електричним уређајима, провидни проводљиви материјали морају се користити као електроде. Електронски сатови, калкулатори, телевизори, екрани са течним кристалима, екрани осетљиви на додир, соларни панели и многи други уређаји не могу да избегну постојање провидних електрода. Традиционална провидна електрода користи индијум-калај оксид (ITO). Због високе цене и ограничене залихе индијума, материјал је крхак и недостаје му флексибилност, па се електрода мора наносити у средњи слој вакуума, што је релативно високо. Научници већ дуго покушавају да пронађу његову замену. Поред захтева за транспарентност, добру проводљивост и лаку припрему, ако је флексибилност самог материјала добра, биће погодан за израду „електронског папира“ или других склопивих уређаја за приказивање. Стога је флексибилност такође веома важан аспект. Графен је такав материјал, који је веома погодан за провидне електроде.
Истраживачи из компаније Samsung и Универзитета Ченгџунгуан у Јужној Кореји добили су графен дијагонале 76 цм методом хемијског наношења паре и пренели га на полиетилен терефталатну (ПЕТ) фолију дебљине 188 микрона како би произвели екран осетљив на додир на бази графена [4]. Као што је приказано на слици испод, графен који је узгајан на бакарној фолији се прво везује термичком траком за скидање (плави провидни део), затим се бакарна фолија раствара хемијским поступком, и коначно се графен преноси на ПЕТ фолију загревањем.
Нова фотоелектрична индукциона опрема
Графен има веома јединствена оптичка својства. Иако постоји само један слој атома, он може да апсорбује 2,3% емитоване светлости у целом опсегу таласних дужина од видљиве светлости до инфрацрвеног зрачења. Овај број нема никакве везе са другим материјалним параметрима графена и одређен је квантном електродинамиком [6]. Апсорбована светлост ће довести до стварања носилаца (електрона и шупљина). Стварање и транспорт носилаца у графену се веома разликују од оних у традиционалним полупроводницима. Због тога је графен веома погодан за ултрабрзу фотоелектричну индукциону опрему. Процењује се да таква фотоелектрична индукциона опрема може да ради на фреквенцији од 500 GHz. Ако се користи за пренос сигнала, може да пренесе 500 милијарди нула или јединица у секунди и да заврши пренос садржаја два Blu-ray диска за једну секунду.
Стручњаци из истраживачког центра IBM Thomas J. Watson у Сједињеним Државама користили су графен за производњу фотоелектричних индукционих уређаја који могу да раде на фреквенцији од 10 GHz [8]. Прво, графенске љуспице су припремљене на силицијумској подлози прекривеној силицијум диоксидом дебљине 300 nm „методом кидања траке“, а затим су на њој направљене електроде од паладијум злата или титанијум злата са размаком од 1 микрона и ширином од 250 nm. На овај начин је добијен фотоелектрични индукциони уређај на бази графена.
Шематски дијаграм опреме за фотоелектричну индукцију графена и фотографије стварних узорака добијене скенирајућим електронским микроскопом (SEM). Црна кратка линија на слици одговара 5 микрона, а растојање између металних линија је један микрон.
Кроз експерименте, истраживачи су открили да овај фотоелектрични индукциони уређај са металном структуром од графена може достићи радну фреквенцију од највише 16 GHz и може радити великом брзином у опсегу таласних дужина од 300 nm (близу ултраљубичастог) до 6 микрона (инфрацрвено), док традиционална фотоелектрична индукциона цев не може да реагује на инфрацрвено светло са дужим таласним дужинама. Радна фреквенција фотоелектричне индукционе опреме са графеном и даље има велики простор за побољшање. Његове супериорне перформансе омогућавају му широк спектар примене, укључујући комуникацију, даљинско управљање и праћење животне средине.
Као нови материјал са јединственим својствима, истраживања о примени графена се појављују једно за другим. Тешко нам је да их овде набројимо. У будућности, можда ће у свакодневном животу постојати цеви са ефектом поља направљене од графена, молекуларни прекидачи направљени од графена и молекуларни детектори направљени од графена... Графен који постепено излази из лабораторије заблистаће у свакодневном животу.
Можемо очекивати да ће се у блиској будућности појавити велики број електронских производа који користе графен. Замислите колико би било занимљиво када би се наши паметни телефони и нетбукови могли смотати, стегнути на ушима, ставити у џепове или обмотати око зглобова када се не користе!
Време објаве: 09.03.2022.