Године 2010. Гејм и Новоселов су добили 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 за Нобелову награду тако уобичајен као самолепљива трака, и није сваки истраживачки објекат тако магичан и лак за разумевање као графен „дводимензионалног кристала“.Рад из 2004. године може бити награђен 2010. године, што је реткост у запису о Нобеловој награди последњих година.
Графен је врста супстанце која се састоји од једног слоја атома угљеника блиско распоређених у дводимензионалну хексагоналну решетку саћа.Као дијамант, графит, фулерен, угљеничне наноцеви и аморфни угљеник, то је супстанца (једноставна супстанца) састављена од угљеничних елемената.Као што је приказано на доњој слици, фулерени и угљеничне наноцеви се могу видети као смотане на неки начин из једног слоја графена, који је сложен са много слојева графена.Теоријска истраживања о употреби графена за описивање својстава различитих угљеничних једноставних супстанци (графита, угљеничних наноцеви и графена) трају скоро 60 година, али се генерално верује да такви дводимензионални материјали тешко стабилно постоје сами, причвршћени само за тродимензионалну површину супстрата или унутар супстанце као што је графит.Тек 2004. године Андре Геим и његов ученик Константин Новоселов су експериментима скинули један слој графена са графита, истраживање графена је постигло нови развој.
И фулерен (лево) и угљенична наноцева (у средини) могу се сматрати намотанима једним слојем графена на неки начин, док је графит (десно) сложен са 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.Гејм и Новоселов су на једноставан начин добили графен.Користећи провидну траку доступну у супермаркетима, скинули су графен, графитну плочу са само једним слојем атома угљеника дебљине, са комада пиролитичког графита високог реда.Ово је згодно, али управљивост није тако добра, а може се добити само графен величине мање од 100 микрона (један десети део милиметра), који може да се користи за експерименте, али га је тешко користити за практичну употребу. апликације.Хемијским таложењем паре могу се развити узорци графена величине десетина центиметара на површини метала.Иако је површина са доследном оријентацијом само 100 микрона [3,4], била је погодна за потребе производње у неким применама.Друга уобичајена метода је загревање кристала силицијум карбида (СИЦ) на више од 1100 ℃ у вакууму, тако да атоми силицијума близу површине испаре, а преостали атоми угљеника се преуреде, чиме се такође могу добити узорци графена са добрим својствима.
Графен је нов материјал са јединственим својствима: његова електрична проводљивост је одлична као бакар, а топлотна проводљивост боља од било ког познатог материјала.Веома је транспарентан.Графен ће апсорбовати само мали део (2,3%) вертикалне упадне видљиве светлости, а већина светлости ће проћи.Толико је густ да чак ни атоми хелијума (најмањи молекули гаса) не могу да прођу.Ова магијска својства нису директно наслеђена од графита, већ од квантне механике.Његова јединствена електрична и оптичка својства одређују да има широку примену.
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 општи материјали пређу из лабораторије у стварни живот.Каква је употреба графена?Погледајмо два примера.
Мека провидна електрода
У многим електричним уређајима, провидни проводљиви материјали морају се користити као електроде.Електронски сатови, калкулатори, телевизори, дисплеји са течним кристалима, екрани осетљиви на додир, соларни панели и многи други уређаји не могу да напусте постојање провидних електрода.Традиционална провидна електрода користи индијум калај оксид (ИТО).Због високе цене и ограничене понуде индијума, материјал је крхак и недостатак флексибилности, а електрода треба да се депонује у средњем слоју вакуума, а цена је релативно висока.Научници су дуго покушавали 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 приказ.Стога је флексибилност такође веома важан аспект.Графен је такав материјал, који је веома погодан за провидне електроде.
Истраживачи са Самсунг-а и Универзитета Ченгјунгуан у Јужној Кореји добили су графен са дијагоналном дужином од 30 инча хемијским таложењем паре и пренели га на 188 микрона дебео полиетилен терефталат (ПЕТ) филм да би произвели екран осетљив на додир на бази графена [4].Као што је приказано на слици испод, графен који се узгаја на бакарној фолији се прво везује са термо траком за скидање (плави провидни део), затим се бакарна фолија раствара хемијском методом, а на крају се графен загревањем преноси на ПЕТ филм. .
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 инфрацрвене.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 рупа).Генерисање и транспорт носача у графену се веома разликују од оних у традиционалним полупроводницима.Ово чини графен веома погодним за ултрабрзу фотоелектричну индукциону опрему.Процењује се да таква фотоелектрична индукциона опрема може да ради на фреквенцији од 500 ГХз.Ако се користи за пренос сигнала, може да пренесе 500 милијарди нула или јединица у секунди и да заврши пренос садржаја два Блу раи диска у једној секунди.
Стручњаци из истраживачког центра ИБМ Тхомас Ј. Ватсон у Сједињеним Државама користили су графен за производњу фотоелектричних индукционих уређаја који могу да раде на фреквенцији од 10 ГХз [8].Најпре су графенске пахуљице припремљене на силицијумској подлози прекривеној силицијум диоксидом дебљине 300 нм „методом кидања траке“, а затим су на њој направљене електроде од злата од паладијума или титанијума у интервалу од 1 микрона и ширине 250 нм.На овај начин се добија фотоелектрични индукциони уређај на бази графена.
Шематски дијаграм опреме за фотоелектричну индукцију графена и фотографија стварних узорака скенирајућим електронским микроскопом (СЕМ).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 графенском структуром може да достигне радну фреквенцију од највише 16 ГХз и да може да ради великом брзином у опсегу таласних дужина од 300 нм (близу ултраљубичастог) до 6 микрона (инфрацрвено), док традиционална фотоелектрична индукциона цев не може да реагује на инфрацрвено светло веће таласне дужине.Радна фреквенција графенске фотоелектричне индукционе опреме и даље има велики простор за побољшање.Његове супериорне перформансе чине га широким спектром могућности 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 би у свакодневном животу могле постојати цеви са ефектом поља од графена, молекуларни прекидачи од графена и молекуларни детектори од графена у свакодневном животу... Графен који постепено излази из лабораторије засијаће 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 нетбоокови могли смотати, причврстити на уши, стрпати у џепове или умотати око зглобова када их не користимо!
Време поста: мар-09-2022