През 2010 г. Гейм и Новоселов спечелиха Нобеловата награда по физика за работата си по графен. Тази награда остави дълбоко впечатление на много хора. В крайна сметка, не всеки експериментален инструмент за Нобелова награда е толкова често срещан, колкото и лепилната лента, а не всеки изследователски обект е толкова вълшебен и лесен за разбиране, колкото „двуизмерен кристал“ графен. Работата през 2004 г. може да бъде присъдена през 2010 г., което е рядкост в записа на Нобелова награда през последните години.
Графенът е вид вещество, което се състои от един слой от въглеродни атоми, тясно подредени в двуизмерна шестоъгълна решетка на пчелна пита. Подобно на диамант, графит, фулерен, въглеродни нанотръби и аморфен въглерод, това е вещество (просто вещество), съставено от въглеродни елементи. Както е показано на фигурата по -долу, фулерени и въглеродни нанотръби могат да се разглеждат като навити по някакъв начин от един слой графен, който е подреден от много слоеве графен. Теоретичните изследвания за използването на графен за описание на свойствата на различни въглеродни прости вещества (графит, въглеродни нанотръби и графен) са продължили близо 60 години, но обикновено се смята, че такива двуизмерни материали са трудни за стабилно съществуване сами, само прикрепена към триизмерната повърхност на субстрата или вътрешни вещества като графит. Едва през 2004 г. Андре Геим и неговият студент Константин Новоселов съблечиха един слой графен от графит чрез експерименти, изследването на графена постигна ново развитие.
Както фулерен (вляво), така и въглеродни нанотръби (средни) могат да се разглеждат като навити от един слой графен по някакъв начин, докато графитът (вдясно) е подреден от множество слоеве графен чрез свързване на силата на ван дер Ваалс.
В днешно време графенът може да се получи по много начини, а различните методи имат свои предимства и недостатъци. Гейм и Новоселов получиха графен по прост начин. Използвайки прозрачна лента, налична в супермаркетите, те омаловажиха графен, графитен лист със само един слой въглеродни атоми, от парче пиролитичен графит от висок ред. Това е удобно, но контролируемостта не е толкова добра и може да се получи графен с размер под 100 микрона (една десета от милиметър), който може да се използва за експерименти, но е трудно да се използва за практически приложения. Химическото отлагане на пари може да отглежда графенови проби с размера на десетките сантиметри върху металната повърхност. Въпреки че площта с постоянна ориентация е само 100 микрона [3,4], тя е подходяща за производствените нужди на някои приложения. Друг често срещан метод е да се нагрява кристал на силициевия карбид (SIC) до повече от 1100 ℃ във вакуум, така че силициевите атоми в близост до повърхността се изпаряват, а останалите въглеродни атоми се пренареждат, което също може да получи графен проби с добри свойства.
Графенът е нов материал с уникални свойства: електрическата му проводимост е толкова отлична, колкото медта, а топлинната му проводимост е по -добра от всеки известен материал. Той е много прозрачен. Само малка част (2,3%) от вертикалната инцидентска видима светлина ще бъде погълната от графен и по -голямата част от светлината ще премине. Толкова е плътно, че дори хелиеви атоми (най -малките газови молекули) не могат да преминат. Тези магически свойства не се наследяват пряко от графита, а от квантовата механика. Уникалните му електрически и оптични свойства определят, че има широки перспективи за приложение.
Въпреки че графенът се появява само за по -малко от десет години, той показва много технически приложения, което е много рядко в областта на физиката и материалите. Отнема повече от десет години или дори десетилетия, за да се преместят от общите материали от лаборатория към реалния живот. Каква е ползата от графен? Нека разгледаме два примера.
Мек прозрачен електрод
В много електрически уреди трябва да се използват прозрачни проводими материали като електроди. Електронни часовници, калкулатори, телевизори, течни кристални дисплеи, сензорни екрани, слънчеви панели и много други устройства не могат да оставят съществуването на прозрачни електроди. Традиционният прозрачен електрод използва индиев калаен оксид (ITO). Поради високата цена и ограниченото предлагане на индий, материалът е крехък и липса на гъвкавост, а електродът трябва да бъде депозиран в средния слой вакуум, а цената е сравнително висока. Дълго време учените се опитват да намерят своя заместител. В допълнение към изискванията за прозрачност, добрата проводимост и лесната подготовка, ако гъвкавостта на самия материал е добра, тя ще бъде подходяща за приготвяне на „електронна хартия“ или други сгъваеми дисплейни устройства. Следователно гъвкавостта също е много важен аспект. Графенът е такъв материал, който е много подходящ за прозрачни електроди.
Изследователи от университета Samsung и Chengjunguan в Южна Корея получиха графен с диагонална дължина от 30 инча чрез отлагане на химически пари и го прехвърлиха в филм от полиетилен с дебелина 188 микрона, за да произведат сензорен екран на базата на графен [4]. Както е показано на фигурата по -долу, графенът, отглеждан върху медното фолио, първо се свързва с термичната лента за отстраняване (синя прозрачна част), след това медното фолио се разтваря по химичен метод и накрая графенът се прехвърля в PET филма чрез нагряване .
Ново фотоелектрично индукционно оборудване
Графенът има много уникални оптични свойства. Въпреки че има само един слой атоми, той може да абсорбира 2,3% от излъчената светлина в цялата дължина на вълната от видима светлина до инфрачервена. Това число няма нищо общо с други параметри на материал на графена и се определя от квантовата електродинамика [6]. Поглъщаната светлина ще доведе до генериране на носители (електрони и дупки). Поколението и транспортирането на превозвачи в графен са много различни от тези в традиционните полупроводници. Това прави графена много подходящ за ултрабърза фотоелектрично индукционно оборудване. Изчислено е, че такова фотоелектрично индукционно оборудване може да работи с честота 500GHz. Ако се използва за предаване на сигнал, той може да предава 500 милиарда нули или такива в секунда и да завърши предаването на съдържанието на два Blu Ray диска за една секунда.
Експерти от изследователския център на IBM Thomas J. Watson в Съединените щати са използвали графен за производство на фотоелектрични индукционни устройства, които могат да работят с 10GHz честота [8]. Първо, графеновите люспи се приготвят върху силициев субстрат, покрит с силициев диоксид с дебелина 300 nm чрез „метод за разкъсване на лентата“, а след това на паладий злато или титаниево златни електроди с интервал от 1 микрон и ширина 250 nm бяха направени върху него. По този начин се получава устройство за фотоелектрично индукция на базата на графен.
Схематична схема на графеново фотоелектрично индукционно оборудване и сканиране на електронни микроскоп (SEM) снимки на действителни проби. Черната къса линия на фигурата съответства на 5 микрона, а разстоянието между металните линии е един микрон.
Чрез експерименти изследователите установяват, че тази метална метална структура на графеновите метални индукционни устройства може да достигне най -много работна честота от 16GHz и може да работи с висока скорост в диапазона на дължината на вълната от 300 nm (близо до ултравиолетово) до 6 микрона (инфрачервен), докато докато Традиционната фотоелектрична индукционна тръба не може да реагира на инфрачервена светлина с по -голяма дължина на вълната. Работната честота на графеновото фотоелектрично индукционно оборудване все още има чудесно място за подобрение. Неговата превъзходна ефективност го прави широк спектър от перспективи за приложение, включително комуникация, дистанционно управление и мониторинг на околната среда.
Като нов материал с уникални свойства, изследването на прилагането на графен се появява един след друг. Трудно ни е да ги изброим тук. В бъдеще може да има епруветки с ефект, изработени от графен, молекулярни превключватели, изработени от графен и молекулярни детектори, изработени от графен в ежедневието ... Графен, който постепенно излиза от лабораторията, ще блести в ежедневието.
Можем да очакваме, че голям брой електронни продукти, използващи графен, ще се появят в близко бъдеще. Помислете колко интересно би било, ако нашите смартфони и нетбуци могат да бъдат навити, притиснати към ушите ни, пълнени в джобовете ни или увита около китките ни, когато не се използват!
Време за публикация: Mar-09-2022