През 2010 г. Гейм и Новоселов спечелиха Нобелова награда по физика за работата си върху графена.Тази награда остави дълбоко впечатление у много хора.В края на краищата, не всеки експериментален инструмент с Нобелова награда е толкова често срещан като самозалепващата се лента и не всеки изследователски обект е толкова магически и лесен за разбиране като „двуизмерния кристален“ графен.Работата през 2004 г. може да бъде присъдена през 2010 г., което е рядкост в списъка с Нобелови награди през последните години.
Графенът е вид вещество, което се състои от един слой въглеродни атоми, плътно подредени в двуизмерна шестоъгълна решетка от 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, фулерените и въглеродните нанотръби могат да се видят като навити по някакъв начин от един слой графен, който е подреден от много слоеве графен.Теоретичните изследвания върху използването на графен за описание на свойствата на различни въглеродни прости вещества (графит, въглеродни нанотръби и графен) продължават близо 60 години, но обикновено се смята, че такива двуизмерни материали трудно могат да съществуват стабилно сами, само прикрепени към триизмерната повърхност на субстрата или вътре в вещества като графит.Едва през 2004 г. Андре Гейм и неговият ученик Константин Новоселов свалиха един слой графен от графит чрез експерименти, при които изследванията върху графена постигнаха ново развитие.
И фулеренът (вляво), и въглеродната нанотръба (в средата) могат да се разглеждат като навити от един слой графен по някакъв начин, докато графитът (вдясно) е подреден от множество слоеве графен чрез връзката на силата на Ван дер Ваалс.
В днешно време графенът може да се получи по много начини и различните методи имат своите предимства и недостатъци.Гейм и Новоселов получиха графен по прост начин.Използвайки прозрачна лента, налична в супермаркетите, те отстраниха графена, графитен лист с дебелина само един слой въглеродни атоми, от парче пиролитичен графит от висок клас.Това е удобно, но контролируемостта не е толкова добра и може да се получи само графен с размер под 100 микрона (една десета от милиметъра), който може да се използва за експерименти, но е трудно да се използва за практически приложения.Химичното отлагане на пари може да отгледа образци от графен с размер десетки сантиметри върху металната повърхност.Въпреки че зоната с постоянна ориентация е само 100 микрона [3,4], тя е подходяща за производствените нужди на някои приложения.Друг често срещан метод е кристалът на силициевия карбид (SIC) да се нагрее до повече от 1100 ℃ във вакуум, така че силициевите атоми близо до повърхността да се изпарят и останалите въглеродни атоми да се пренаредят, което също може да получи образци от графен с добри свойства.
Графенът е нов материал с уникални свойства: неговата електропроводимост е отлична като медта, а топлопроводимостта му е по-добра от всеки познат материал.Много е прозрачен.Само малка част (2,3%) от вертикалната падаща видима светлина ще бъде абсорбирана от графен и по-голямата част от светлината ще премине.Той е толкова плътен, че дори атомите на хелия (най-малките газови молекули) не могат да преминат през него.Тези магически свойства не са пряко наследени от графита, а от квантовата механика.Неговите уникални електрически и оптични свойства определят, че има широки перспективи за приложение.
Въпреки че графенът се появи само преди по-малко от десет години, той показа много технически приложения, което е много рядко в областта на физиката и материалознанието.Необходими са повече от десет години или дори десетилетия, докато общите материали преминат от лабораторни 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, дисплеи с течни кристали, сензорни екрани, соларни панели и много други устройства не могат да напуснат съществуването на прозрачни електроди.Традиционният прозрачен електрод използва индий-калаен оксид (ITO).Поради високата цена и ограниченото предлагане на индий, материалът е крехък и липса на гъвкавост, и електродът трябва да се отложи в средния слой на вакуума, а цената е сравнително висока.Дълго време учените се опитват да намерят негов заместител.В допълнение към изискванията за прозрачност, добра проводимост и лесна подготовка, ако гъвкавостта на самия материал е добра, той ще бъде подходящ за изработка на „електронна хартия“ или други сгъваеми устройства за показване.Следователно гъвкавостта също е много важен аспект.Графенът е такъв материал, който е много подходящ за прозрачни електроди.
Изследователи от Samsung и университета Chengjunguan в Южна Корея получиха графен с дължина на диагонала 30 инча чрез химическо отлагане на пари и го прехвърлиха върху филм от полиетилен терефталат (PET) с дебелина 188 микрона, за да произведат базиран на графен сензорен екран [4].Както е показано на фигурата по-долу, графенът, отгледан върху медното фолио, първо се свързва с термичната лента за отстраняване (синя прозрачна част), след това медното фолио се разтваря чрез химичен метод и накрая графенът се прехвърля върху PET филма чрез нагряване .
Ново фотоелектрическо индукционно оборудване
Графенът има много уникални оптични свойства.Въпреки че има само един слой от атоми, той може да абсорбира 2,3% от излъчената светлина в целия диапазон на дължината на вълната от видимата светлина до инфрачервената.Това число няма нищо общо с другите материални параметри на графена и се определя от квантовата електродинамика [6].Погълнатата светлина ще доведе до генериране на носители (електрони и дупки).Генерирането и транспортирането на носители в графена са много различни от тези в традиционните полупроводници.Това прави графена много подходящ за ултрабързо фотоелектрическо индукционно оборудване.Изчислено е, че такова фотоелектрическо индукционно оборудване може да работи при честота от 500 GHz.Ако се използва за предаване на сигнал, той може да предава 500 милиарда нули или единици в секунда и да завърши предаването на съдържанието на два Blu-ray диска за една секунда.
Експерти от IBM Thomas J. Watson Research Center в Съединените щати са използвали графен за производството на фотоелектрични индукционни устройства, които могат да работят на честота 10GHz [8].Първо се приготвят графенови люспи върху силиконов субстрат, покрит със силициев диоксид с дебелина 300 nm, чрез „метод на разкъсване на лентата“, а след това върху него се правят електроди от паладиево злато или титаниево злато с интервал от 1 микрон и ширина 250 nm.По този начин се получава фотоелектрическо индукционно устройство на базата на графен.
Схематична диаграма на графеново фотоелектрическо индукционно оборудване и снимки от сканиращ електронен микроскоп (SEM) на действителни проби.Черната къса линия на фигурата съответства на 5 микрона, а разстоянието между металните линии е един микрон.
Чрез експерименти изследователите установиха, че това фотоелектрическо индукционно устройство с метална графенова метална структура може да достигне работна честота от най-много 16ghz и може да работи с висока скорост в диапазона на дължината на вълната от 300 nm (близо до ултравиолетовото) до 6 микрона (инфрачервено), докато традиционната фотоелектрическа индукционна тръба не може да реагира на инфрачервена светлина с по-голяма дължина на вълната.Работната честота на оборудването за фотоелектрическа индукция с графен все още има голямо място за подобрение.Неговата превъзходна производителност го прави широк спектър от перспективи за приложение, включително комуникация, дистанционно управление и мониторинг на околната среда.
Като нов материал с уникални свойства, изследванията за приложението на графена се появяват едно след друго.Тук ни е трудно да ги изброим.В бъдеще в ежедневието може да има тръби с полеви ефекти, направени от графен, молекулярни превключватели, направени от графен, и молекулярни детектори, направени от графен... Графенът, който постепенно излиза от лабораторията, ще блесне в ежедневието.
Можем да очакваме, че в близко бъдеще ще се появят голям брой електронни продукти, използващи графен.Помислете колко интересно би било, ако нашите смартфони и нетбуци можеха да се навиват, да се захващат за ушите ни, да се пъхат в джобовете ни или да се увиват около китките ни, когато не ги използваме!
Време на публикуване: 9 март 2022 г