In 2010 het Geim en Novoselov die Nobelprys vir fisika gewen vir hul werk oor grafeen. Hierdie toekenning het 'n diep indruk op baie mense gelaat. Nie elke eksperimentele instrument van die Nobelprys is immers so algemeen soos kleefband nie, en nie elke navorsingsvoorwerp is so magies en maklik verstaanbaar soos "tweedimensionele kristal"-grafeen nie. Die werk in 2004 kan in 2010 toegeken word, wat skaars is in die rekord van die Nobelprys in onlangse jare.
Grafeen is 'n soort stof wat bestaan uit 'n enkele laag koolstofatome wat dig gerangskik is in 'n tweedimensionele heuningkoek-seshoekige rooster. Soos diamant, grafiet, fullereen, koolstofnanobuise en amorfe koolstof, is dit 'n stof (eenvoudige stof) wat uit koolstofelemente bestaan. Soos in die figuur hieronder getoon, kan fullereene en koolstofnanobuise gesien word as opgerol op een of ander manier uit 'n enkele laag grafeen, wat deur baie lae grafeen gestapel is. Die teoretiese navorsing oor die gebruik van grafeen om die eienskappe van verskeie eenvoudige koolstofstowwe (grafiet, koolstofnanobuise en grafeen) te beskryf, duur al byna 60 jaar, maar daar word algemeen geglo dat sulke tweedimensionele materiale moeilik is om stabiel alleen te bestaan, slegs geheg aan die driedimensionele substraatoppervlak of binne stowwe soos grafiet. Eers in 2004 het Andre Geim en sy student Konstantin Novoselov 'n enkele laag grafeen deur eksperimente van grafiet gestroop dat die navorsing oor grafeen nuwe ontwikkeling bereik het.
Beide fullereen (links) en koolstofnanobuis (middel) kan beskou word asof dit op een of ander manier deur 'n enkele laag grafeen opgerol word, terwyl grafiet (regs) deur verskeie lae grafeen gestapel word deur die verbinding van van der Waals-krag.
Deesdae kan grafeen op baie maniere verkry word, en verskillende metodes het hul eie voor- en nadele. Geim en Novoselov het grafeen op 'n eenvoudige manier verkry. Deur gebruik te maak van deursigtige kleefband wat in supermarkte beskikbaar is, het hulle grafeen, 'n grafietvel met slegs een laag koolstofatome dik, van 'n stuk hoë-orde pirolitiese grafiet gestroop. Dit is gerieflik, maar die beheerbaarheid is nie so goed nie, en grafeen met 'n grootte van minder as 100 mikron (een tiende van 'n millimeter) kan slegs verkry word, wat vir eksperimente gebruik kan word, maar dit is moeilik om vir praktiese toepassings te gebruik. Chemiese dampafsetting kan grafeenmonsters met die grootte van tiene sentimeters op die metaaloppervlak laat groei. Alhoewel die area met konsekwente oriëntasie slegs 100 mikron is [3,4], is dit geskik vir die produksiebehoeftes van sommige toepassings. Nog 'n algemene metode is om die silikonkarbied (SIC) kristal tot meer as 1100 ℃ in vakuum te verhit, sodat die silikonatome naby die oppervlak verdamp, en die oorblywende koolstofatome herrangskik word, wat ook grafeenmonsters met goeie eienskappe kan verkry.
Grafeen is 'n nuwe materiaal met unieke eienskappe: die elektriese geleidingsvermoë daarvan is so uitstekend soos koper, en die termiese geleidingsvermoë daarvan is beter as enige bekende materiaal. Dit is baie deursigtig. Slegs 'n klein deel (2.3%) van die vertikale invallende sigbare lig sal deur grafeen geabsorbeer word, en die meeste van die lig sal deurgaan. Dit is so dig dat selfs heliumatome (die kleinste gasmolekules) nie kan deurgaan nie. Hierdie magiese eienskappe word nie direk van grafiet geërf nie, maar van kwantummeganika. Die unieke elektriese en optiese eienskappe daarvan bepaal dat dit breë toepassingsvooruitsigte het.
Alhoewel grafeen eers vir minder as tien jaar verskyn het, het dit baie tegniese toepassings getoon, wat baie skaars is in die velde van fisika en materiaalkunde. Dit neem meer as tien jaar of selfs dekades vir algemene materiale om van die laboratorium na die werklike lewe te beweeg. Wat is die nut van grafeen? Kom ons kyk na twee voorbeelde.
Sagte deursigtige elektrode
In baie elektriese toestelle moet deursigtige geleidende materiale as elektrodes gebruik word. Elektroniese horlosies, sakrekenaars, televisies, vloeibare kristalskerms, raakskerms, sonpanele en baie ander toestelle kan nie die bestaan van deursigtige elektrodes verlaat nie. Die tradisionele deursigtige elektrode gebruik indiumtinoksied (ITO). As gevolg van die hoë prys en beperkte voorraad indium, is die materiaal bros en het dit 'n gebrek aan buigsaamheid, en die elektrode moet in die middelste vakuumlaag neergelê word, en die koste is relatief hoog. Wetenskaplikes probeer al lank om 'n plaasvervanger daarvoor te vind. Benewens die vereistes van deursigtigheid, goeie geleidingsvermoë en maklike voorbereiding, as die buigsaamheid van die materiaal self goed is, sal dit geskik wees vir die maak van "elektroniese papier" of ander opvoubare skermtoestelle. Daarom is buigsaamheid ook 'n baie belangrike aspek. Grafeen is so 'n materiaal wat baie geskik is vir deursigtige elektrodes.
Navorsers van Samsung en die Chengjunguan Universiteit in Suid-Korea het grafeen met 'n diagonale lengte van 30 duim verkry deur chemiese dampafsetting en dit oorgedra na 'n 188 mikron dik poliëtileentereftalaat (PET) film om 'n grafeen-gebaseerde raakskerm te produseer [4]. Soos in die figuur hieronder getoon, word die grafeen wat op die koperfoelie gekweek is eers met die termiese stroopband (blou deursigtige deel) gebind, dan word die koperfoelie deur 'n chemiese metode opgelos, en uiteindelik word die grafeen deur verhitting na die PET-film oorgedra.
Nuwe fotoëlektriese induksietoerusting
Grafeen het baie unieke optiese eienskappe. Alhoewel daar slegs een laag atome is, kan dit 2.3% van die uitgestraalde lig in die hele golflengtebereik van sigbare lig tot infrarooi absorbeer. Hierdie getal het niks te doen met ander materiaalparameters van grafeen nie en word bepaal deur kwantumelektrodinamika [6]. Die geabsorbeerde lig sal lei tot die opwekking van draers (elektrone en gate). Die opwekking en vervoer van draers in grafeen verskil baie van dié in tradisionele halfgeleiers. Dit maak grafeen baie geskik vir ultrasnelle fotoëlektriese induksietoerusting. Daar word beraam dat sulke fotoëlektriese induksietoerusting teen die frekwensie van 500 GHz kan werk. As dit vir seinoordrag gebruik word, kan dit 500 miljard nulle of ene per sekonde oordra, en die oordrag van die inhoud van twee Blu-ray-skywe in een sekonde voltooi.
Kenners van die IBM Thomas J. Watson Navorsingsentrum in die Verenigde State het grafeen gebruik om fotoëlektriese induksietoestelle te vervaardig wat teen 'n frekwensie van 10 GHz kan werk [8]. Eerstens is grafeenvlokkies op 'n silikonsubstraat bedek met 300 nm dik silika voorberei deur middel van die "bandskeurmetode", en toe is palladiumgoud- of titaangoudelektrodes met 'n interval van 1 mikron en 'n breedte van 250 nm daarop gemaak. Op hierdie manier word 'n grafeen-gebaseerde fotoëlektriese induksietoestel verkry.
Skematiese diagram van grafeen fotoëlektriese induksietoerusting en skandeerelektronmikroskoop (SEM) foto's van werklike monsters. Die swart kort lyn in die figuur stem ooreen met 5 mikron, en die afstand tussen metaallyne is een mikron.
Deur middel van eksperimente het die navorsers bevind dat hierdie metaalgrafeen-metaalstruktuur fotoëlektriese induksietoestel die werkfrekwensie van hoogstens 16 GHz kan bereik, en teen hoë spoed in die golflengtebereik van 300 nm (naby ultraviolet) tot 6 mikron (infrarooi) kan werk, terwyl die tradisionele fotoëlektriese induksiebuis nie op infrarooilig met langer golflengtes kan reageer nie. Die werkfrekwensie van grafeen fotoëlektriese induksietoerusting het steeds groot ruimte vir verbetering. Die superieure werkverrigting daarvan maak dit 'n wye reeks toepassingsvooruitsigte, insluitend kommunikasie, afstandbeheer en omgewingsmonitering.
As 'n nuwe materiaal met unieke eienskappe, kom die navorsing oor die toepassing van grafeen een na die ander na vore. Dit is moeilik vir ons om hulle hier op te noem. In die toekoms mag daar veldeffekbuise van grafeen, molekulêre skakelaars van grafeen en molekulêre detektors van grafeen in die daaglikse lewe wees ... Grafeen wat geleidelik uit die laboratorium kom, sal in die daaglikse lewe skitter.
Ons kan verwag dat 'n groot aantal elektroniese produkte wat grafeen gebruik, in die nabye toekoms sal verskyn. Dink net hoe interessant dit sou wees as ons slimfone en netbooks opgerol, aan ons ore vasgeklem, in ons sakke gestop of om ons polse gedraai kan word wanneer dit nie gebruik word nie!
Plasingstyd: 9 Maart 2022