የግራፊን አጠቃቀም ምንድነው? ሁለት የአተገባበር ጉዳዮች የግራፊንን የአጠቃቀም ተስፋ ለመረዳት ያስችሉዎታል።

እ.ኤ.አ. በ2010 ጌይም እና ኖቮሴሎቭ በግራፊን ላይ ባደረጉት ስራ የፊዚክስ የኖቤል ሽልማትን አሸንፈዋል። ይህ ሽልማት በብዙ ሰዎች ላይ ጥልቅ ስሜት ጥሏል። ከሁሉም በላይ፣ እያንዳንዱ የኖቤል ሽልማት የሙከራ መሳሪያ እንደ ማጣበቂያ ቴፕ የተለመደ አይደለም፣ እና እያንዳንዱ የምርምር ነገር እንደ “ባለ ሁለት ገጽታ ክሪስታል” ግራፊን አስማታዊ እና ለመረዳት ቀላል አይደለም። እ.ኤ.አ. በ2004 የተከናወነው ስራ በ2010 ሊሸለም ይችላል፣ ይህም በቅርብ ዓመታት ውስጥ በኖቤል ሽልማት መዝገብ ውስጥ ብርቅ ነው።

ግራፊን በሁለት-ልኬት ማር ውስጥ በቅርበት የተደረደሩ አንድ የካርቦን አቶሞች ንብርብር የያዘ ንጥረ ነገር ነው። እንደ አልማዝ፣ ግራፋይት፣ ፉለሪን፣ የካርቦን ናኖቱቦች እና አሞርፎስ ካርቦን፣ የካርቦን ንጥረ ነገሮችን ያቀፈ ንጥረ ነገር (ቀላል ንጥረ ነገር) ነው። ከታች ባለው ስእል ላይ እንደሚታየው፣ ፉለሬንስ እና የካርቦን ናኖቱቦች ከአንድ የግራፊን ንብርብር በሆነ መንገድ ተጠቅልለው ሊታዩ ይችላሉ፣ ይህም በብዙ የግራፊን ንብርብሮች የተደረደረ ነው። የተለያዩ የካርቦን ቀላል ንጥረ ነገሮችን (ግራፋይት፣ የካርቦን ናኖቱቦች እና የግራፊን) ባህሪያትን ለመግለጽ የግራፊን አጠቃቀምን በተመለከተ የተደረገው የንድፈ ሀሳብ ጥናት ለ60 ዓመታት ያህል ቆይቷል፣ ነገር ግን በአጠቃላይ እንደዚህ ያሉ ባለ ሁለት-ልኬት ቁሳቁሶች ብቻቸውን ለመኖር አስቸጋሪ ናቸው ተብሎ ይታመናል፣ ከሶስት-ልኬት ንጣፍ ወለል ወይም እንደ ግራፋይት ካሉ ውስጣዊ ንጥረ ነገሮች ጋር ብቻ የተያያዙ ናቸው። አንድሬ ጌይም እና ተማሪው ኮንስታንቲን ኖቮሴሎቭ በሙከራዎች አንድ የግራፋይት ንብርብር ከግራፋይት የገለበጡት በ2004 ዓ.ም.

ፉሌሪን (ግራ) እና ካርቦን ናኖቱብ (መሃል) በአንድ የግራፊን ንብርብር በአንድ መንገድ እንደሚጠቀለሉ ሊቆጠሩ ይችላሉ፣ ግራፋይት (ቀኝ) ደግሞ በቫን ደር ዋልስ ኃይል ግንኙነት በኩል በበርካታ የግራፊን ንብርብሮች ይደረደራል።

በአሁኑ ጊዜ ግራፊን በብዙ መንገዶች ማግኘት ይቻላል፣ እና የተለያዩ ዘዴዎች የራሳቸው ጥቅሞች እና ጉዳቶች አሏቸው። ጌይም እና ኖቮሴሎቭ ግራፊንን በቀላል መንገድ አገኙ። በሱፐርማርኬቶች ውስጥ የሚገኘውን ግልጽ ቴፕ በመጠቀም፣ ከፍተኛ ደረጃ ካለው ፒሮሊቲክ ግራፋይት ቁራጭ አንድ የካርቦን አቶሞች ውፍረት ያለው የግራፋይት ወረቀት ግራፊን ገፈፉ። ይህ ምቹ ነው፣ ነገር ግን የቁጥጥር አቅሙ ያን ያህል ጥሩ አይደለም፣ እና ከ100 ማይክሮን (አንድ አስረኛ ሚሊሜትር) ያነሰ መጠን ያለው ግራፊን ማግኘት የሚቻለው ለሙከራዎች ብቻ ነው፣ ነገር ግን ለተግባራዊ አፕሊኬሽኖች ጥቅም ላይ መዋል ከባድ ነው። የኬሚካል ትነት ክምችት በብረት ወለል ላይ በአስር ሴንቲሜትር መጠን ያላቸውን የግራፊን ናሙናዎች ሊያሳድግ ይችላል። ወጥ የሆነ አቅጣጫ ያለው ቦታ 100 ማይክሮን ብቻ ቢሆንም [3,4]፣ ለአንዳንድ አፕሊኬሽኖች የምርት ፍላጎቶች ተስማሚ ሆኗል። ሌላው የተለመደ ዘዴ የሲሊኮን ካርቦይድ (SIC) ክሪስታልን በቫክዩም ውስጥ ከ 1100 ℃ በላይ ማሞቅ ነው፣ ስለዚህም በመሬቱ አቅራቢያ ያሉት የሲሊኮን አቶሞች እንዲተን፣ እና የተቀሩት የካርቦን አቶሞች እንደገና እንዲደራጁ ማድረግ ነው፣ ይህም ጥሩ ባህሪያት ያላቸውን የግራፊን ናሙናዎችን ማግኘት ይችላል።

ግራፊን ልዩ ባህሪያት ያሉት አዲስ ቁሳቁስ ነው፡ የኤሌክትሪክ ምህዳሩ እንደ መዳብ እጅግ በጣም ጥሩ ነው፣ እና የሙቀት ምህዳሩ ከማንኛውም የሚታወቅ ቁሳቁስ የተሻለ ነው። በጣም ግልጽ ነው። ከቀጥታ ክስተት የሚታየው ብርሃን ውስጥ ትንሽ ክፍል (2.3%) ብቻ በግራፊን ይዋጣል፣ እና አብዛኛው ብርሃን ያልፋል። በጣም ጥቅጥቅ ያለ ከመሆኑ የተነሳ የሂሊየም አቶሞች (ትንንሽ የጋዝ ሞለኪውሎች) እንኳን ማለፍ አይችሉም። እነዚህ አስማታዊ ባህሪያት በቀጥታ ከግራፋይት የተወረሱ አይደሉም፣ ነገር ግን ከኳንተም ሜካኒክስ። ልዩ የኤሌክትሪክ እና የኦፕቲካል ባህሪያቱ ሰፊ የአጠቃቀም ተስፋ እንዳላቸው ይወስናሉ።

ምንም እንኳን ግራፊን ከአስር ዓመታት ባነሰ ጊዜ ውስጥ ቢታይም፣ በፊዚክስ እና በቁሳቁስ ሳይንስ ዘርፎች በጣም አልፎ አልፎ የሚታይ ብዙ ቴክኒካዊ አፕሊኬሽኖችን አሳይቷል። አጠቃላይ ቁሳቁሶች ከላቦራቶሪ ወደ እውነተኛ ህይወት ለመሸጋገር ከአስር ዓመታት ወይም አስርት ዓመታት በላይ ይፈጃሉ። የግራፊን አጠቃቀም ምንድነው? ሁለት ምሳሌዎችን እንመልከት።

ለስላሳ ግልጽ ኤሌክትሮድ
በብዙ የኤሌክትሪክ ዕቃዎች ውስጥ፣ ግልጽ የሆኑ አስተላላፊ ቁሳቁሶች እንደ ኤሌክትሮዶች ጥቅም ላይ መዋል አለባቸው። የኤሌክትሮኒክስ ሰዓቶች፣ ካልኩሌተሮች፣ ቴሌቪዥኖች፣ ፈሳሽ ክሪስታል ማሳያዎች፣ የንክኪ ስክሪኖች፣ የፀሐይ ፓነሎች እና ሌሎች ብዙ መሳሪያዎች ግልጽ ያልሆኑ ኤሌክትሮዶችን መኖር መተው አይችሉም። ባህላዊው ግልጽ ኤሌክትሮድ የኢንዲየም ቲን ኦክሳይድ (ITO) ይጠቀማል። በከፍተኛ ዋጋ እና ውስን የኢንዲየም አቅርቦት ምክንያት ቁሱ ተሰባሪ እና ተለዋዋጭነት የጎደለው ነው፣ እና ኤሌክትሮዱ በቫክዩም መካከለኛ ንብርብር ውስጥ መቀመጥ አለበት፣ እና ዋጋው በአንጻራዊነት ከፍተኛ ነው። ለረጅም ጊዜ ሳይንቲስቶች ምትክ ለማግኘት ሲሞክሩ ቆይተዋል። ግልጽነት፣ ጥሩ ኮንዳክሽን እና ቀላል ዝግጅት መስፈርቶች በተጨማሪ፣ የቁሱ ተለዋዋጭነት ጥሩ ከሆነ፣ “ኤሌክትሮኒክ ወረቀት” ወይም ሌሎች የሚታጠፉ የማሳያ መሳሪያዎችን ለመስራት ተስማሚ ይሆናል። ስለዚህ፣ ተለዋዋጭነትም በጣም አስፈላጊ ገጽታ ነው። ግራፊን እንዲህ ያለ ቁሳቁስ ነው፣ ይህም ለግልጽ ኤሌክትሮዶች በጣም ተስማሚ ነው።

ከሳምሰንግ እና በደቡብ ኮሪያ የሚገኘው የቼንግጁንጓን ዩኒቨርሲቲ ተመራማሪዎች በኬሚካል ትነት ክምችት 30 ኢንች ሰያፍ ርዝመት ያለው ግራፊን አግኝተው በግራፊን ላይ የተመሠረተ የንክኪ ስክሪን ለማምረት ወደ 188 ማይክሮን ውፍረት ያለው ፖሊ polyethylene terephthalate (PET) ፊልም አዛውረውታል [4]። ከታች ባለው ምስል ላይ እንደሚታየው፣ በመዳብ ፎይል ላይ የሚበቅለው ግራፊን በመጀመሪያ ከሙቀት መግረጫ ቴፕ (ሰማያዊ ግልጽ ክፍል) ጋር ይያያዛል፣ ከዚያም የመዳብ ፎይል በኬሚካል ዘዴ ይሟሟል፣ እና በመጨረሻም ግራፊን በማሞቅ ወደ PET ፊልም ይተላለፋል።

አዲስ የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያዎች
ግራፊን በጣም ልዩ የሆነ የኦፕቲካል ባህሪያት አሉት። ምንም እንኳን አንድ የአቶሞች ንብርብር ብቻ ቢኖርም፣ ከሚታየው ብርሃን እስከ ኢንፍራሬድ ባለው የሞገድ ርዝመት ውስጥ 2.3% የሚሆነውን የሚወጣውን ብርሃን በሙሉ ሊስብ ይችላል። ይህ ቁጥር ከሌሎች የግራፊን ቁስ መለኪያዎች ጋር ምንም ግንኙነት የለውም እና በኳንተም ኤሌክትሮዳይናሚክስ [6] ይወሰናል። የሚወሰደው ብርሃን ተሸካሚዎችን (ኤሌክትሮኖችን እና ቀዳዳዎችን) ወደ ትውልድ ይመራል። በግራፊን ውስጥ ተሸካሚዎች ማመንጨት እና ማጓጓዝ ከባህላዊ ሴሚኮንዳክተሮች በጣም የተለየ ነው። ይህም ግራፊንን ለከፍተኛ ፍጥነት የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያዎች በጣም ተስማሚ ያደርገዋል። እንደዚህ ያሉ የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያዎች በ500 ጊኸ ድግግሞሽ ሊሰሩ እንደሚችሉ ይገመታል። ለሲግናል ማስተላለፊያ ጥቅም ላይ የሚውል ከሆነ በሰከንድ 500 ቢሊዮን ዜሮዎችን ወይም አንድዎችን ማስተላለፍ እና በአንድ ሰከንድ ውስጥ የሁለት ብሉ ሬይ ዲስኮችን ይዘቶች ማስተላለፍን ማጠናቀቅ ይችላል።

በዩናይትድ ስቴትስ የሚገኘው የIBM ቶማስ ጄ. ዋትሰን የምርምር ማዕከል ባለሙያዎች በ10GHz ድግግሞሽ የሚሰሩ የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያዎችን ለማምረት ግራፊን ተጠቅመዋል [8]። በመጀመሪያ፣ የግራፊን ፍሌክስ በ300 nm ውፍረት ባለው ሲሊካ በተሸፈነ የሲሊኮን ንጣፍ ላይ በ"ቴፕ ትሪንግ ዘዴ" ተዘጋጅተዋል፣ ከዚያም 1 ማይክሮን እና 250 nm ስፋት ያላቸው የፓላዲየም ወርቅ ወይም የቲታኒየም ወርቅ ኤሌክትሮዶች በላዩ ላይ ተሠርተዋል። በዚህ መንገድ፣ በግራፊን ላይ የተመሠረተ የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያ ይገኛል።

የግራፊን ፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያዎች እና የእውነተኛ ናሙናዎች የስካኒንግ ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፕ (SEM) ፎቶዎች ስዕላዊ ንድፍ። በስዕሉ ላይ ያለው ጥቁር አጭር መስመር ከ5 ማይክሮን ጋር ይዛመዳል፣ እና በብረት መስመሮች መካከል ያለው ርቀት አንድ ማይክሮን ነው።

በሙከራዎች፣ ተመራማሪዎቹ ይህ የብረት ግራፊን የብረት መዋቅር የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያ ቢበዛ 16 ጊኸዝ የስራ ድግግሞሽ ላይ ሊደርስ እንደሚችል እና ከ300 nm (በአልትራቫዮሌት አቅራቢያ) እስከ 6 ማይክሮን (ኢንፍራሬድ) ባለው የሞገድ ርዝመት በከፍተኛ ፍጥነት ሊሰራ እንደሚችል ደርሰውበታል፣ ባህላዊው የፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን ቱቦ ደግሞ ረዘም ላለ የሞገድ ርዝመት ላለው የኢንፍራሬድ ብርሃን ምላሽ መስጠት አይችልም። የግራፊን ፎቶኤሌክትሪክ ኢንዳክሽን መሳሪያዎች የስራ ድግግሞሽ አሁንም ለማሻሻል ትልቅ ቦታ አለው። የላቀ አፈፃፀሙ የመገናኛ፣ የርቀት መቆጣጠሪያ እና የአካባቢ ክትትልን ጨምሮ ሰፊ የአጠቃቀም ተስፋዎች እንዲኖሩት ያደርጋል።

እንደ አዲስ ቁሳቁስ፣ ልዩ ባህሪያት ያሉት የግራፊን አተገባበር ላይ የተደረገው ጥናት አንድ በአንድ እየወጣ ነው። እዚህ መዘርዘር ለእኛ ከባድ ነው። ወደፊት፣ በዕለት ተዕለት ሕይወት ውስጥ ከግራፊን፣ ከግራፊን የተሠሩ ሞለኪውላዊ ማብሪያ እና ከግራፊን የተሠሩ ሞለኪውላዊ ማወቂያዎች የተሠሩ የመስክ ተፅዕኖ ቱቦዎች ሊኖሩ ይችላሉ… ቀስ በቀስ ከላቦራቶሪ የሚወጣው ግራፊን በዕለት ተዕለት ሕይወት ውስጥ ያበራል።

በቅርብ ጊዜ ውስጥ ግራፊን የሚጠቀሙ በርካታ የኤሌክትሮኒክስ ምርቶች እንደሚታዩ መጠበቅ እንችላለን። ስማርት ፎኖቻችንና ኔትቡኮቻችን ተጠቅልለው፣ ጆሮዎቻችን ላይ ተጭነው፣ ኪሳችን ውስጥ ተጭነው ወይም ጥቅም ላይ በማይውሉበት ጊዜ በእጅ አንጓዎቻችን ላይ ተጭነው ቢታዩ ምን ያህል አስደሳች እንደሚሆን አስቡት!