У 2010 годзе Гейм і Навасёлаў атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы за сваю працу па графене. Гэтая ўзнагарода пакінула глыбокае ўражанне на многіх людзей. У рэшце рэшт, не кожны эксперыментальны інструмент, лаўрэат Нобелеўскай прэміі, такі распаўсюджаны, як клейкая стужка, і не кожны аб'ект даследавання такі ж чароўны і лёгкі для разумення, як «двухмерны крышталь» графена. Праца 2004 года можа быць узнагароджана ў 2010 годзе, што рэдкасць у гісторыі Нобелеўскіх лаўрэатаў апошніх гадоў.
Графен — гэта рэчыва, якое складаецца з аднаго пласта атамаў вугляроду, шчыльна размешчаных у двухмерную шасцігранную рашотку ў форме сотаў. Падобна алмазу, графіту, фулерэну, вугляродным нанатрубкам і аморфнаму вугляроду, гэта рэчыва (простае рэчыва), якое складаецца з вугляродных элементаў. Як паказана на малюнку ніжэй, фулерэны і вугляродныя нанатрубкі можна ўбачыць згорнутымі нейкім чынам з аднаго пласта графена, які ўкладваецца ў мноства пластоў графена. Тэарэтычныя даследаванні выкарыстання графена для апісання ўласцівасцей розных простых вугляродных рэчываў (графіту, вугляродных нанатрубак і графена) працягваюцца амаль 60 гадоў, але лічыцца, што такія двухмерныя матэрыялы цяжка стабільна існаваць асобна, яны могуць быць толькі прымацаванымі да трохмернай паверхні падкладкі або ўнутры такіх рэчываў, як графіт. Толькі ў 2004 годзе Андрэй Гейм і яго вучань Канстанцін Навасёлаў з дапамогай эксперыментаў выдалілі адзін пласт графена з графіту, што прывяло да новага развіцця даследаванняў графена.
І фулерэн (злева), і вугляродная нанатрубка (пасярэдзіне) можна разглядаць як згорнутыя адным пластом графена, у той час як графіт (справа) аб'яднаны некалькімі пластамі графена праз дзеянне сілы Ван-дэр-Ваальса.
У наш час графен можна атрымаць рознымі спосабамі, і розныя метады маюць свае перавагі і недахопы. Гейм і Навасёлаў атрымалі графен простым спосабам. Выкарыстоўваючы празрыстую стужку, якую можна набыць у супермаркетах, яны знялі графен — графітавы ліст таўшчынёй толькі ў адзін пласт атамаў вугляроду — з кавалка піралітычнага графіту высокага парадку. Гэта зручна, але кіравальнасць не вельмі добрая, і можна атрымаць графен памерам менш за 100 мікрон (адну дзясятую міліметра), які можна выкарыстоўваць для эксперыментаў, але яго цяжка выкарыстоўваць для практычнага прымянення. Хімічнае асаджэнне з паравой фазы дазваляе вырошчваць узоры графена памерам у дзясяткі сантыметраў на паверхні металу. Нягледзячы на тое, што плошча з паслядоўнай арыентацыяй складае ўсяго 100 мікрон [3,4], яно падыходзіць для вытворчых патрэб некаторых ужыванняў. Іншы распаўсюджаны метад — награванне крышталя карбіду крэмнію (SIC) да тэмпературы больш за 1100 ℃ у вакууме, каб атамы крэмнію паблізу паверхні выпараліся, а астатнія атамы вугляроду перабудаваліся, што таксама дазваляе атрымаць узоры графена з добрымі ўласцівасцямі.
Графен — гэта новы матэрыял з унікальнымі ўласцівасцямі: яго электраправоднасць такая ж выдатная, як у медзі, а цеплаправоднасць лепшая, чым у любога вядомага матэрыялу. Ён вельмі празрысты. Толькі невялікая частка (2,3%) вертыкальнага падаючага бачнага святла паглынаецца графенам, і большая частка святла праходзіць скрозь яго. Ён настолькі шчыльны, што нават атамы гелію (найменшыя малекулы газу) не могуць прайсці скрозь яго. Гэтыя чароўныя ўласцівасці не наўпрост успадкаваны ад графіту, а з квантавай механікі. Яго ўнікальныя электрычныя і аптычныя ўласцівасці вызначаюць яго шырокія перспектывы прымянення.
Нягледзячы на тое, што графен з'явіўся менш за дзесяць гадоў таму, ён ужо мае шмат тэхнічных ужыванняў, што вельмі рэдка сустракаецца ў фізіцы і матэрыялазнаўстве. Патрабуецца больш за дзесяць гадоў ці нават дзесяцігоддзі, каб агульныя матэрыялы перайшлі ад лабараторных даследаванняў да рэальнага жыцця. Для чаго патрэбен графен? Давайце разгледзім два прыклады.
Мяккі празрысты электрод
У многіх электрапрыборах у якасці электродаў выкарыстоўваюцца празрыстыя праводзячыя матэрыялы. Электронныя гадзіннікі, калькулятары, тэлевізары, вадкакрышталічныя дысплеі, сэнсарныя экраны, сонечныя панэлі і многія іншыя прылады не могуць абысціся без празрыстых электродаў. У якасці традыцыйнага празрыстага электрода выкарыстоўваецца аксід індыя-волава (ITO). З-за высокай цаны і абмежаваных запасаў індыя матэрыял далікатны і не мае гнуткасці, і электрод трэба наносіць у сярэднім пласце вакууму, што адносна высокая цана. Навукоўцы доўгі час спрабавалі знайсці яму замену. Акрамя патрабаванняў да празрыстасці, добрай праводнасці і лёгкасці падрыхтоўкі, калі сам матэрыял мае добрую гнуткасць, ён падыходзіць для вырабу «электроннай паперы» або іншых складаных дысплейных прылад. Такім чынам, гнуткасць таксама з'яўляецца вельмі важным аспектам. Графен - гэта такі матэрыял, які вельмі падыходзіць для празрыстых электродаў.
Даследчыкі з Samsung і Чэнцзюньгуанскага ўніверсітэта ў Паўднёвай Карэі атрымалі графен з дыяганальнай даўжынёй 30 цаляў метадам хімічнага асаджэння з паравой фальгі і перанеслі яго на плёнку з поліэтылентэрэфталату (ПЭТ) таўшчынёй 188 мікрон для стварэння сэнсарнага экрана на аснове графена [4]. Як паказана на малюнку ніжэй, графен, вырашчаны на меднай фальзе, спачатку злучаецца з дапамогай тэрмічнай стужкі для зняцця фарбаў (сіняя празрыстая частка), затым медная фальга раствараецца хімічным метадам, і, нарэшце, графен пераносіцца на плёнку ПЭТ шляхам награвання.
Новае фотаэлектрычнае індукцыйнае абсталяванне
Графен мае вельмі ўнікальныя аптычныя ўласцівасці. Нягледзячы на тое, што ў ім толькі адзін пласт атамаў, ён можа паглынаць 2,3% выпраменьванага святла ва ўсім дыяпазоне даўжынь хваль ад бачнага святла да інфрачырвонага. Гэтая лічба не мае нічога агульнага з іншымі матэрыяльнымі параметрамі графена і вызначаецца квантавай электрадынамікай [6]. Паглынутае святло прыводзіць да генерацыі носьбітаў (электронаў і дзірак). Генерацыя і транспарт носьбітаў у графене вельмі адрозніваюцца ад такіх жа працэсаў у традыцыйных паўправадніках. Гэта робіць графен вельмі прыдатным для звышхуткаснага фотаэлектрычнага індукцыйнага абсталявання. Паводле ацэнак, такое фотаэлектрычнае індукцыйнае абсталяванне можа працаваць на частаце 500 ГГц. Калі яго выкарыстоўваць для перадачы сігналу, ён можа перадаваць 500 мільярдаў нулёў або адзінак у секунду і завяршыць перадачу змесціва двух дыскаў Blu-ray за адну секунду.
Эксперты з даследчага цэнтра IBM Thomas J. Watson у ЗША выкарысталі графен для вырабу фотаэлектрычных індукцыйных прылад, якія могуць працаваць на частаце 10 ГГц [8]. Спачатку графенавыя пласцінкі былі падрыхтаваны на крэмніевай падкладцы, пакрытай крэмнезёмам таўшчынёй 300 нм, метадам «разрыву стужкі», а затым на ім былі выраблены электроды з паладыевага золата або тытанавага золата з інтэрвалам 1 мікрон і шырынёй 250 нм. Такім чынам, атрымана фотаэлектрычная індукцыйная прылада на аснове графену.
Схематычная дыяграма абсталявання для фотаэлектрычнай індукцыі графена і фатаграфіі рэальных узораў, атрыманыя з дапамогай сканіруючага электроннага мікраскопа (SEM). Чорная кароткая лінія на малюнку адпавядае 5 мікронам, а адлегласць паміж металічнымі лініямі складае адзін мікрон.
У выніку эксперыментаў даследчыкі выявілі, што гэтая фотаэлектрычная індукцыйная прылада з металічнай графенавай структурай можа дасягнуць рабочай частаты максімум 16 ГГц і працаваць з высокай хуткасцю ў дыяпазоне даўжынь хваль ад 300 нм (блізкі ультрафіялетавы дыяпазон) да 6 мікрон (інфрачырвоны), у той час як традыцыйная фотаэлектрычная індукцыйная трубка не можа рэагаваць на інфрачырвонае святло з большай даўжынёй хвалі. Рабочая частата фотаэлектрычнага індукцыйнага абсталявання з графенам усё яшчэ мае вялікія магчымасці для ўдасканалення. Яго высокая прадукцыйнасць дае яму шырокі спектр прымянення, у тым ліку ў сувязі, дыстанцыйным кіраванні і маніторынгу навакольнага асяроддзя.
Графен, як новы матэрыял з унікальнымі ўласцівасцямі, мае пастаяннае прымяненне, і даследаванні яго прымянення з'яўляюцца адно за адным. Нам цяжка пералічыць іх тут. У будучыні ў паўсядзённым жыцці могуць з'явіцца палявыя трубкі з графена, малекулярныя перамыкачы з графена і малекулярныя дэтэктары з графена... Графен, які паступова выходзіць з лабараторый, будзе ззяць у паўсядзённым жыцці.
Можна чакаць, што ў бліжэйшай будучыні з'явіцца вялікая колькасць электронных вырабаў з выкарыстаннем графена. Падумайце, як цікава было б, калі б нашы смартфоны і нетбукі можна было згарнуць, заціснуць на вушы, пакласці ў кішэні або абматаць вакол запясцяў, калі яны не выкарыстоўваюцца!
Час публікацыі: 09 сакавіка 2022 г.