През 2010 г. Гейм и Новоселов спечелиха Нобелова награда за физика за работата си върху графена. Тази награда остави дълбоко впечатление у много хора. В края на краищата, не всеки експериментален инструмент, носител на Нобелова награда, е толкова често срещан, колкото тиксо, и не всеки изследователски обект е толкова магически и лесен за разбиране, колкото „двуизмерния кристален“ графен. Работата от 2004 г. може да бъде присъдена и през 2010 г., което е рядкост в историята на Нобеловите награди през последните години.
Графенът е вид вещество, което се състои от един слой въглеродни атоми, плътно разположени в двуизмерна шестоъгълна решетка тип „пчелна пита“. Подобно на диаманта, графита, фулерена, въглеродните нанотръби и аморфния въглерод, той 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 прости въглеродни вещества (графит, въглеродни нанотръби и графен) продължават близо 60 години, но общоприето е, че такива двуизмерни материали е трудно да съществуват стабилно самостоятелно, а само прикрепени към триизмерната повърхност на субстрата или вътре в вещества като графита. Едва през 2004 г. Андрей Гейм и неговият студент Константин Новоселов отстраняват един слой графен от графита чрез експерименти, което прави изследванията върху графена постигнати ново развитие.
Както фулеренът (вляво), така 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, предлагана в супермаркетите, те отстраниха графен, графитен лист с дебелина само от един слой въглеродни атоми, от парче пиролитичен графит от висок порядък. Това е удобно, но контролируемостта не е толкова добра и може да се получи само графен с размер по-малък от 100 микрона (една десета от милиметъра), който може да се използва за експерименти, но е трудно да се използва за практически приложения. Химическото отлагане от пари може да отгледа графенови проби с размер десетки сантиметри върху металната повърхност. Въпреки че площта с постоянна ориентация е само 100 микрона [3,4], то се е оказало подходящо за производствените нужди на някои приложения. Друг често срещан метод е нагряването на кристала силициев карбид (SIC) до над 1100 ℃ във вакуум, така че силициевите атоми близо до повърхността да се изпарят, а останалите въглеродни атоми да се пренаредят, което също може да доведе до получаване на графенови проби с добри свойства.
Графенът е нов материал с уникални свойства: неговата електрическа проводимост е отлична като тази на медта, а топлопроводимостта му е по-добра от всеки друг известен материал. Той е много прозрачен. Само малка част (2,3%) от вертикално падащата видима светлина ще бъде абсорбирана от графена и по-голямата част от светлината ще премине през него. Той е толкова плътен, че дори атомите на хелия (най-малките газови молекули) не могат да преминат през него. Тези магически свойства не са директно наследени от графита, а от квантовата механика. Неговите уникални електрически и оптични свойства определят широките му перспективи за приложение.
Въпреки че графенът се появява едва от по-малко от десет години, той е показал много технически приложения, което е много рядко срещано в областта на физиката и материалознанието. Необходими са повече от десет години или дори десетилетия, за да преминат общите материали от лабораторните до реалния живот. Каква е ползата от графена? Нека разгледаме два примера.
Мек прозрачен електрод
В много електрически уреди, прозрачни проводими материали трябва да се използват като електроди. Електронни часовници, калкулатори, телевизори, течнокристални дисплеи, сензорни екрани, слънчеви панели и много други устройства не могат да се откажат от съществуването на прозрачни електроди. Традиционният прозрачен електрод използва индиево-калаен оксид (ITO). Поради високата цена и ограниченото предлагане на индий, материалът е крехък и не е гъвкав, а електродът трябва да се отлага в средния слой на вакуума, а цената е сравнително висока. От 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 направата на „електронна хартия“ или други сгъваеми дисплеи. Следователно, гъвкавостта също е много важен аспект. Графенът е такъв материал, който е много подходящ за прозрачни електроди.
Изследователи от Samsung и университета Ченгджунгуан в Южна Корея са получили графен с диагонал 30 инча чрез химическо отлагане на пари и са го прехвърлили върху полиетилен терефталатно (PET) фолио с дебелина 188 микрона, за да произведат сензорен екран на базата на графен [4]. Както е показано на фигурата по-долу, графенът, отгледан върху медното фолио, първо се свързва с термоизолиращата лента (синята прозрачна част), след това медното фолио се разтваря чрез химичен метод и накрая графенът се прехвърля върху PET фолиото 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 други материални параметри на графена и се определя от квантовата електродинамика [6]. Абсорбираната светлина ще доведе до генериране на носители (електрони и дупки). Генерирането и транспортът на носители в графена са много различни от тези в традиционните полупроводници. Това прави графена много подходящ за ултрабързо фотоелектрическо индукционно оборудване. Смята се, че такова фотоелектрическо индукционно оборудване може да работи на честота от 500 GHz. Ако се използва за предаване на сигнал, то 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 изследователския център на IBM Thomas J. Watson в Съединените щати са използвали графен за производството на фотоелектрични индукционни устройства, които могат да работят на честота 10 GHz [8]. Първо, графенови люспи са били приготвени върху силициев субстрат, покрит със силициев диоксид с дебелина 300 nm, чрез „метод на разкъсване на лента“, а след това върху него са били направени електроди от паладиево злато или титаниево злато с интервал от 1 микрон и ширина 250 nm. По този начин е получено фотоелектрично индукционно устройство на базата на графен.
Схематична диаграма на оборудване за фотоелектрична индукция с графен и снимки на действителни образци, получени от сканиращ електронен микроскоп (SEM). 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 структура може да достигне работна честота от максимум 16 GHz и да работи с висока скорост в диапазона на дължините на вълните от 300 nm (близо до ултравиолетови) до 6 микрона (инфрачервени), докато традиционната фотоелектрическа индукционна тръба не може да реагира на инфрачервена светлина с по-голяма дължина на вълната. Работната честота на графеновото фотоелектрическо индукционно оборудване все още има голям потенциал за подобрение. Превъзходната му производителност му дава широк спектър от възможности за приложение, включително комуникация, дистанционно управление и мониторинг на околната среда.
Като нов материал с уникални свойства, изследванията върху приложението на графена се появяват едно след друго. Трудно ни е да ги изброим тук. В бъдеще може да има полеви тръби, изработени от графен, молекулярни превключватели, изработени от графен, и молекулярни детектори, изработени от графен, в ежедневието... 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 затягат на ушите ни, да се пъхнат в джобовете ни или да се увиват около китките ни, когато не се използват!
Време на публикуване: 09 март 2022 г.