In u 2010, Geim è Novoselov anu vintu u Premiu Nobel per a fisica per u so travagliu nant'à u grafene. Stu premiu hà lasciatu una profonda impressione nant'à parechje persone. Dopu tuttu, micca tutti i strumenti sperimentali di u Premiu Nobel sò cusì cumuni cum'è u nastro adesivo, è micca tutti l'uggetti di ricerca sò cusì magichi è faciuli da capisce cum'è u grafene "cristallu bidimensionale". U travagliu di u 2004 pò esse attribuitu in u 2010, ciò chì hè raru in u record di i Premii Nobel di l'ultimi anni.
U grafene hè un tipu di sustanza chì hè custituita da un unicu stratu d'atomi di carbonu strettamente disposti in un reticolo esagonale à favu bidimensionale. Cum'è u diamante, a grafite, u fullerene, i nanotubi di carbonu è u carbonu amorfu, hè una sustanza (sustanza simplice) cumposta da elementi di carbonu. Cum'è mostratu in a figura sottu, i fullereni è i nanotubi di carbonu ponu esse visti cum'è arrotolati in qualchì modu da un unicu stratu di grafene, chì hè impilatu da parechji strati di grafene. A ricerca teorica nantu à l'usu di u grafene per discrive e proprietà di varie sostanze semplici di carbonu (grafite, nanotubi di carbonu è grafene) hè durata per quasi 60 anni, ma si crede generalmente chì tali materiali bidimensionali sò difficiuli à esiste stabilmente da soli, solu attaccati à a superficia di u substratu tridimensionale o dentru à sostanze cum'è a grafite. Ùn hè statu chè in u 2004 chì Andre Geim è u so studiente Konstantin Novoselov anu strappatu un unicu stratu di grafene da a grafite per mezu di esperimenti chì a ricerca nantu à u grafene hà ottenutu un novu sviluppu.
Sia u fullerene (à manca) sia u nanotubu di carbonu (in mezu) ponu esse cunsiderati cum'è arrotolati da un unicu stratu di grafene in qualchì modu, mentre chì a grafite (à diritta) hè impilata da parechji strati di grafene per via di a cunnessione di a forza di van der Waals.
Oghje ghjornu, u grafene pò esse ottenutu in parechji modi, è i diversi metudi anu i so vantaghji è svantaghji. Geim è Novoselov anu ottenutu u grafene in un modu simplice. Usendu un nastro trasparente dispunibule in i supermercati, anu strappatu u grafene, una foglia di grafite cù solu un stratu di atomi di carboniu di spessore, da un pezzu di grafite pirolitica di ordine superiore. Questu hè cunveniente, ma a cuntrollabilità ùn hè micca cusì bona, è si pò ottene solu u grafene cù una dimensione inferiore à 100 micron (un decimu di millimetru), chì pò esse adupratu per esperimenti, ma hè difficiule da aduprà per applicazioni pratiche. A deposizione chimica di vapore pò fà cresce campioni di grafene cù a dimensione di decine di centimetri nantu à a superficia metallica. Ancu s'è l'area cù un orientamentu consistente hè solu di 100 micron [3,4], hè stata adatta per i bisogni di pruduzzione di alcune applicazioni. Un altru metudu cumunu hè di riscaldà u cristallu di carburo di siliciu (SIC) à più di 1100 ℃ in u vacuum, in modu chì l'atomi di siliciu vicinu à a superficia evaporanu, è l'atomi di carboniu rimanenti sò riorganizzati, ciò chì pò ancu ottene campioni di grafene cù bone proprietà.
U grafene hè un novu materiale cù proprietà uniche: a so cunduttività elettrica hè eccellente cum'è quella di u rame, è a so cunduttività termica hè megliu cà qualsiasi materiale cunnisciutu. Hè assai trasparente. Solu una piccula parte (2,3%) di a luce visibile incidente verticale serà assorbita da u grafene, è a maiò parte di a luce passerà. Hè cusì densu chì ancu l'atomi d'eliu (e più chjuche molecule di gas) ùn ponu micca passà. Queste proprietà magiche ùn sò micca ereditate direttamente da a grafite, ma da a meccanica quantica. E so proprietà elettriche è ottiche uniche determinanu chì hà ampie prospettive d'applicazione.
Ancu s'è u grafene hè apparsu solu dapoi menu di dece anni, hà dimustratu parechje applicazioni tecniche, ciò chì hè assai raru in i campi di a fisica è di a scienza di i materiali. Ci vole più di dece anni o ancu decennii per chì i materiali generali passinu da u laburatoriu à a vita reale. À chì serve u grafene ? Fighjemu dui esempi.
Elettrodu trasparente dolce
In parechji apparecchi elettrichi, i materiali conduttivi trasparenti devenu esse aduprati cum'è elettrodi. Orologi elettronichi, calculatrici, televisori, display à cristalli liquidi, schermi tattili, pannelli solari è parechji altri dispositivi ùn ponu micca lascià l'esistenza di elettrodi trasparenti. L'elettrodu trasparente tradiziunale usa l'ossidu di stagnu è indiu (ITO). A causa di u prezzu elevatu è di a furnitura limitata di indiu, u materiale hè fragile è manca di flessibilità, è l'elettrodu deve esse depositatu in u stratu mediu di u vacuum, è u costu hè relativamente altu. Per un bellu pezzu, i scientifichi anu pruvatu à truvà u so sustitutu. In più di i requisiti di trasparenza, bona conducibilità è preparazione faciule, se a flessibilità di u materiale stessu hè bona, serà adattatu per fà "carta elettronica" o altri dispositivi di visualizazione pieghevoli. Dunque, a flessibilità hè ancu un aspettu assai impurtante. U grafene hè un tale materiale, chì hè assai adattatu per l'elettrodi trasparenti.
I circadori di Samsung è di l'Università Chengjunguan in Corea di u Sud anu ottenutu grafene cù una lunghezza diagonale di 30 pollici per deposizione chimica di vapore è l'anu trasferitu à un film di polietilene tereftalatu (PET) di 188 micron di spessore per pruduce un touchscreen à basa di grafene [4]. Cum'è mostratu in a figura sottu, u grafene cresciutu nantu à a foglia di rame hè prima ligatu cù u nastro di stripping termicu (parte blu trasparente), poi a foglia di rame hè dissolta per metudu chimicu, è infine u grafene hè trasferitu à u film PET per riscaldamentu.
Novu equipagiu d'induzione fotoelettrica
U grafene hà proprietà ottiche assai uniche. Ancu s'ellu ci hè solu un stratu d'atomi, pò assorbe u 2,3% di a luce emessa in tutta a gamma di lunghezze d'onda da a luce visibile à l'infrarossu. Stu numeru ùn hà nunda à chì vede cù altri parametri materiali di u grafene è hè determinatu da l'elettrodinamica quantica [6]. A luce assorbita porterà à a generazione di purtatori (elettroni è lacune). A generazione è u trasportu di purtatori in u grafene sò assai diffirenti da quelli in i semiconduttori tradiziunali. Questu rende u grafene assai adattatu per l'apparecchiature d'induzione fotoelettrica ultraveloci. Si stima chì tali apparecchiature d'induzione fotoelettrica possinu funziunà à a frequenza di 500 GHz. S'ellu hè adupratu per a trasmissione di signali, pò trasmette 500 miliardi di zeri o uni per seconda, è cumpletà a trasmissione di u cuntenutu di dui dischi Blu ray in un secondu.
Esperti di u Centru di Ricerca IBM Thomas J. Watson in i Stati Uniti anu utilizatu u grafene per fabricà dispositivi d'induzione fotoelettrica chì ponu funziunà à una frequenza di 10 GHz [8]. Prima, i fiocchi di grafene sò stati preparati nantu à un sustratu di silicone cupertu di silice di 300 nm di spessore per mezu di u "metodu di strappamentu di u nastro", è dopu sò stati fatti elettrodi d'oru di palladio o d'oru di titaniu cù un intervallu di 1 micron è una larghezza di 250 nm. In questu modu, si ottiene un dispositivu d'induzione fotoelettrica à basa di grafene.
Schema di l'equipaggiu d'induzione fotoelettrica di grafene è foto di microscopiu elettronicu à scansione (SEM) di campioni reali. A linea corta nera in a figura currisponde à 5 micron, è a distanza trà e linee metalliche hè di un micron.
Per via di sperimenti, i circadori anu scupertu chì questu dispusitivu d'induzione fotoelettrica à struttura metallica di grafene metallicu pò ghjunghje à una frequenza di travagliu di 16 GHz à u massimu, è pò travaglià à alta velocità in a gamma di lunghezze d'onda da 300 nm (vicinu à l'ultraviolettu) à 6 micron (infrarossi), mentre chì u tubu d'induzione fotoelettrica tradiziunale ùn pò micca risponde à a luce infrarossa cù una lunghezza d'onda più longa. A frequenza di travagliu di l'equipaggiu d'induzione fotoelettrica di grafene hà sempre un grande margine di miglioramentu. E so prestazioni superiori li permettenu di avè una vasta gamma di prospettive d'applicazione, cumprese a cumunicazione, u cuntrollu remotu è u monitoraghju ambientale.
Cum'è un novu materiale cù proprietà uniche, a ricerca nantu à l'applicazione di u grafene emerge una dopu l'altra. Hè difficiule per noi di enumeralli quì. In u futuru, ci puderanu esse tubi à effettu di campu fatti di grafene, interruttori moleculari fatti di grafene è detectori moleculari fatti di grafene in a vita di tutti i ghjorni... U grafene chì esce pianu pianu da u laburatoriu brillerà in a vita di tutti i ghjorni.
Pudemu aspittà chì un gran numeru di prudutti elettronichi chì utilizanu u grafene cumpariscanu in un futuru vicinu. Pensate à quantu seria interessante se i nostri smartphones è netbook puderianu esse arrotolati, chjappi nantu à l'arechje, infilati in e nostre tasche, o avvolti intornu à i nostri polsi quandu ùn sò micca in usu!
Data di publicazione: 09 di marzu di u 2022