V roce 2010 získali Geim a Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za svou práci o grafenu. Toto ocenění zanechalo v mnoha lidech hluboký dojem. Koneckonců, ne každý experimentální nástroj, na kterém je udělena Nobelova cena, je tak běžný jako lepicí páska a ne každý výzkumný objekt je tak magický a snadno pochopitelný jako „dvourozměrný krystalický“ grafen. Práce z roku 2004 může být udělena i v roce 2010, což je v historii Nobelových cen v posledních letech vzácnost.
Grafen je druh látky, která se skládá z jediné vrstvy atomů uhlíku těsně uspořádaných do dvourozměrné hexagonální mřížky ve tvaru voštiny. Stejně jako diamant, grafit, fulleren, uhlíkové nanotrubice a amorfní uhlík je to látka (jednoduchá látka) složená z uhlíkových prvků. Jak je znázorněno na obrázku níže, fullereny a uhlíkové nanotrubice lze vnímat jako srolované z jediné vrstvy grafenu, která je složena z mnoha vrstev grafenu. Teoretický výzkum využití grafenu k popisu vlastností různých jednoduchých uhlíkových látek (grafit, uhlíkové nanotrubice a grafen) trvá již téměř 60 let, ale obecně se věří, že takové dvourozměrné materiály jen těžko stabilně existují samostatně, pouze připojené k trojrozměrnému povrchu substrátu nebo uvnitř látek, jako je grafit. Až v roce 2004 Andrej Geim a jeho student Konstantin Novoselov experimentálně odstranili z grafitu jednu vrstvu grafenu, což ve výzkumu grafenu dosáhlo nového vývoje.
Jak fulleren (vlevo), tak uhlíková nanotrubice (uprostřed) lze považovat za srolované jednou vrstvou grafenu, zatímco grafit (vpravo) je vrstven několika vrstvami grafenu prostřednictvím van der Waalsovy síly.
V dnešní době lze grafen získat mnoha způsoby a různé metody mají své výhody i nevýhody. Geim a Novoselov získali grafen jednoduchým způsobem. Pomocí průhledné pásky dostupné v supermarketech strhli grafen, grafitovou fólii s pouze jednou vrstvou atomů uhlíku, z kusu pyrolytického grafitu vyššího řádu. To je pohodlné, ale ovladatelnost není tak dobrá a lze získat pouze grafen o velikosti menší než 100 mikronů (jedna desetina milimetru), který lze použít pro experimenty, ale je obtížné jej použít pro praktické aplikace. Chemická depozice z plynné fáze umožňuje pěstovat vzorky grafenu o velikosti desítek centimetrů na kovovém povrchu. Ačkoli plocha s konzistentní orientací je pouze 100 mikronů [3,4], je vhodná pro výrobní potřeby některých aplikací. Další běžnou metodou je zahřátí krystalu karbidu křemíku (SIC) na více než 1100 ℃ ve vakuu, takže se atomy křemíku v blízkosti povrchu odpaří a zbývající atomy uhlíku se přeskupí, což umožňuje získat vzorky grafenu s dobrými vlastnostmi.
Grafen je nový materiál s jedinečnými vlastnostmi: jeho elektrická vodivost je stejně vynikající jako u mědi a tepelná vodivost je lepší než u jakéhokoli známého materiálu. Je velmi průhledný. Grafen absorbuje pouze malou část (2,3 %) vertikálně dopadajícího viditelného světla a většina světla prochází. Je tak hustý, že jím nemohou projít ani atomy hélia (nejmenší molekuly plynu). Tyto magické vlastnosti nejsou přímo zděděny z grafitu, ale z kvantové mechaniky. Jeho jedinečné elektrické a optické vlastnosti určují jeho široké aplikační perspektivy.
Přestože se grafen objevil teprve necelých deset let, má mnoho technických aplikací, což je v oblasti fyziky a materiálových věd velmi vzácné. Trvá více než deset let nebo dokonce desetiletí, než se běžné materiály dostanou z laboratoří do reálného života. K čemu se grafen používá? Podívejme se na dva příklady.
Měkká průhledná elektroda
V mnoha elektrických spotřebičích je nutné jako elektrody používat průhledné vodivé materiály. Elektronické hodinky, kalkulačky, televizory, displeje z tekutých krystalů, dotykové obrazovky, solární panely a mnoho dalších zařízení se neobejdou bez průhledných elektrod. Tradiční průhledná elektroda používá oxid india a cínu (ITO). Vzhledem k vysoké ceně a omezenému množství india je materiál křehký a nepružný, elektroda musí být nanášena ve střední vrstvě vakua, což má relativně vysoké náklady. Vědci se již dlouho snaží najít jeho náhradu. Kromě požadavků na průhlednost, dobrou vodivost a snadnou přípravu je vhodný i pro výrobu „elektronického papíru“ nebo jiných skládacích zobrazovacích zařízení, pokud je samotná flexibilita dobrá. Proto je flexibilita také velmi důležitým aspektem. Grafen je takový materiál, který je velmi vhodný pro průhledné elektrody.
Výzkumníci ze společnosti Samsung a Chengjunguan University v Jižní Koreji získali grafen o úhlopříčce 30 palců (76 cm) metodou chemického nanášení z plynné fáze a přenesli jej na 188 mikronů silnou polyethylentereftalátovou (PET) fólii, čímž vytvořili dotykovou obrazovku na bázi grafenu [4]. Jak je znázorněno na obrázku níže, grafen nanesený na měděnou fólii je nejprve spojen s tepelně odstraňovací páskou (modrá průhledná část), poté je měděná fólie chemicky rozpuštěna a nakonec je grafen zahřátím přenesen na PET fólii.
Nové fotoelektrické indukční zařízení
Grafen má velmi unikátní optické vlastnosti. Přestože má pouze jednu vrstva atomů, dokáže absorbovat 2,3 % emitovaného světla v celém rozsahu vlnových délek od viditelného světla po infračervené. Toto číslo nemá nic společného s jinými materiálovými parametry grafenu a je určeno kvantovou elektrodynamikou [6]. Absorbované světlo vede ke generování nosičů náboje (elektronů a děr). Generování a transport nosičů náboje v grafenu se velmi liší od tradičních polovodičů. Díky tomu je grafen velmi vhodný pro ultrarychlá fotoelektrická indukční zařízení. Odhaduje se, že taková fotoelektrická indukční zařízení mohou pracovat na frekvenci 500 GHz. Pokud se použijí pro přenos signálu, mohou přenést 500 miliard nul nebo jednotek za sekundu a dokončit přenos obsahu dvou Blu-ray disků za jednu sekundu.
Odborníci z výzkumného centra IBM Thomas J. Watson ve Spojených státech použili grafen k výrobě fotoelektrických indukčních zařízení, která mohou pracovat na frekvenci 10 GHz [8]. Nejprve byly na křemíkovém substrátu pokrytém 300 nm silným oxidem křemičitým připraveny grafenové vločky metodou „páskového trhání“ a poté byly na nich vyrobeny elektrody z palladiového zlata nebo titanového zlata s odstupem 1 mikronu a šířkou 250 nm. Tímto způsobem bylo získáno fotoelektrické indukční zařízení na bázi grafenu.
Schéma zapojení zařízení pro fotoelektrickou indukci grafenu a fotografie skutečných vzorků pořízené rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM). Krátká černá čára na obrázku odpovídá 5 mikronům a vzdálenost mezi kovovými čárami je jeden mikron.
Vědci experimentálně zjistili, že toto fotoelektrické indukční zařízení s kovovou grafenovou strukturou může dosáhnout pracovní frekvence maximálně 16 GHz a pracovat vysokou rychlostí v rozsahu vlnových délek od 300 nm (blízké ultrafialové záření) do 6 mikronů (infračervené záření), zatímco tradiční fotoelektrická indukční trubice nedokáže reagovat na infračervené světlo s delší vlnovou délkou. Pracovní frekvence grafenového fotoelektrického indukčního zařízení má stále velký prostor pro zlepšení. Jeho vynikající výkon mu umožňuje širokou škálu aplikací, včetně komunikace, dálkového ovládání a monitorování životního prostředí.
Výzkumy v oblasti využití grafenu, jakožto nového materiálu s jedinečnými vlastnostmi, se objevují jeden za druhým. Je pro nás těžké je zde vyjmenovat. V budoucnu se v každodenním životě mohou objevit elektronky s efektem pole vyrobené z grafenu, molekulární spínače vyrobené z grafenu a molekulární detektory vyrobené z grafenu… Grafen, který bude postupně vycházet z laboratoří, bude v každodenním životě zářit.
Můžeme očekávat, že se v blízké budoucnosti objeví velké množství elektronických produktů využívajících grafen. Představte si, jak zajímavé by bylo, kdyby se naše chytré telefony a netbooky daly srolovat, sepnout na uši, nacpat do kapes nebo si je omotat kolem zápěstí, když je nepoužívat!
Čas zveřejnění: 9. března 2022