Yn 2010, enillodd Geim a Novoselov Wobr Nobel mewn ffiseg am eu gwaith ar graffen. Mae'r wobr hon wedi gadael argraff ddofn ar lawer o bobl. Wedi'r cyfan, nid yw pob offeryn arbrofol Gwobr Nobel mor gyffredin â thâp gludiog, ac nid yw pob gwrthrych ymchwil mor hudolus a hawdd ei ddeall â graffen "grisial dau ddimensiwn". Gellir dyfarnu'r gwaith yn 2004 yn 2010, sy'n brin yng nghofnod Gwobr Nobel yn ystod y blynyddoedd diwethaf.
Mae graffin yn fath o sylwedd sy'n cynnwys un haen o atomau carbon wedi'u trefnu'n agos i mewn i ddellt hecsagonol crwybr mêl dau ddimensiwn. Fel diemwnt, graffit, ffwleren, nanotiwbiau carbon a charbon amorffaidd, mae'n sylwedd (sylwedd syml) sy'n cynnwys elfennau carbon. Fel y dangosir yn y ffigur isod, gellir gweld ffwlerenau a nanotiwbiau carbon fel pe baent wedi'u rholio i fyny mewn rhyw ffordd o un haen o graffin, sydd wedi'i bentyrru gan lawer o haenau o graffin. Mae'r ymchwil ddamcaniaethol ar ddefnyddio graffin i ddisgrifio priodweddau amrywiol sylweddau carbon syml (graffit, nanotiwbiau carbon a graffin) wedi para am bron i 60 mlynedd, ond credir yn gyffredinol ei bod hi'n anodd i ddeunyddiau dau ddimensiwn o'r fath fodoli'n sefydlog ar eu pen eu hunain, dim ond ynghlwm wrth wyneb y swbstrad tri dimensiwn neu y tu mewn i sylweddau fel graffit. Dim ond yn 2004 y tynnodd Andre Geim a'i fyfyriwr Konstantin Novoselov un haen o graffin o graffit trwy arbrofion y cyflawnodd yr ymchwil ar graffin ddatblygiad newydd.
Gellir ystyried bod ffwleren (chwith) a nanotube carbon (canol) ill dau wedi'u rholio i fyny gan un haen o graffen mewn rhyw ffordd, tra bod graffit (dde) wedi'i bentyrru gan haenau lluosog o graffen trwy gysylltiad grym van der Waals.
Y dyddiau hyn, gellir cael graffen mewn sawl ffordd, ac mae gan wahanol ddulliau eu manteision a'u hanfanteision eu hunain. Cafodd Geim a Novoselov graffen mewn ffordd syml. Gan ddefnyddio tâp tryloyw sydd ar gael mewn archfarchnadoedd, fe wnaethant dynnu graffen, dalen graffit gydag un haen yn unig o atomau carbon o drwch, o ddarn o graffit pyrolytig uchel-drefn. Mae hyn yn gyfleus, ond nid yw'r rheolaeth mor dda, a dim ond graffen gyda maint o lai na 100 micron (un degfed o filimetr) y gellir ei gael, y gellir ei ddefnyddio ar gyfer arbrofion, ond mae'n anodd ei ddefnyddio ar gyfer cymwysiadau ymarferol. Gall dyddodiad anwedd cemegol dyfu samplau graffen gyda maint degau o gentimetrau ar wyneb y metel. Er mai dim ond 100 micron yw'r ardal gyda chyfeiriadedd cyson [3,4], mae wedi bod yn addas ar gyfer anghenion cynhyrchu rhai cymwysiadau. Dull cyffredin arall yw cynhesu'r grisial silicon carbid (SIC) i fwy na 1100 ℃ mewn gwactod, fel bod yr atomau silicon ger yr wyneb yn anweddu, a bod yr atomau carbon sy'n weddill yn cael eu haildrefnu, a all hefyd gael samplau graffen gyda phriodweddau da.
Mae graffin yn ddeunydd newydd gyda phriodweddau unigryw: mae ei ddargludedd trydanol mor rhagorol â chopr, ac mae ei ddargludedd thermol yn well nag unrhyw ddeunydd hysbys. Mae'n dryloyw iawn. Dim ond rhan fach (2.3%) o'r golau gweladwy fertigol sy'n digwydd fydd yn cael ei amsugno gan graffin, a bydd y rhan fwyaf o'r golau yn mynd drwodd. Mae mor drwchus fel na all hyd yn oed atomau heliwm (y moleciwlau nwy lleiaf) fynd drwodd. Nid yw'r priodweddau hudol hyn yn cael eu hetifeddu'n uniongyrchol o graffit, ond o fecaneg cwantwm. Mae ei briodweddau trydanol ac optegol unigryw yn pennu bod ganddo ragolygon cymhwysiad eang.
Er mai dim ond ers llai na deng mlynedd y mae graffen wedi ymddangos, mae wedi dangos llawer o gymwysiadau technegol, sy'n brin iawn ym meysydd ffiseg a gwyddor deunyddiau. Mae'n cymryd mwy na deng mlynedd neu hyd yn oed ddegawdau i ddeunyddiau cyffredinol symud o'r labordy i fywyd go iawn. Beth yw defnydd graffen? Gadewch i ni edrych ar ddwy enghraifft.
Electrod tryloyw meddal
Mewn llawer o offer trydanol, mae angen defnyddio deunyddiau dargludol tryloyw fel electrodau. Ni all oriorau electronig, cyfrifianellau, setiau teledu, arddangosfeydd crisial hylif, sgriniau cyffwrdd, paneli solar a llawer o ddyfeisiau eraill adael bodolaeth electrodau tryloyw. Mae'r electrod tryloyw traddodiadol yn defnyddio ocsid tun indiwm (ITO). Oherwydd y pris uchel a'r cyflenwad cyfyngedig o indiwm, mae'r deunydd yn frau ac yn brin o hyblygrwydd, ac mae angen dyddodi'r electrod yn yr haen ganol o wactod, ac mae'r gost yn gymharol uchel. Ers amser maith, mae gwyddonwyr wedi bod yn ceisio dod o hyd i'w ddewis arall. Yn ogystal â'r gofynion tryloywder, dargludedd da a pharatoi hawdd, os yw hyblygrwydd y deunydd ei hun yn dda, bydd yn addas ar gyfer gwneud "papur electronig" neu ddyfeisiau arddangos plygadwy eraill. Felly, mae hyblygrwydd hefyd yn agwedd bwysig iawn. Mae graffin yn ddeunydd o'r fath, sy'n addas iawn ar gyfer electrodau tryloyw.
Cafodd ymchwilwyr o Samsung a Phrifysgol chengjunguan yn Ne Korea graffen gyda hyd croeslin o 30 modfedd trwy ddyddodiad anwedd cemegol a'i drosglwyddo i ffilm polyethylen tereffthalad (PET) 188 micron o drwch i gynhyrchu sgrin gyffwrdd yn seiliedig ar graffen [4]. Fel y dangosir yn y ffigur isod, mae'r graffen a dyfir ar y ffoil copr yn cael ei fondio yn gyntaf â'r tâp stripio thermol (rhan las dryloyw), yna mae'r ffoil copr yn cael ei diddymu trwy ddull cemegol, ac yn olaf mae'r graffen yn cael ei drosglwyddo i'r ffilm PET trwy ei gwresogi.
Offer sefydlu ffotodrydanol newydd
Mae gan graffen briodweddau optegol unigryw iawn. Er mai dim ond un haen o atomau sydd, gall amsugno 2.3% o'r golau a allyrrir yn yr ystod donfedd gyfan o olau gweladwy i is-goch. Nid oes gan y rhif hwn ddim i'w wneud â pharamedrau deunydd eraill graffen ac fe'i pennir gan electrodynameg cwantwm [6]. Bydd y golau sy'n cael ei amsugno yn arwain at gynhyrchu cludwyr (electronau a thyllau). Mae cynhyrchu a chludo cludwyr mewn graffen yn wahanol iawn i'r rhai mewn lled-ddargludyddion traddodiadol. Mae hyn yn gwneud graffen yn addas iawn ar gyfer offer sefydlu ffotodrydanol cyflym iawn. Amcangyfrifir y gall offer sefydlu ffotodrydanol o'r fath weithio ar amledd o 500ghz. Os caiff ei ddefnyddio ar gyfer trosglwyddo signal, gall drosglwyddo 500 biliwn o seroau neu unedau yr eiliad, a chwblhau trosglwyddo cynnwys dau ddisg Blu-ray mewn un eiliad.
Mae arbenigwyr o Ganolfan Ymchwil IBM Thomas J. Watson yn yr Unol Daleithiau wedi defnyddio graffen i gynhyrchu dyfeisiau anwythiad ffotodrydanol a all weithio ar amledd 10GHz [8]. Yn gyntaf, paratowyd naddion graffen ar swbstrad silicon wedi'i orchuddio â silica 300 nm o drwch trwy "ddull rhwygo tâp", ac yna gwnaed electrodau aur paladiwm neu aur titaniwm gydag egwyl o 1 micron a lled o 250 nm arno. Yn y modd hwn, ceir dyfais anwythiad ffotodrydanol yn seiliedig ar graffen.
Diagram sgematig o offer anwythiad ffotodrydanol graffen a lluniau microsgop electron sganio (SEM) o samplau gwirioneddol. Mae'r llinell fer ddu yn y ffigur yn cyfateb i 5 micron, ac mae'r pellter rhwng llinellau metel yn un micron.
Drwy arbrofion, canfu'r ymchwilwyr y gall y ddyfais sefydlu ffotodrydanol strwythur metel graffen metel hon gyrraedd amledd gweithio o 16ghz ar y mwyaf, a gall weithio ar gyflymder uchel yn yr ystod tonfedd o 300 nm (ger uwchfioled) i 6 micron (is-goch), tra na all y tiwb sefydlu ffotodrydanol traddodiadol ymateb i olau is-goch â thonfedd hirach. Mae lle mawr i wella o hyd ar amledd gweithio offer sefydlu ffotodrydanol graffen. Mae ei berfformiad uwch yn ei gwneud yn bosibl i gael ystod eang o ragolygon cymhwysiad, gan gynnwys cyfathrebu, rheoli o bell a monitro amgylcheddol.
Fel deunydd newydd gyda phriodweddau unigryw, mae'r ymchwil ar gymhwyso graffen yn dod i'r amlwg un ar ôl y llall. Mae'n anodd i ni eu rhestru yma. Yn y dyfodol, efallai y bydd tiwbiau effaith maes wedi'u gwneud o graffen, switshis moleciwlaidd wedi'u gwneud o graffen a synwyryddion moleciwlaidd wedi'u gwneud o graffen ym mywyd beunyddiol… Bydd graffen sy'n dod allan o'r labordy yn raddol yn disgleirio ym mywyd beunyddiol.
Gallwn ddisgwyl y bydd nifer fawr o gynhyrchion electronig sy'n defnyddio graffen yn ymddangos yn y dyfodol agos. Meddyliwch pa mor ddiddorol fyddai pe bai modd rholio ein ffonau clyfar a'n gliniaduron, eu clampio ar ein clustiau, eu stwffio yn ein pocedi, neu eu lapio o amgylch ein harddyrnau pan nad ydynt yn cael eu defnyddio!
Amser postio: Mawrth-09-2022