I 2010 vandt Geim og Novoselov Nobelprisen i fysik for deres arbejde med grafen. Denne pris har gjort et dybt indtryk på mange mennesker. Det er trods alt ikke alle Nobelpris-eksperimentelle værktøjer, der er lige så almindelige som klæbebånd, og ikke alle forskningsobjekter er lige så magiske og lette at forstå som "todimensionel krystal"-grafen. Arbejdet fra 2004 kan blive tildelt Nobelprisen i 2010, hvilket er sjældent i de senere års Nobelprisuddeling.
Grafen er en type stof, der består af et enkelt lag kulstofatomer, der er tæt arrangeret i et todimensionelt, hexagonalt gitter af bikageform. Ligesom diamant, grafit, fulleren, kulstofnanorør og amorft kulstof er det et stof (simpelt stof) sammensat af kulstofelementer. Som vist på figuren nedenfor kan fullerener og kulstofnanorør ses som rullet op på en eller anden måde fra et enkelt lag grafen, der er stablet af mange lag grafen. Den teoretiske forskning i brugen af grafen til at beskrive egenskaberne ved forskellige simple kulstofstoffer (grafit, kulstofnanorør og grafen) har varet i næsten 60 år, men det antages generelt, at sådanne todimensionelle materialer er vanskelige at eksistere stabilt alene, kun bundet til den tredimensionelle substratoverflade eller inde i stoffer som grafit. Det var først i 2004, at Andre Geim og hans studerende Konstantin Novoselov fjernede et enkelt lag grafen fra grafit gennem eksperimenter, at forskningen i grafen opnåede ny udvikling.
Både fulleren (venstre) og kulstofnanorør (i midten) kan betragtes som værende rullet op af et enkelt lag grafen på en eller anden måde, mens grafit (højre) er stablet op af flere lag grafen gennem forbindelsen med van der Waals kraft.
I dag kan grafen udvindes på mange måder, og forskellige metoder har deres egne fordele og ulemper. Geim og Novoselov udvindede grafen på en simpel måde. Ved hjælp af transparent tape, der kan købes i supermarkeder, fjernede de grafen, et grafitark med kun ét lag kulstofatomer i tykkelse, fra et stykke pyrolytisk grafit af højere orden. Dette er praktisk, men kontrollerbarheden er ikke så god, og grafen med en størrelse på mindre end 100 mikron (en tiendedel af en millimeter) kan kun udvindes, hvilket kan bruges til eksperimenter, men det er vanskeligt at bruge til praktiske anvendelser. Kemisk dampaflejring kan dyrke grafenprøver med en størrelse på ti centimeter på metaloverfladen. Selvom området med ensartet orientering kun er 100 mikron [3,4], har det været egnet til produktionsbehovene i nogle applikationer. En anden almindelig metode er at opvarme siliciumcarbid (SIC) krystallen til mere end 1100 ℃ i vakuum, så siliciumatomerne nær overfladen fordamper, og de resterende kulstofatomer omlejres, hvilket også kan give grafenprøver med gode egenskaber.
Grafen er et nyt materiale med unikke egenskaber: dets elektriske ledningsevne er lige så fremragende som kobber, og dets termiske ledningsevne er bedre end noget kendt materiale. Det er meget transparent. Kun en lille del (2,3%) af det vertikalt indfaldende synlige lys vil blive absorberet af grafen, og det meste af lyset vil passere igennem. Det er så tæt, at selv heliumatomer (de mindste gasmolekyler) ikke kan passere igennem. Disse magiske egenskaber er ikke direkte arvet fra grafit, men fra kvantemekanikken. Dets unikke elektriske og optiske egenskaber bestemmer, at det har brede anvendelsesmuligheder.
Selvom grafen kun har eksisteret i mindre end ti år, har den vist mange tekniske anvendelser, hvilket er meget sjældent inden for fysik og materialevidenskab. Det tager mere end ti år eller endda årtier for generelle materialer at bevæge sig fra laboratoriet til det virkelige liv. Hvad er brugen af grafen? Lad os se på to eksempler.
Blød, gennemsigtig elektrode
I mange elektriske apparater skal der anvendes transparente, ledende materialer som elektroder. Elektroniske ure, lommeregnere, fjernsyn, flydende krystalskærme, berøringsskærme, solpaneler og mange andre enheder kan ikke undvære transparente elektroder. Den traditionelle transparente elektrode bruger indium-tinoxid (ITO). På grund af den høje pris og begrænsede udbud af indium er materialet skørt og mangler fleksibilitet, og elektroden skal aflejres i det midterste lag af vakuum, hvilket gør omkostningerne relativt høje. I lang tid har forskere forsøgt at finde en erstatning. Ud over kravene om transparens, god ledningsevne og nem fremstilling, vil materialets fleksibilitet, hvis det er godt, være egnet til fremstilling af "elektronisk papir" eller andre foldbare displayenheder. Derfor er fleksibilitet også et meget vigtigt aspekt. Grafen er et sådant materiale, der er meget velegnet til transparente elektroder.
Forskere fra Samsung og Chengjunguan University i Sydkorea har ved kemisk dampaflejring udvundet grafen med en diagonal længde på 76 cm og overført den til en 188 mikron tyk polyethylenterephthalat (PET)-film for at producere en grafenbaseret berøringsskærm [4]. Som vist på figuren nedenfor bindes grafenen, der er dyrket på kobberfolien, først med termisk afisoleringstape (den blå transparente del), derefter opløses kobberfolien ved en kemisk metode, og til sidst overføres grafenen til PET-filmen ved opvarmning.
Nyt fotoelektrisk induktionsudstyr
Grafen har meget unikke optiske egenskaber. Selvom der kun er ét lag af atomer, kan det absorbere 2,3% af det udsendte lys i hele bølgelængdeområdet fra synligt lys til infrarødt. Dette tal har intet at gøre med andre materialeparametre for grafen og bestemmes af kvanteelektrodynamikken [6]. Det absorberede lys vil føre til generering af bærere (elektroner og huller). Genereringen og transporten af bærere i grafen er meget forskellig fra traditionelle halvledere. Dette gør grafen meget velegnet til ultrahurtigt fotoelektrisk induktionsudstyr. Det anslås, at sådant fotoelektrisk induktionsudstyr kan fungere ved en frekvens på 500 GHz. Hvis det bruges til signaltransmission, kan det transmittere 500 milliarder nuller eller ettaller pr. sekund og fuldføre transmissionen af indholdet af to Blu-ray-diske på et sekund.
Eksperter fra IBM Thomas J. Watson Research Centre i USA har brugt grafen til at fremstille fotoelektriske induktionsanordninger, der kan fungere ved en frekvens på 10 GHz [8]. Først blev grafenflager fremstillet på et siliciumsubstrat dækket med 300 nm tyk silica ved hjælp af "tape tearing method", og derefter blev palladiumguld- eller titaniumguldelektroder med et interval på 1 mikron og en bredde på 250 nm fremstillet på den. På denne måde opnås en grafenbaseret fotoelektrisk induktionsanordning.
Skematisk diagram over fotoelektrisk induktionsudstyr til grafen og billeder af faktiske prøver taget med scanningselektronmikroskop (SEM). Den sorte korte linje i figuren svarer til 5 mikron, og afstanden mellem metallinjerne er en mikron.
Gennem eksperimenter fandt forskerne, at denne fotoelektriske induktionsenhed med metalgrafenstruktur kan nå en arbejdsfrekvens på højst 16 GHz og kan arbejde med høj hastighed i bølgelængdeområdet fra 300 nm (nær ultraviolet) til 6 mikron (infrarød), mens det traditionelle fotoelektriske induktionsrør ikke kan reagere på infrarødt lys med længere bølgelængde. Arbejdsfrekvensen for grafenfotoelektrisk induktionsudstyr har stadig stor plads til forbedring. Dens overlegne ydeevne giver den en bred vifte af anvendelsesmuligheder, herunder kommunikation, fjernbetjening og miljøovervågning.
Som et nyt materiale med unikke egenskaber dukker forskningen i anvendelsen af grafen op efter hinanden. Det er vanskeligt for os at opregne dem her. I fremtiden kan der være felteffektrør lavet af grafen, molekylære afbrydere lavet af grafen og molekylære detektorer lavet af grafen i dagligdagen ... Grafen, der gradvist kommer ud af laboratoriet, vil skinne i dagligdagen.
Vi kan forvente, at et stort antal elektroniske produkter, der bruger grafen, vil dukke op i den nærmeste fremtid. Tænk på, hvor interessant det ville være, hvis vores smartphones og netbooks kunne rulles sammen, klemmes fast på vores ører, proppes i vores lommer eller vikles om vores håndled, når de ikke er i brug!
Opslagstidspunkt: 9. marts 2022