En 2010, Geim kaj Novoselov gajnis la Nobel-premion pri fiziko pro sia laboro pri grafeno. Ĉi tiu premio lasis profundan impreson sur multajn homojn. Efektive, ne ĉiu eksperimenta ilo premiita de la Nobel-premio estas tiel ofta kiel glubendo, kaj ne ĉiu esplorobjekto estas tiel magia kaj facile komprenebla kiel "dudimensia kristalo" de grafeno. La laboro en 2004 povus esti premiita en 2010, kio estas malofta en la rekordo de Nobel-premioj en la lastaj jaroj.
Grafeno estas speco de substanco konsistanta el ununura tavolo de karbonatomoj dense aranĝitaj en dudimensian mielĉelaran seslateran kradon. Kiel diamanto, grafito, fulereno, karbonaj nanotuboj kaj amorfa karbono, ĝi estas substanco (simpla substanco) konsistanta el karbonaj elementoj. Kiel montrite en la suba figuro, fulerenoj kaj karbonaj nanotuboj povas esti vidataj kiel iel kunvolvitaj el ununura tavolo de grafeno, kiu estas stakigita de multaj tavoloj de grafeno. La teoria esplorado pri la uzo de grafeno por priskribi la ecojn de diversaj karbonaj simplaj substancoj (grafito, karbonaj nanotuboj kaj grafeno) daŭras preskaŭ 60 jarojn, sed oni ĝenerale kredas, ke tiaj dudimensiaj materialoj malfacile ekzistas stabile solaj, nur alkroĉitaj al la tridimensia substrata surfaco aŭ interne de substancoj kiel grafito. Nur en 2004, kiam Andre Geim kaj lia studento Konstantin Novoselov forigis ununuran tavolon de grafeno de grafito per eksperimentoj, la esplorado pri grafeno atingis novan disvolviĝon.
Kaj fulereno (maldekstre) kaj karbonnanotubo (meze) povas esti rigardataj kiel iel kunvolvitaj per ununura tavolo de grafeno, dum grafito (dekstre) estas stakigita per pluraj tavoloj de grafeno per la ligo de forto de van der Waals.
Nuntempe, grafeno povas esti akirita laŭ multaj manieroj, kaj malsamaj metodoj havas siajn proprajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn. Geim kaj Novoselov akiris grafenon simple. Uzante travideblan glubendon haveblan en superbazaroj, ili forigis grafenon, grafitan tavolon kun nur unu tavolo de karbonatomoj dika, de peco de altkvalita piroliza grafito. Ĉi tio estas oportuna, sed la kontrolebleco ne estas tiel bona, kaj grafeno kun grandeco malpli ol 100 mikrometroj (unu dekono de milimetro) povas esti akirita nur, kio povas esti uzata por eksperimentoj, sed malfacile uzebla por praktikaj aplikoj. Kemia vapora deponado povas kreskigi grafenajn specimenojn kun grandeco de dekoj da centimetroj sur la metala surfaco. Kvankam la areo kun kohera orientiĝo estas nur 100 mikrometroj [3,4], ĝi taŭgis por la produktadaj bezonoj de iuj aplikoj. Alia komuna metodo estas varmigi la kristalon de silicia karbido (SIC) ĝis pli ol 1100 ℃ en vakuo, tiel ke la siliciatomoj proksime al la surfaco vaporiĝas, kaj la ceteraj karbonatomoj estas rearanĝitaj, kio ankaŭ povas akiri grafenajn specimenojn kun bonaj ecoj.
Grafeno estas nova materialo kun unikaj ecoj: ĝia elektra konduktiveco estas tiel bonega kiel kupro, kaj ĝia varmokonduktiveco estas pli bona ol iu ajn konata materialo. Ĝi estas tre travidebla. Nur malgranda parto (2.3%) de la vertikala incida videbla lumo estos absorbita de grafeno, kaj plejparto de la lumo trairos ĝin. Ĝi estas tiel densa, ke eĉ heliumaj atomoj (la plej malgrandaj gasmolekuloj) ne povas trairi ĝin. Ĉi tiuj magiaj ecoj ne estas rekte hereditaj de grafito, sed de kvantuma mekaniko. Ĝiaj unikaj elektraj kaj optikaj ecoj determinas, ke ĝi havas larĝajn aplikajn perspektivojn.
Kvankam grafeno aperis nur dum malpli ol dek jaroj, ĝi montris multajn teknikajn aplikojn, kio estas tre malofta en la kampoj de fiziko kaj materialscienco. Daŭras pli ol dek jarojn aŭ eĉ jardekojn por ke ĝeneralaj materialoj transiru de laboratorio al reala vivo. Kio estas la utilo de grafeno? Ni rigardu du ekzemplojn.
Mola travidebla elektrodo
En multaj elektraj aparatoj, travideblaj konduktivaj materialoj devas esti uzataj kiel elektrodoj. Elektronikaj horloĝoj, kalkuliloj, televidiloj, likvokristalaj ekranoj, tuŝekranoj, sunpaneloj kaj multaj aliaj aparatoj ne povas forlasi la ekziston de travideblaj elektrodoj. La tradicia travidebla elektrodo uzas indian stanan oksidon (ITO). Pro la alta prezo kaj limigita provizo de indio, la materialo estas fragila kaj mankas fleksebleco, kaj la elektrodo devas esti deponita en la meza tavolo de vakuo, kaj la kosto estas relative alta. Jam delonge, sciencistoj provas trovi ĝian anstataŭaĵon. Aldone al la postuloj de travidebleco, bona konduktiveco kaj facila preparado, se la fleksebleco de la materialo mem estas bona, ĝi taŭgos por fari "elektronikan paperon" aŭ aliajn faldeblajn ekranajn aparatojn. Tial, fleksebleco ankaŭ estas tre grava aspekto. Grafeno estas tia materialo, kiu estas tre taŭga por travideblaj elektrodoj.
Esploristoj de Samsung kaj la Universitato Chengjunguan en Sud-Koreio akiris grafenon kun diagonala longo de 30 coloj per kemia vapora deponado kaj translokigis ĝin al 188 mikrometrojn dika polietilena tereftalata (PET) filmo por produkti grafeno-bazitan tuŝekranon [4]. Kiel montrite en la suba figuro, la grafeno kreskigita sur la kupra folio unue estas ligita per la termika foriga bendo (blua travidebla parto), poste la kupra folio estas solvita per kemia metodo, kaj fine la grafeno estas translokigita al la PET-filmo per varmigo.
Nova fotoelektra indukekipaĵo
Grafeno havas tre unikajn optikajn ecojn. Kvankam estas nur unu tavolo de atomoj, ĝi povas absorbi 2.3% de la elsendita lumo en la tuta ondolonga gamo de videbla lumo ĝis infraruĝo. Ĉi tiu nombro havas nenion komunan kun aliaj materialaj parametroj de grafeno kaj estas determinita de kvantuma elektrodinamiko [6]. La absorbita lumo kondukos al la generado de portantoj (elektronoj kaj truoj). La generado kaj transporto de portantoj en grafeno estas tre malsamaj ol tiuj en tradiciaj duonkonduktaĵoj. Ĉi tio igas grafenon tre taŭga por ultrarapidaj fotoelektraj induktaj ekipaĵoj. Oni taksas, ke tia fotoelektra induktaj ekipaĵoj povas funkcii je la frekvenco de 500 GHz. Se ĝi estas uzata por signala transdono, ĝi povas transdoni 500 miliardojn da nuloj aŭ unuoj po sekundo, kaj kompletigi la transdonon de la enhavo de du Blu-radiaj diskoj en unu sekundo.
Fakuloj de la esplorcentro IBM Thomas J. Watson en Usono uzis grafenon por fabriki fotoelektrajn induktajn aparatojn, kiuj povas funkcii je frekvenco de 10 GHz [8]. Unue, grafenaj flokoj estis preparitaj sur silicia substrato kovrita per 300 nm dika siliko per "benda ŝirmetodo", kaj poste paladioraj aŭ titaniaj oraj elektrodoj kun intervalo de 1 mikrometro kaj larĝo de 250 nm estis faritaj sur ĝi. Tiel oni akiras grafeno-bazitan fotoelektran induktan aparaton.
Skemo de grafeno-fotoelektra indukekipaĵo kaj skana elektronmikroskopo (SEM) fotoj de faktaj specimenoj. La nigra mallonga linio en la figuro respondas al 5 mikrometroj, kaj la distanco inter la metalaj linioj estas unu mikrometro.
Per eksperimentoj, la esploristoj trovis, ke ĉi tiu metal-grafena metalstruktura fotoelektra indukta aparato povas atingi maksimuman laborfrekvencon de 16 GHz, kaj povas funkcii je alta rapideco en la ondolonga gamo de 300 nm (preskaŭ ultraviola) ĝis 6 mikrometroj (infraruĝa), dum la tradicia fotoelektra indukta tubo ne povas respondi al infraruĝa lumo kun pli longa ondolongo. La laborfrekvenco de grafena fotoelektra indukta ekipaĵo ankoraŭ havas grandan spacon por plibonigo. Ĝia supera funkciado ebligas al ĝi ampleksan gamon da aplikaj perspektivoj, inkluzive de komunikado, teleregado kaj media monitorado.
Kiel nova materialo kun unikaj ecoj, la esplorado pri la apliko de grafeno aperas unu post alia. Estas malfacile por ni listigi ilin ĉi tie. En la estonteco, eble estos kampefikaj tuboj faritaj el grafeno, molekulaj ŝaltiloj faritaj el grafeno kaj molekulaj detektiloj faritaj el grafeno en ĉiutaga vivo... Grafeno, kiu iom post iom eliras el la laboratorio, brilos en ĉiutaga vivo.
Ni povas atendi, ke granda nombro da elektronikaj produktoj uzantaj grafeno aperos en la proksima estonteco. Pensu pri tio, kiel interese estus, se niaj inteligentaj telefonoj kaj tekokomputiloj povus esti kunvolvitaj, fiksitaj al niaj oreloj, ŝtopitaj en niaj poŝoj, aŭ ĉirkaŭvolvitaj ĉirkaŭ niaj pojnoj kiam ne uzataj!
Afiŝtempo: Mar-09-2022