2010. aastal võitsid Geim ja Novoselov grafeeni alase töö eest Nobeli füüsikapreemia. See auhind on jätnud paljudele inimestele sügava mulje. Lõppude lõpuks pole iga Nobeli preemiaga seotud eksperimentaalne tööriist nii tavaline kui teip ja iga uurimisobjekt pole nii maagiline ja kergesti mõistetav kui „kahemõõtmeline kristall” grafeen. 2004. aasta töö saab auhinna 2010. aastal, mis on viimaste aastate Nobeli preemiate ajaloos haruldane.
Grafeen on aine, mis koosneb ühest süsinikuaatomite kihist, mis on tihedalt paigutatud kahemõõtmelisse kärgstruktuurilisse kuusnurksesse võresse. Nagu teemant, grafiit, fullereen, süsiniknanotorud ja amorfne süsinik, on see aine (lihtaine), mis koosneb süsiniku elementidest. Nagu alloleval joonisel näidatud, võib fullereene ja süsiniknanotorusid vaadelda kui ühelt grafeenikihilt kokku rullitud aineid, mis on omakorda virnastatud paljude grafeenikihtidega. Grafeeni kasutamise teoreetilised uuringud erinevate süsiniku lihtainete (grafiit, süsiniknanotorud ja grafeen) omaduste kirjeldamiseks on kestnud ligi 60 aastat, kuid üldiselt arvatakse, et selliseid kahemõõtmelisi materjale on raske stabiilselt üksi eksisteerida, ainult kolmemõõtmelise aluspinna külge kinnitatuna või ainete, näiteks grafiidi sees. Alles 2004. aastal eemaldasid Andre Geim ja tema õpilane Konstantin Novoselov katsete abil grafiidist ühe grafeenikihi, mis viis grafeeniuuringuteni.
Nii fullereeni (vasakul) kui ka süsiniknanotoru (keskel) võib vaadelda kui mingil moel ühe grafeenikihi poolt kokku rullitud, samas kui grafiit (paremal) on van der Waalsi jõu ühenduses mitme grafeenikihi vahel virnastatud.
Tänapäeval on grafeeni võimalik saada mitmel viisil ning erinevatel meetoditel on oma eelised ja puudused. Geim ja Novoselov said grafeeni lihtsal viisil. Supermarketites müüdava läbipaistva lindi abil eemaldasid nad grafeeni, mis on ainult ühe süsinikuaatomite kihi paksune grafiidileht, kõrgema astme pürolüütilisest grafiidist. See on mugav, kuid juhitavus pole nii hea ja saada saab ainult alla 100 mikroni (kümnendik millimeetri) suuruse grafeeni, mida saab kasutada katseteks, kuid praktilistes rakendustes on seda keeruline kasutada. Keemilise aurustamise teel saab metalli pinnale kasvatada kümnete sentimeetrite suuruseid grafeeniproove. Kuigi ühtlase orientatsiooniga pindala on vaid 100 mikronit [3,4], on see sobinud mõnede rakenduste tootmisvajaduste rahuldamiseks. Teine levinud meetod on ränikarbiidi (SIC) kristalli kuumutamine vaakumis temperatuurini üle 1100 ℃, nii et pinna lähedal olevad räni aatomid aurustuvad ja ülejäänud süsiniku aatomid paigutuvad ümber, mille abil saab samuti saada heade omadustega grafeeniproove.
Grafeen on uus materjal ainulaadsete omadustega: selle elektrijuhtivus on sama suurepärane kui vasel ja soojusjuhtivus parem kui ühelgi teisel teadaoleval materjalil. See on väga läbipaistev. Grafeen neelab vertikaalselt langevast nähtavast valgusest vaid väikese osa (2,3%) ja suurem osa valgusest läbib seda. See on nii tihe, et isegi heeliumi aatomid (väikseimad gaasimolekulid) ei pääse sellest läbi. Need maagilised omadused ei ole otseselt päritud grafiidist, vaid kvantmehaanikast. Selle ainulaadsed elektrilised ja optilised omadused määravad selle laialdased rakendusvõimalused.
Kuigi grafeen on ilmunud alles vähem kui kümme aastat tagasi, on sellel olnud palju tehnilisi rakendusi, mis on füüsika ja materjaliteaduse valdkonnas väga haruldane. Üldmaterjalide jõudmine laborist reaalsesse ellu võtab rohkem kui kümme aastat või isegi aastakümneid. Mis kasu on grafeenist? Vaatame kahte näidet.
Pehme läbipaistev elektrood
Paljudes elektriseadmetes tuleb elektroodidena kasutada läbipaistvaid juhtivaid materjale. Elektroonilised kellad, kalkulaatorid, telerid, vedelkristallekraanid, puutetundlikud ekraanid, päikesepaneelid ja paljud teised seadmed ei saa läbipaistvatest elektroodidest loobuda. Traditsiooniline läbipaistev elektrood kasutab indiumtinaoksiidi (ITO). Indiumi kõrge hinna ja piiratud pakkumise tõttu on materjal habras ja paindumatu ning elektrood tuleb sadestada vaakumi keskmisesse kihti ja selle maksumus on suhteliselt kõrge. Teadlased on pikka aega püüdnud leida sellele asendajat. Lisaks läbipaistvuse, hea juhtivuse ja hõlpsa valmistamise nõuetele sobib materjal, kui selle enda painduvus on hea, ka "elektroonilise paberi" või muude kokkupandavate kuvarite valmistamiseks. Seetõttu on painduvus samuti väga oluline aspekt. Grafeen on selline materjal, mis sobib väga hästi läbipaistvate elektroodide jaoks.
Samsungi ja Lõuna-Korea Chengjunguani ülikooli teadlased said keemilise aurustamise teel grafeeni diagonaaliga 30 tolli ja kandsid selle 188 mikroni paksusele polüetüleentereftalaatkilele (PET-kilele), et toota grafeenipõhine puutetundlik ekraan [4]. Nagu alloleval joonisel näidatud, ühendatakse vaskfooliumile kasvatatud grafeen kõigepealt termoeemalduslindiga (sinine läbipaistev osa), seejärel lahustatakse vaskfoolium keemilisel meetodil ja lõpuks kantakse grafeen kuumutamise teel PET-kilele.
Uus fotoelektriline induktsiooniseade
Grafeenil on väga ainulaadsed optilised omadused. Kuigi aatomite kiht on ainult üks, suudab see neelata 2,3% kiiratavast valgusest kogu lainepikkuste vahemikus nähtavast valgusest kuni infrapunani. Sellel arvul pole mingit pistmist grafeeni teiste materjaliparameetritega ja see on määratud kvantelektroodünaamika abil [6]. Neeldunud valgus viib laengukandjate (elektronide ja aukude) tekkimiseni. Laengukandjate genereerimine ja transport grafeenis erineb traditsioonilistest pooljuhtidest väga palju. See teeb grafeeni väga sobivaks ülikiirete fotoelektriliste induktsiooniseadmete jaoks. Hinnanguliselt võivad sellised fotoelektrilised induktsiooniseadmed töötada sagedusel 500 GHz. Signaali edastamiseks kasutamisel suudab see edastada 500 miljardit nulli või ühte sekundis ja edastada kahe Blu-ray plaadi sisu ühe sekundiga.
IBM-i Thomas J. Watsoni uurimiskeskuse eksperdid Ameerika Ühendriikides on kasutanud grafeeni fotoelektriliste induktsiooniseadmete valmistamiseks, mis suudavad töötada sagedusel 10 GHz [8]. Esmalt valmistati grafeenihelbed ränisubstraadile, mis oli kaetud 300 nm paksuse ränidioksiidiga, "lindi rebimise meetodil", ja seejärel tehti neile pallaadium-kulla- või titaan-kullaelektroodid vahekaugusega 1 mikron ja laiusega 250 nm. Sel viisil saadakse grafeenipõhine fotoelektriline induktsiooniseade.
Grafeeni fotoelektrilise induktsiooniseadme skemaatiline diagramm ja tegelike proovide skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) fotod. Joonisel olev must lühike joon vastab 5 mikronile ja metalljoonte vaheline kaugus on üks mikron.
Katsete käigus leidsid teadlased, et see metallgrafeenist metallstruktuuriga fotoelektriline induktsiooniseade saavutab maksimaalselt 16 GHz töösageduse ja töötab suurel kiirusel lainepikkuste vahemikus 300 nm (lähiultraviolett) kuni 6 mikronini (infrapuna), samas kui traditsiooniline fotoelektriline induktsioonitoru ei suuda reageerida pikema lainepikkusega infrapunavalgusele. Grafeenist fotoelektrilise induktsiooniseadme töösagedusel on veel palju arenguruumi. Selle suurepärane jõudlus pakub laia valikut rakendusvõimalusi, sealhulgas side, kaugjuhtimine ja keskkonnaseire.
Kuna tegemist on uue ja ainulaadsete omadustega materjaliga, kerkib grafeeni rakendusi käsitlevate uuringute arv järjest esile. Meil on raske neid siin loetleda. Tulevikus võivad igapäevaelus olla grafeenist valmistatud väljaefektiga torud, molekulaarlülitid ja molekulaardetektorid... Grafeen, mis laborist järk-järgult välja tuleb, särab igapäevaelus.
Võib eeldada, et lähitulevikus ilmub turule suur hulk grafeeni kasutavaid elektroonikatooteid. Mõelge vaid, kui huvitav oleks, kui meie nutitelefonid ja sülearvutid saaks kokku rullida, kõrvadele kinnitada, taskusse pista või mittekasutamisel randme ümber keerata!
Postituse aeg: 09.03.2022