Vuonna 2010 Geim ja Novoselov voittivat Nobelin fysiikanpalkinnon grafeenia koskevasta työstään. Tämä palkinto on tehnyt syvän vaikutuksen moniin ihmisiin. Loppujen lopuksi kaikki Nobel-palkinnon saaneet kokeelliset työkalut eivät ole yhtä yleisiä kuin teippi, eivätkä kaikki tutkimuskohteet ole yhtä maagisia ja helposti ymmärrettäviä kuin "kaksiulotteinen kristalli" grafeeni. Vuoden 2004 työ voidaan myöntää vuonna 2010, mikä on harvinaista Nobel-palkintojen historiassa viime vuosina.
Grafeeni on eräänlainen aine, joka koostuu yhdestä hiiliatomikerroksesta, jotka ovat tiiviisti järjestäytyneet kaksiulotteiseksi hunajakennomaiseksi kuusikulmaiseksi hilaksi. Kuten timantti, grafiitti, fullereeni, hiilinanoputket ja amorfinen hiili, se on aine (yksinkertainen aine), joka koostuu hiilielementeistä. Kuten alla olevassa kuvassa näkyy, fullereenit ja hiilinanoputket voidaan nähdä jollain tavalla rullautuneena yhdestä grafeenikerroksesta, joka on pinottu useiden grafeenikerrosten päälle. Grafeenin käyttöä erilaisten yksinkertaisten hiiliaineiden (grafiitti, hiilinanoputket ja grafeeni) ominaisuuksien kuvaamiseen koskeva teoreettinen tutkimus on kestänyt lähes 60 vuotta, mutta yleisesti uskotaan, että tällaisten kaksiulotteisten materiaalien on vaikea esiintyä vakaasti yksinään, vain kiinnittyneinä kolmiulotteiseen alustapintaan tai aineiden, kuten grafiitin, sisään. Vasta vuonna 2004 Andre Geim ja hänen oppilaansa Konstantin Novoselov irrottivat yhden grafeenikerroksen grafiitista kokeiden avulla, ja grafeenitutkimus saavutti uutta kehitystä.
Sekä fullereenin (vasemmalla) että hiilinanoputken (keskellä) voidaan katsoa olevan jollain tavalla yhden grafeenikerroksen käärimiä, kun taas grafiitti (oikealla) on pinottu useiden grafeenikerrosten avulla van der Waalsin voiman kytkeytyessä toisiinsa.
Nykyään grafeenia voidaan saada monella tapaa, ja eri menetelmillä on omat etunsa ja haittansa. Geim ja Novoselov saivat grafeenia yksinkertaisella tavalla. Käyttämällä supermarketeista saatavilla olevaa läpinäkyvää teippiä he irrottivat grafeenin, grafiittilevyn, jossa on vain yksi hiiliatomikerros, korkeamman asteen pyrolyyttisestä grafiitista. Tämä on kätevää, mutta hallittavuus ei ole yhtä hyvä, ja saadaan vain alle 100 mikronin (millimetrin kymmenesosan) kokoista grafeenia, jota voidaan käyttää kokeissa, mutta jonka käyttö käytännön sovelluksissa on vaikeaa. Kemiallisella höyrypinnoituksella voidaan kasvattaa kymmenien senttimetrien kokoisia grafeeninäytteitä metallipinnalle. Vaikka tasaisen orientaation omaava alue on vain 100 mikronia [3,4], se on soveltunut joidenkin sovellusten tuotantotarpeisiin. Toinen yleinen menetelmä on piikarbidikiteen (SIC) kuumentaminen yli 1100 ℃:een tyhjiössä, jolloin pinnan lähellä olevat piiatomit haihtuvat ja jäljellä olevat hiiliatomit järjestyvät uudelleen, jolloin voidaan myös saada grafeeninäytteitä, joilla on hyvät ominaisuudet.
Grafeeni on uusi materiaali, jolla on ainutlaatuisia ominaisuuksia: sen sähkönjohtavuus on yhtä erinomainen kuin kuparilla ja sen lämmönjohtavuus on parempi kuin millään tunnetulla materiaalilla. Se on erittäin läpinäkyvä. Vain pieni osa (2,3 %) pystysuoraan tulevasta näkyvästä valosta absorboituu grafeeniin, ja suurin osa valosta kulkee sen läpi. Se on niin tiheää, että edes heliumatomit (pienimmät kaasumolekyylit) eivät pääse sen läpi. Nämä maagiset ominaisuudet eivät ole periytyneet suoraan grafiitista, vaan kvanttimekaniikasta. Sen ainutlaatuiset sähköiset ja optiset ominaisuudet osoittavat, että sillä on laajat sovellusmahdollisuudet.
Vaikka grafeenia on käytetty vasta alle kymmenen vuotta, sillä on ollut monia teknisiä sovelluksia, mikä on hyvin harvinaista fysiikan ja materiaalitieteen aloilla. Yleisten materiaalien siirtyminen laboratorioista tosielämään kestää yli kymmenen vuotta tai jopa vuosikymmeniä. Mitä hyötyä grafeenista on? Katsotaanpa kahta esimerkkiä.
Pehmeä läpinäkyvä elektrodi
Monissa sähkölaitteissa elektrodeina on käytettävä läpinäkyviä johtavia materiaaleja. Elektroniset kellot, laskimet, televisiot, nestekidenäytöt, kosketusnäytöt, aurinkopaneelit ja monet muut laitteet eivät voi jättää läpinäkyviä elektrodeja käyttämättä. Perinteinen läpinäkyvä elektrodi käyttää indiumtinaoksidia (ITO). Indiumin korkean hinnan ja rajallisen saatavuuden vuoksi materiaali on haurasta ja joustamatonta, ja elektrodi on kerrostettava tyhjiön keskikerrokseen, ja kustannukset ovat suhteellisen korkeat. Tutkijat ovat jo pitkään yrittäneet löytää sille korvaavaa materiaalia. Läpinäkyvyyden, hyvän johtavuuden ja helpon valmistuksen vaatimusten lisäksi, jos itse materiaalin joustavuus on hyvä, se soveltuu "elektronisen paperin" tai muiden taitettavien näyttölaitteiden valmistukseen. Siksi joustavuus on myös erittäin tärkeä näkökohta. Grafeeni on tällainen materiaali, joka sopii erittäin hyvin läpinäkyviin elektrodeihin.
Samsungin ja eteläkorealaisen Chengjunguanin yliopiston tutkijat hankkivat kemiallisella höyrypinnoituksella grafeenia, jonka lävistäjä oli 30 tuumaa, ja siirsivät sen 188 mikronin paksuiselle polyeteenitereftalaatti- (PET) kalvolle grafeenipohjaisen kosketusnäytön valmistamiseksi [4]. Kuten alla olevassa kuvassa näkyy, kuparifoliolle kasvatettu grafeeni liimataan ensin lämpöstrippausnauhalla (sininen läpinäkyvä osa), sitten kuparifolio liuotetaan kemiallisella menetelmällä ja lopuksi grafeeni siirretään PET-kalvolle kuumentamalla.
Uudet valosähköiset induktiolaitteet
Grafeenilla on hyvin ainutlaatuiset optiset ominaisuudet. Vaikka siinä on vain yksi atomikerros, se voi absorboida 2,3 % emittoidusta valosta koko aallonpituusalueella näkyvästä valosta infrapunaan. Tällä luvulla ei ole mitään tekemistä grafeenin muiden materiaaliparametrien kanssa, ja se määräytyy kvanttielektrodynamiikan perusteella [6]. Absorboitunut valo johtaa varauksenkuljettajien (elektronien ja aukkojen) syntymiseen. Varauksenkuljettajien syntyminen ja kuljetus grafeenissa on hyvin erilaista kuin perinteisissä puolijohteissa. Tämä tekee grafeenista erittäin sopivan ultranopeille valosähköisille induktiolaitteille. On arvioitu, että tällaiset valosähköiset induktiolaitteet voivat toimia 500 GHz:n taajuudella. Jos sitä käytetään signaalinsiirtoon, se voi lähettää 500 miljardia nollaa tai ykköstä sekunnissa ja siirtää kahden Blu-ray-levyn sisällön yhdessä sekunnissa.
Yhdysvaltalaisen IBM Thomas J. Watson -tutkimuskeskuksen asiantuntijat ovat käyttäneet grafeenia 10 GHz:n taajuudella toimivien fotoelektristen induktiolaitteiden valmistukseen [8]. Ensin grafeenihiutaleita valmistettiin piialustalle, joka oli päällystetty 300 nm:n paksuisella piidioksidilla, "nauhan repimismenetelmällä", ja sitten niille tehtiin palladium-kulta- tai titaanikultaelektrodit, joiden väli oli 1 mikroni ja leveys 250 nm. Tällä tavoin saatiin grafeenipohjainen fotoelektrinen induktiolaite.
Grafeenifotoelektrisen induktiolaitteiston kaaviokuva ja pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) otetut kuvat todellisista näytteistä. Kuvassa oleva musta lyhyt viiva vastaa 5 mikronia ja metalliviivojen välinen etäisyys on yksi mikroni.
Kokeiden avulla tutkijat havaitsivat, että tämä metalli-grafeenimetallirakenteinen fotoelektrinen induktiolaite voi saavuttaa korkeintaan 16 GHz:n toimintataajuuden ja toimia suurella nopeudella aallonpituusalueella 300 nm (lähi-ultravioletti) - 6 mikronia (infrapuna), kun taas perinteinen fotoelektrinen induktioputki ei pysty reagoimaan pidempiin infrapunavaloihin. Grafeenifotoelektrisen induktiolaitteen toimintataajuudessa on vielä paljon parantamisen varaa. Sen erinomainen suorituskyky tarjoaa laajan valikoiman sovellusmahdollisuuksia, mukaan lukien tiedonsiirto, kauko-ohjaus ja ympäristön seuranta.
Uutena materiaalina ja ainutlaatuisilla ominaisuuksilla grafeenin soveltamista tutkitaan jatkuvasti. Meidän on vaikea luetella niitä tässä. Tulevaisuudessa arkielämässä saattaa olla grafeenista valmistettuja kenttävaikutusputkia, grafeenista valmistettuja molekyylikytkimiä ja grafeenista valmistettuja molekyyli-ilmaisimia... Laboratorioista vähitellen ulos tuleva grafeeni tulee loistamaan arkielämässä.
Voimme odottaa, että lähitulevaisuudessa ilmestyy suuri määrä grafeenia käyttäviä elektronisia tuotteita. Ajattele, kuinka mielenkiintoista olisi, jos älypuhelimemme ja netbookimme voitaisiin rullata, kiinnittää korviimme, tunkea taskuihimme tai kietoa ranteidemme ympärille, kun niitä ei käytetä!
Julkaisun aika: 09.03.2022