Sa bhliain 2010, bhuaigh Geim agus Novoselov Duais Nobel na fisice as a gcuid oibre ar ghraifín. Tá tionchar mór fágtha ag an ngradam seo ar go leor daoine. Tar éis an tsaoil, níl gach uirlis turgnamhach Dhuais Nobel chomh coitianta le téip ghreamaitheach, agus níl gach réad taighde chomh draíochtúil agus chomh héasca le tuiscint le graifín “criostail dhéthoiseach”. Is féidir an obair a bronnadh sa bhliain 2004 a bhronnadh sa bhliain 2010, rud atá annamh i dtaifead Dhuais Nobel le blianta beaga anuas.
Is cineál substainte é graifín atá comhdhéanta de shraith aonair d'adaimh charbóin atá suite go dlúth i laitís heicseagánach dháthoiseach cosúil le cíor mheala. Cosúil le diamant, graifít, fullairéin, nana-fheadáin charbóin agus carbón neamhchruthach, is substaint (substaint shimplí) í atá comhdhéanta d'eilimintí carbóin. Mar a thaispeántar sa fhigiúr thíos, is féidir fullairéiní agus nana-fheadáin charbóin a fheiceáil mar rud atá rollta suas ar bhealach éigin ó shraith aonair graifíne, atá cruachta ag go leor sraitheanna graifíne. Tá an taighde teoiriciúil ar úsáid graifíne chun airíonna substaintí simplí carbóin éagsúla (graifít, nana-fheadáin charbóin agus graifín) a chur síos ar siúl le beagnach 60 bliain, ach creidtear go ginearálta go bhfuil sé deacair ábhair dhéthoiseacha den sórt sin a bheith ann go cobhsaí leo féin, ceangailte le dromchla an tsubstráit tríthoiseach nó taobh istigh de shubstaintí cosúil le graifít amháin. Níor bhain Andre Geim agus a mhac léinn Konstantin Novoselov sraith aonair graifíne as graifít trí thurgnaimh go dtí 2004 gur bhain an taighde ar ghraifín forbairt nua amach.
Is féidir féachaint ar an bhfúlairéin (ar chlé) agus ar an nanafheadán carbóin (ar lár) araon mar rud atá rollta suas ag sraith aonair graiféine ar bhealach éigin, agus tá graifít (ar dheis) cruachta ag sraitheanna iolracha graiféine trí nasc fhórsa van der Waals.
Sa lá atá inniu ann, is féidir grafín a fháil ar go leor bealaí, agus tá buntáistí agus míbhuntáistí ag baint le modhanna éagsúla. Fuair Geim agus Novoselov grafín ar bhealach simplí. Ag baint úsáide as téip thrédhearcach atá ar fáil i ollmhargaí, bhain siad grafín, bileog graifíte le sraith amháin d'adaimh charbóin ar tiús, as píosa graifíte pirilítigh ard-ord. Tá sé seo áisiúil, ach níl an inrialaitheacht chomh maith sin, agus ní féidir grafín le méid níos lú ná 100 miocrón (an deichiú cuid de mhilliméadar) a fháil ach amháin, ar féidir é a úsáid le haghaidh turgnaimh, ach tá sé deacair é a úsáid le haghaidh feidhmeanna praiticiúla. Is féidir le taisceadh gaile ceimiceach samplaí grafíne le méid na ndeicheanna ceintiméadar a fhás ar dhromchla an mhiotail. Cé nach bhfuil ach 100 miocrón sa limistéar le treoshuíomh comhsheasmhach [3,4], tá sé oiriúnach do riachtanais táirgthe roinnt feidhmeanna. Modh coitianta eile is ea criostal sileacain charbíde (SIC) a théamh go dtí níos mó ná 1100 ℃ i bhfolús, ionas go ngalaíonn na hadaimh sileacain in aice leis an dromchla, agus go ndéantar na hadaimh charbóin atá fágtha a athchóiriú, rud a fhéadann samplaí grafíne le hairíonna maithe a fháil freisin.
Is ábhar nua é graifín a bhfuil airíonna uathúla aige: tá a sheoltacht leictreach chomh maith le copar, agus tá a sheoltacht theirmeach níos fearr ná aon ábhar ar a bhfuil aithne air. Tá sé an-trédhearcach. Ní ionsóidh graifín ach cuid bheag (2.3%) den solas infheicthe ingearach, agus rachaidh an chuid is mó den solas tríd. Tá sé chomh dlúth sin nach féidir fiú le hadaimh héiliam (na móilíní gáis is lú) dul tríd. Ní oidhreacht dhíreach ón ngraifín a fhaightear na hairíonna draíochta seo, ach ón meicnic chandamach. Cinneann a airíonna leictreacha agus optúla uathúla go bhfuil ionchais leathana feidhme aige.
Cé nach bhfuil grafín le feiceáil ach le níos lú ná deich mbliana, tá go leor feidhmeanna teicniúla léirithe aige, rud atá an-annamh i réimsí na fisice agus na heolaíochta ábhar. Tógann sé níos mó ná deich mbliana nó fiú blianta fada d’ábhair ghinearálta bogadh ón tsaotharlann go dtí an saol fíor. Cad é úsáid grafín? Féachfaimid ar dhá shampla.
Leictreoid bhog trédhearcach
I go leor fearas leictreach, ní mór ábhair sheoltacha trédhearcacha a úsáid mar leictreoidí. Ní féidir le uaireadóirí leictreonacha, áireamháin, teilifíseáin, taispeántais criostail leachta, scáileáin tadhaill, painéil ghréine agus go leor gléasanna eile leictreoidí trédhearcacha a fhágáil. Úsáideann an leictreoid thraidisiúnta thrédhearcach ocsaíd stáin indium (ITO). Mar gheall ar an bpraghas ard agus an soláthar teoranta indium, bíonn an t-ábhar sobhriste agus gan mórán solúbthachta ann, agus ní mór an leictreoid a thaisceadh sa chiseal lár folúis, agus tá an costas sách ard. Le fada an lá, tá eolaithe ag iarraidh a ionadaí a aimsiú. Chomh maith leis na ceanglais maidir le trédhearcacht, dea-sheoltacht agus ullmhúchán éasca, má tá solúbthacht mhaith ag an ábhar féin, beidh sé oiriúnach chun “páipéar leictreonach” nó gléasanna taispeána fillte eile a dhéanamh. Dá bhrí sin, is gné an-tábhachtach í an tsolúbthacht freisin. Is ábhar den sórt sin é graifín, atá an-oiriúnach do leictreoidí trédhearcacha.
Fuair taighdeoirí ó Samsung agus Ollscoil Chengjunguan sa Chóiré Theas graifín le fad trasnánach de 30 orlach trí thaisceadh gaile ceimiceach agus aistríodh é chuig scannán poileitiléin teireataláit (PET) 188 micrón tiubh chun scáileán tadhaill bunaithe ar ghraifín a tháirgeadh [4]. Mar a thaispeántar sa fhigiúr thíos, nasctar an graifín a fhásann ar an scragall copair ar dtús leis an téip stiallta teirmeach (cuid ghorm thrédhearcach), ansin tuaslagtar an scragall copair trí mhodh ceimiceach, agus ar deireadh aistrítear an graifín chuig an scannán PET trí théamh.
Trealamh ionduchtaithe fótaileictreach nua
Tá airíonna optúla an-uathúla ag graifín. Cé nach bhfuil ach ciseal amháin adamh ann, is féidir leis 2.3% den solas a astaítear a ionsú sa raon tonnfhaid iomlán ó sholas infheicthe go solas infridhearg. Níl baint ar bith ag an uimhir seo le paraiméadair ábhartha eile graifíne agus is í an leictreidinimic chandamach a chinneann í [6]. Mar thoradh ar an solas ionsúite, ginfear iompróirí (leictreoin agus poill). Tá giniúint agus iompar iompróirí i ngraifín an-difriúil ó na cinn i leathsheoltóirí traidisiúnta. Fágann sé seo go bhfuil graifín an-oiriúnach do threalamh ionduchtaithe fótaileictrigh thar a bheith gasta. Meastar gur féidir le trealamh ionduchtaithe fótaileictrigh den sórt sin oibriú ag minicíocht 500ghz. Má úsáidtear é le haghaidh tarchur comhartha, is féidir leis 500 billiún nialas nó aonaid in aghaidh an tsoicind a tharchur, agus tarchur ábhar dhá dhiosca Blu-ray a chríochnú i soicind amháin.
Tá saineolaithe ó Ionad Taighde IBM Thomas J. Watson sna Stáit Aontaithe tar éis úsáid a bhaint as graifín chun gléasanna ionduchtaithe fótaileictrigh a mhonarú ar féidir leo oibriú ag minicíocht 10GHz [8]. Ar dtús, ullmhaíodh calóga graifíne ar foshraith sileacain clúdaithe le shilice 300 nm tiubh trí “mhodh stróicthe téipe”, agus ansin rinneadh leictreoidí óir pallaidiam nó óir tíotáiniam le eatramh 1 micrón agus leithead 250 nm orthu. Ar an mbealach seo, faightear gléas ionduchtaithe fótaileictrigh bunaithe ar ghraifín.
Léaráid sceitseach de threalamh ionduchtaithe fótaileictrigh graiféine agus grianghraif micreascóp leictreon scanála (SEM) de shamplaí iarbhír. Freagraíonn an líne ghearr dhubh sa fhigiúr do 5 mhicrón, agus is é micrón amháin an fad idir línte miotail.
Trí thurgnaimh, fuair na taighdeoirí amach gur féidir leis an bhfeiste ionduchtaithe fótaileictrigh struchtúr miotail graifíne seo minicíocht oibre 16ghz a bhaint amach ar a mhéad, agus gur féidir léi oibriú ag luas ard sa raon tonnfhaid ó 300 nm (gar d’ultraivéalait) go 6 mhicrón (infridhearg), agus nach féidir leis an bhfeadán ionduchtaithe fótaileictrigh traidisiúnta freagairt do sholas infridhearg le tonnfhad níos faide. Tá seans mór fós ann feabhas a chur ar mhinicíocht oibre an trealaimh ionduchtaithe fótaileictrigh graifíne. A bhuíochas dá feidhmíocht níos fearr, tá raon leathan ionchais feidhmchláir aici, lena n-áirítear cumarsáid, rialú iargúlta agus monatóireacht chomhshaoil.
Mar ábhar nua le hairíonna uathúla, tá an taighde ar úsáid grafíne ag teacht chun cinn ceann i ndiaidh a chéile. Tá sé deacair dúinn iad a liostú anseo. Amach anseo, d'fhéadfadh feadáin éifeacht réimse déanta as grafíne, lasca móilíneacha déanta as grafíne agus brathadóirí móilíneacha déanta as grafíne a bheith ann sa saol laethúil… Beidh grafín a thagann amach as an tsaotharlann de réir a chéile le feiceáil sa saol laethúil.
Is féidir linn a bheith ag súil go mbeidh líon mór táirgí leictreonacha ag baint úsáide as graifín le feiceáil go luath amach anseo. Smaoinigh ar cé chomh suimiúil a bheadh sé dá bhféadfaí ár bhfóin chliste agus ár ríomhairí glúine a rolladh suas, a cheangal ar ár gcluasa, a chur inár bpócaí, nó a fhilleadh timpeall ár gcaol na láimhe nuair nach bhfuil siad in úsáid!
Am an phoist: 9 Márta 2022