Ann an 2010, bhuannaich Geim agus Novoselov Duais Nobel ann am fiosaig airson an cuid obrach air grafaen. Tha an duais seo air buaidh mhòr fhàgail air mòran dhaoine. Às dèidh a h-uile càil, chan eil a h-uile inneal deuchainneach Duais Nobel cho cumanta ri teip ghreamachaidh, agus chan eil a h-uile nì rannsachaidh cho draoidheil agus cho furasta a thuigsinn ri grafaen “criostail dà-thaobhach”. Faodar an obair ann an 2004 a bhuileachadh ann an 2010, rud a tha tearc ann an clàr Duais Nobel anns na bliadhnachan mu dheireadh.
'S e seòrsa stuth a th' ann an graphene anns a bheil aon shreath de dadaman gualain air an cur ri chèile gu dlùth ann an laitís sia-thaobhach dà-thaobhach coltach ri cìr-mheala. Coltach ri daoimean, grafait, fullerene, nanotuban gualain agus gualain neo-chruthach, 's e stuth (stuth sìmplidh) a th' ann air a dhèanamh suas de eileamaidean gualain. Mar a chithear san fhigear gu h-ìosal, chithear fullerenes agus nanotuban gualain mar gum biodh iad air an roiligeadh suas ann an dòigh air choreigin bho aon shreath de graphene, a tha air a chruachadh le mòran shreathan de graphene. Tha an rannsachadh teòiridheach air cleachdadh graphene gus feartan diofar stuthan sìmplidh gualain (graphite, nanotuban gualain agus graphene) a mhìneachadh air a bhith a’ mairsinn airson faisg air 60 bliadhna, ach thathas den bheachd san fharsaingeachd gu bheil e duilich do stuthan dà-thaobhach mar sin a bhith ann gu seasmhach leotha fhèin, dìreach ceangailte ri uachdar an t-substrate trì-thaobhach no taobh a-staigh stuthan mar graphite. Cha b’ ann gu 2004 a thug Andre Geim agus an oileanach aige Konstantin Novoselov aon shreath de graphene bho graphite tro dheuchainnean a choilean an rannsachadh air graphene leasachadh ùr.
Faodar beachdachadh air fullerene (clì) agus nanotube carbon (meadhan) mar gum biodh iad air an roiligeadh suas le aon shreath de graphene ann an dòigh air choreigin, agus tha grafait (deas) air a chruachadh le iomadh sreath de graphene tro cheangal feachd van der Waals.
An-diugh, gheibhear grafaein ann an iomadh dòigh, agus tha buannachdan agus eas-bhuannachdan aig diofar dhòighean. Fhuair Geim agus Novoselov grafaein ann an dòigh shìmplidh. A’ cleachdadh teip shoilleir a tha ri fhaighinn ann am mòr-bhùthan, rùisg iad grafaein, duilleag grafaein le dìreach aon shreath de dadaman gualain de thighead, bho phìos de ghrafaein pyrolytic àrd-òrdugh. Tha seo goireasach, ach chan eil an smachd cho math, agus chan fhaighear grafaein le meud nas lugha na 100 micron (deicheamh cuid de mhìlemeatair) ach, a ghabhas a chleachdadh airson deuchainnean, ach tha e duilich a chleachdadh airson tagraidhean practaigeach. Faodaidh tasgadh smùid ceimigeach sampallan grafaein le meud deichean de cheudameatairean fhàs air uachdar a’ mheatailt. Ged nach eil an raon le stiùireadh cunbhalach ach 100 micron [3,4], tha e air a bhith freagarrach airson feumalachdan cinneasachaidh cuid de thagraidhean. Is e dòigh chumanta eile criostal silicon carbide (SIC) a theasachadh gu barrachd air 1100 ℃ ann am falamh, gus am bi na dadaman silicon faisg air an uachdar a’ falmhachadh, agus na dadaman gualain a tha air fhàgail air an ath-eagrachadh, a dh’ fhaodas cuideachd sampallan grafaein fhaighinn le deagh fheartan.
’S e stuth ùr a th’ ann an grafait le feartan sònraichte: tha a ghiùlan dealain cho math ri copar, agus tha a ghiùlan teirmeach nas fheàrr na stuth sam bith aithnichte. Tha e glè shoilleir. Cha tèid ach pàirt bheag (2.3%) den t-solas faicsinneach dìreach a ghabhail a-steach le grafait, agus thèid a’ mhòr-chuid den t-solas troimhe. Tha e cho dùmhail is nach urrainn eadhon dadaman helium (na moileciuilean gas as lugha) a dhol troimhe. Chan eil na feartan draoidheil seo air an sealbhachadh gu dìreach bho ghrafait, ach bho mheacanaig cuantamach. Tha na feartan dealain is optigeach sònraichte aige a’ dearbhadh gu bheil cothroman tagraidh farsaing aige.
Ged nach eil grafain air nochdadh ach airson nas lugha na deich bliadhna, tha e air mòran thagraidhean teicnigeach a nochdadh, rud a tha glè ainneamh ann an raointean fiosaig agus saidheans stuthan. Bheir e barrachd air deich bliadhna no eadhon deicheadan airson stuthan coitcheann gluasad bhon obair-lann gu fìor bheatha. Dè an cleachdadh a th’ ann an grafain? Seallaidh sinn air dà eisimpleir.
Electrode bog follaiseach
Ann am mòran innealan dealain, feumar stuthan giùlain follaiseach a chleachdadh mar electrodan. Chan urrainn dha uaireadairean dealanach, àireamhairean, telebhiseanan, taisbeanaidhean criostail leachtach, scrionaichean suathaidh, pannalan grèine agus mòran innealan eile a bhith air an leigeil seachad le electrodan follaiseach. Bidh an electrod follaiseach traidiseanta a’ cleachdadh indium tin oxide (ITO). Air sgàth prìs àrd agus solar cuibhrichte indium, tha an stuth brisg agus dìth sùbailteachd, agus feumar an electrod a thasgadh ann am meadhan an t-sreath falamh, agus tha a’ chosgais an ìre mhath àrd. Airson ùine mhòr, tha luchd-saidheans air a bhith a’ feuchainn ri fear eile a lorg. A bharrachd air na riatanasan follaiseachd, deagh ghiùlan agus ullachadh furasta, ma tha sùbailteachd an stuth fhèin math, bidh e freagarrach airson “pàipear dealanach” no innealan taisbeanaidh fillte eile a dhèanamh. Mar sin, tha sùbailteachd cuideachd na thaobh glè chudromach. Tha graphene na stuth mar sin, a tha glè fhreagarrach airson electrodan follaiseach.
Fhuair luchd-rannsachaidh à Samsung agus Oilthigh Chengjunguan ann an Corea a Deas grafain le fad trastanach de 30 òirleach le tasgadh ceò ceimigeach agus ghluais iad e gu film polyethylene terephthalate (PET) 188 micron de thighead gus scrion-suathaidh stèidhichte air grafain a dhèanamh [4]. Mar a chithear san fhigear gu h-ìosal, tha an grafain a tha air fàs air an fhoil copair air a cheangal an toiseach leis an teip stialladh teirmeach (pàirt ghorm follaiseach), an uairsin tha am foil copair air a sgaoileadh le dòigh cheimigeach, agus mu dheireadh tha an grafain air a ghluasad chun fhilm PET le bhith ga theasachadh.
Uidheam inntrigidh foto-dealain ùr
Tha feartan optaigeach gu math sònraichte aig graphene. Ged nach eil ann ach aon shreath de dadaman, faodaidh e 2.3% den t-solas a thèid a sgaoileadh a ghabhail a-steach anns an raon tonn-fhaid gu lèir bho sholas faicsinneach gu infridhearg. Chan eil dad aig an àireamh seo ri dhèanamh ri paramadairean stuthan eile de graphene agus tha e air a dhearbhadh le electrodynamics cuantamach [6]. Bidh an solas a thèid a ghabhail a-steach a’ leantainn gu gineadh luchd-giùlain (electronan agus tuill). Tha gineadh agus còmhdhail luchd-giùlain ann an graphene gu math eadar-dhealaichte bhon fheadhainn ann an leth-chonnsachaidhean traidiseanta. Tha seo a’ dèanamh graphene gu math freagarrach airson uidheamachd inntrigidh foto-electric ultra-luath. Thathas a’ meas gum faod uidheamachd inntrigidh foto-electric mar sin obrachadh aig tricead 500ghz. Ma thèid a chleachdadh airson tar-chur chomharran, faodaidh e 500 billean neoni no aon a thar-chur gach diog, agus crìoch a chuir air tar-chur susbaint dà diosc Blu-ray ann an aon diog.
Tha eòlaichean bho Ionad Rannsachaidh IBM Thomas J. Watson anns na Stàitean Aonaichte air grafaen a chleachdadh gus innealan inntrigidh foto-dealain a dhèanamh a dh’ fhaodas obrachadh aig tricead 10GHz [8]. An toiseach, chaidh sgoltagan grafaen ullachadh air fo-strat silicon còmhdaichte le silica 300 nm de thighead le “dòigh reubadh teip”, agus an uairsin chaidh electrodan òir palladium no òir titanium le eadar-ama de 1 micron agus leud de 250 nm a dhèanamh orra. San dòigh seo, gheibhear inneal inntrigidh foto-dealain stèidhichte air grafaen.
Diagram sgemataigeach de dhealbhan uidheamachd inntrigidh foto-dealain grafaein agus miocrosgòp sganaidh dealanach (SEM) de shampaill fhèin. Tha an loidhne ghoirid dhubh san fhigear a’ freagairt ri 5 micron, agus tha an t-astar eadar loidhnichean meatailt aon micron.
Tro dheuchainnean, fhuair an luchd-rannsachaidh a-mach gun urrainn don inneal inntrigidh foto-dealain structar meatailt graphene seo ruighinn tricead obrach 16ghz aig a’ char as àirde, agus gun urrainn dha obrachadh aig astar àrd anns an raon tonn-fhaid bho 300 nm (faisg air ultraviolet) gu 6 microns (infridhearg), agus chan urrainn don tiùb inntrigidh foto-dealain traidiseanta freagairt a thoirt do sholas infridhearg le tonn-fhaid nas fhaide. Tha àite mòr ann fhathast airson leasachadh a dhèanamh air tricead obrach uidheamachd inntrigidh foto-dealain graphene. Tha a choileanadh nas fheàrr ga dhèanamh comasach air raon farsaing de thagraidhean a chleachdadh, a’ gabhail a-steach conaltradh, smachd iomallach agus sgrùdadh àrainneachd.
Mar stuth ùr le feartan sònraichte, tha an rannsachadh air cleachdadh grafaein a’ tighinn am bàrr às dèidh a chèile. Tha e duilich dhuinn an liostadh an seo. San àm ri teachd, is dòcha gum bi tiùban buaidh achaidh air an dèanamh le grafaein, suidsichean moileciuil air an dèanamh le grafaein agus lorgairean moileciuil air an dèanamh le grafaein ann am beatha làitheil… Bidh grafaein a thig a-mach às an obair-lann mean air mhean a’ deàrrsadh ann am beatha làitheil.
’S urrainn dhuinn a bhith an dùil gum bi àireamh mhòr de thoraidhean dealanach a’ cleachdadh grafein a’ nochdadh a dh’ aithghearr. Smaoinich air cho inntinneach ’s a bhiodh e nam biodh e comasach ar fònaichean sgairteil agus ar leabhraichean-nòtaichean a roiligeadh suas, a cheangal ri ar cluasan, a phasgadh nar pòcaidean, no a phasgadh timcheall ar dùirn nuair nach eilear gan cleachdadh!
Àm puist: 9 Màrt 2022