2010-ben Geim és Novoselov fizikai Nobel-díjat nyertek a grafénnel kapcsolatos munkájukért. Ez a díj mély benyomást tett sok emberre. Végül is nem minden Nobel-díjas kísérleti eszköz olyan elterjedt, mint a ragasztószalag, és nem minden kutatási tárgy olyan varázslatos és könnyen érthető, mint a „kétdimenziós kristály” grafén. A 2004-es munkát 2010-ben díjazhatják, ami ritkaságszámba megy az utóbbi évek Nobel-díjainak történetében.
A grafén egy olyan anyag, amely egyetlen szénatomrétegből áll, amelyek szorosan elrendeződnek egy kétdimenziós, méhsejtszerű hatszögletű rácsban. A gyémánthoz, a grafithoz, a fullerénhez, a szén nanocsövekhez és az amorf szénhez hasonlóan ez egy olyan anyag (egyszerű anyag), amely szén elemekből áll. Amint az alábbi ábrán látható, a fullerének és a szén nanocsövek egyetlen grafénrétegből tekerednek fel valamilyen módon, amelyet számos grafénréteg rak egymásra. A grafén felhasználásával kapcsolatos elméleti kutatások a különböző szén egyszerű anyagok (grafit, szén nanocsövek és grafén) tulajdonságainak leírására közel 60 éve tartanak, de általában úgy vélik, hogy az ilyen kétdimenziós anyagok nehezen léteznek stabilan önmagukban, csak a háromdimenziós hordozófelülethez vagy olyan anyagok belsejében, mint a grafit. Csak 2004-ben, Andre Geim és tanítványa, Konsztantyin Novoselov kísérletek segítségével távolítottak el egyetlen grafénréteget a grafitról, ami a grafénkutatásban új eredményeket hozott.
Mind a fullerén (balra), mind a szén nanocső (középen) tekinthető úgy, mintha valamilyen módon egyetlen grafénréteg tekeredne fel, míg a grafitot (jobbra) több grafénréteg rakja össze a van der Waals-erő kölcsönhatásán keresztül.
Manapság a grafént sokféleképpen lehet előállítani, és a különböző módszereknek megvannak a maguk előnyei és hátrányai. Geim és Novoselov egyszerű módon állították elő a grafént. A szupermarketekben kapható átlátszó szalag segítségével lefejtették a grafént, egy mindössze egyetlen szénatomrétegből álló grafitlapot, egy darab magas rendű pirolitikus grafitról. Ez kényelmes, de a szabályozhatóság nem túl jó, és csak 100 mikronnál (tizedmilliméternél) kisebb méretű grafén nyerhető, amely kísérletekhez használható, de gyakorlati alkalmazásokban nehezen alkalmazható. A kémiai gőzfázisú leválasztással több tíz centiméter méretű grafénminták növeszthetők a fém felületén. Bár az állandó orientációjú terület mindössze 100 mikron [3,4], egyes alkalmazások gyártási igényeinek kielégítésére alkalmasnak bizonyult. Egy másik elterjedt módszer a szilícium-karbid (SIC) kristály vákuumban történő 1100 ℃ fölé történő hevítése, így a felülethez közeli szilíciumatomok elpárolognak, és a megmaradt szénatomok átrendeződnek, ami szintén jó tulajdonságokkal rendelkező grafénmintákat eredményezhet.
A grafén egy új anyag, egyedi tulajdonságokkal: elektromos vezetőképessége a rézék kiválóságával vetekszik, hővezető képessége pedig jobb, mint bármely ismert anyagé. Nagyon átlátszó. A függőlegesen beeső látható fénynek csak kis részét (2,3%) nyeli el a grafén, és a fény nagy része áthalad rajta. Olyan sűrű, hogy még a héliumatomok (a legkisebb gázmolekulák) sem tudnak áthaladni rajta. Ezeket a mágikus tulajdonságokat nem közvetlenül a grafittól, hanem a kvantummechanikától örököltük. Egyedülálló elektromos és optikai tulajdonságai széleskörű alkalmazási lehetőségeket kínálnak.
Bár a grafén csak kevesebb mint tíz éve jelenik meg, számos műszaki alkalmazást mutat, ami nagyon ritka a fizika és az anyagtudomány területén. Több mint tíz év vagy akár évtizedekbe telik, mire az általános anyagok a laboratóriumi felhasználásból a valóságba kerülnek. Mire jó a grafén? Nézzünk két példát.
Puha, átlátszó elektróda
Sok elektromos készülékben átlátszó vezetőképes anyagokat kell használni elektródaként. Elektronikus órák, számológépek, televíziók, folyadékkristályos kijelzők, érintőképernyők, napelemek és sok más eszköz nem hagyhatja el az átlátszó elektródák létezését. A hagyományos átlátszó elektróda indium-ón-oxidot (ITO) használ. Az indium magas ára és korlátozott kínálata miatt az anyag törékeny és nem rugalmas, ezért az elektródát vákuum középső rétegébe kell helyezni, ami viszonylag költséges. A tudósok már régóta próbálnak alternatívát találni. Az átlátszóság, a jó vezetőképesség és a könnyű előkészítés követelményei mellett, ha maga az anyag rugalmassága jó, akkor alkalmas lesz „elektronikus papír” vagy más összecsukható kijelzőeszközök gyártására. Ezért a rugalmasság is nagyon fontos szempont. A grafén egy ilyen anyag, amely nagyon alkalmas átlátszó elektródákhoz.
A Samsung és a dél-koreai Chengjunguan Egyetem kutatói kémiai gőzfázisú leválasztással 30 hüvelyk átlóhosszúságú grafént nyertek, majd egy 188 mikron vastag polietilén-tereftalát (PET) fóliára vitték át, így grafén alapú érintőképernyőt állítva elő [4]. Amint az alábbi ábrán látható, a rézfóliára növesztett grafént először a hőszigetelő szalaggal (kék átlátszó rész) kötik össze, majd a rézfóliát kémiai módszerrel feloldják, végül a grafént melegítéssel viszik át a PET fóliára.
Új fotoelektromos indukciós berendezés
A grafén nagyon egyedi optikai tulajdonságokkal rendelkezik. Bár csak egyetlen atomrétegből áll, a kibocsátott fény 2,3%-át képes elnyelni a látható fénytől az infravörösig terjedő teljes hullámhossztartományban. Ennek a számnak semmi köze a grafén egyéb anyagparamétereihez, és a kvantumelektrodinamika határozza meg [6]. Az elnyelt fény hordozók (elektronok és lyukak) keletkezéséhez vezet. A hordozók keletkezése és szállítása a grafénben nagyon eltér a hagyományos félvezetőkétől. Ez teszi a grafént nagyon alkalmassá az ultragyors fotoelektromos indukciós berendezésekhez. A becslések szerint az ilyen fotoelektromos indukciós berendezések 500 GHz-es frekvencián működhetnek. Jelátvitelre használva másodpercenként 500 milliárd nullát vagy egyest képes továbbítani, és két Blu-ray lemez tartalmát egy másodperc alatt képes továbbítani.
Az egyesült államokbeli IBM Thomas J. Watson Kutatóközpont szakértői grafént használtak 10 GHz-es frekvencián működő fotoelektromos indukciós eszközök előállításához [8]. Először grafénpelyheket készítettek egy 300 nm vastag szilícium-dioxiddal bevont szilícium-szubsztráton „szalagtépési módszerrel”, majd 1 mikronos távolságra és 250 nm szélességben palládium-arany vagy titán-arany elektródákat készítettek rá. Ily módon egy grafén alapú fotoelektromos indukciós eszközt kaptak.
Grafén fotoelektromos indukciós berendezés vázlatos rajza és pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) fotók valódi mintákról. Az ábrán látható rövid fekete vonal 5 mikronnak felel meg, a fémvonalak közötti távolság pedig egy mikron.
Kísérletek során a kutatók azt találták, hogy ez a fémgrafén fémszerkezetű fotoelektromos indukciós eszköz legfeljebb 16 GHz-es üzemi frekvenciát érhet el, és nagy sebességgel működhet 300 nm-től (közeli ultraibolya) 6 mikronig (infravörös) terjedő hullámhossztartományban, míg a hagyományos fotoelektromos indukciós cső nem képes reagálni a hosszabb hullámhosszú infravörös fényre. A grafén fotoelektromos indukciós berendezés üzemi frekvenciája még mindig nagy fejlesztési lehetőségeket kínál. Kiváló teljesítménye széleskörű alkalmazási lehetőségeket kínál, beleértve a kommunikációt, a távvezérlést és a környezeti monitorozást.
Egyedi tulajdonságokkal rendelkező új anyagként a grafén alkalmazására irányuló kutatások sorra jelennek meg. Nehéz lenne itt felsorolnunk őket. A jövőben előfordulhatnak grafénből készült térhatású csövek, grafénből készült molekuláris kapcsolók és grafénből készült molekuláris detektorok a mindennapi életben... A laboratóriumokból fokozatosan kikerülő grafén a mindennapi életben fog ragyogni.
Arra számíthatunk, hogy a közeljövőben számos grafént használó elektronikai termék fog megjelenni. Gondoljunk csak bele, milyen érdekes lenne, ha az okostelefonjainkat és netbookjainkat fel lehetne tekerni, a fülünkre lehetne szorítani, a zsebünkbe dugni, vagy használaton kívül a csuklónk köré lehetne tekerni!
Közzététel ideje: 2022. márc. 9.