מה השימוש בגרפן? שני מקרי יישום מאפשרים לכם להבין את סיכויי היישום של גרפן

בשנת 2010 זכו גיים ונובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם על גרפן. פרס זה הותיר רושם עמוק על אנשים רבים. אחרי הכל, לא כל כלי ניסויי שזכה בפרס נובל נפוץ כמו סרט דביק, ולא כל אובייקט מחקר קסום וקל להבנה כמו גרפן "גביש דו-ממדי". העבודה משנת 2004 זכתה בפרס נובל בשנת 2010, דבר נדיר ברשימת פרסי נובל בשנים האחרונות.

גרפן הוא סוג של חומר המורכב משכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בצפיפות בסריג משושה דו-ממדי בצורת חלת דבש. כמו יהלום, גרפיט, פולרן, ננו-צינוריות פחמן ופחמן אמורפי, זהו חומר (חומר פשוט) המורכב מיצירות פחמן. כפי שמוצג באיור למטה, ניתן לראות פולרנים וננו-צינוריות פחמן כמגולגלים בצורה כלשהי משכבה אחת של גרפן, המוערמת על ידי שכבות רבות של גרפן. המחקר התיאורטי על השימוש בגרפן לתיאור תכונותיהם של חומרים פשוטים שונים של פחמן (גרפיט, ננו-צינוריות פחמן וגרפן) נמשך כמעט 60 שנה, אך מקובל לחשוב שחומרים דו-ממדיים כאלה קשים להתקיים ביציבות לבד, רק כשהם מחוברים לפני השטח של המצע התלת-ממדי או בתוך חומרים כמו גרפיט. רק בשנת 2004, כאשר אנדרה גיים ותלמידו קונסטנטין נובוסלוב הסירו שכבה אחת של גרפן מהגרפיט באמצעות ניסויים, המחקר על גרפן השיג פיתוח חדש.

ניתן להתייחס גם לפולרן (משמאל) וגם לננו-צינוריות פחמן (באמצע) כאל כאלה המגולגלים על ידי שכבה אחת של גרפן בצורה כלשהי, בעוד שגרפיט (מימין) נערם על ידי שכבות מרובות של גרפן באמצעות חיבור של כוח ואן דר ואלס.

כיום ניתן להשיג גרפן בדרכים רבות, ולשיטות השונות יתרונות וחסרונות משלהן. גיים ונובוסלוב השיגו גרפן בצורה פשוטה. באמצעות סרט שקוף הזמין בסופרמרקטים, הם הסירו גרפן, יריעת גרפיט עם שכבה אחת בלבד של אטומי פחמן עובי, מחתיכת גרפיט פירוליטי מסדר גבוה. זה נוח, אך יכולת הבקרה אינה טובה כל כך, וניתן להשיג גרפן בגודל של פחות מ-100 מיקרון (עשירית מילימטר) רק שניתן להשתמש בו לניסויים, אך קשה להשתמש בו ליישומים מעשיים. שקיעת אדים כימית יכולה לגדל דגימות גרפן בגודל של עשרות סנטימטרים על פני המתכת. למרות שהשטח עם אוריינטציה עקבית הוא רק 100 מיקרון [3,4], הוא התאים לצורכי הייצור של יישומים מסוימים. שיטה נפוצה נוספת היא חימום גביש סיליקון קרביד (SIC) ליותר מ-1100 מעלות צלזיוס בוואקום, כך שאטומי הסיליקון הסמוכים לפני השטח מתאדים, ואטומי הפחמן הנותרים מסודרים מחדש, מה שיכול גם הוא להשיג דגימות גרפן בעלות תכונות טובות.

גרפן הוא חומר חדש בעל תכונות ייחודיות: המוליכות החשמלית שלו מצוינת כמו נחושת, והמוליכות התרמית שלו טובה יותר מכל חומר ידוע. הוא שקוף מאוד. רק חלק קטן (2.3%) מהאור הנראה האנכי ייספג על ידי גרפן, ורוב האור יעבור דרכו. הוא כה צפוף שאפילו אטומי הליום (מולקולות הגז הקטנות ביותר) אינם יכולים לעבור דרכו. תכונות קסומות אלו אינן עוברות בירושה ישירה מגרפיט, אלא ממכניקת הקוונטים. תכונותיו החשמליות והאופטיות הייחודיות קובעות כי יש לו אפשרויות יישום רחבות.

למרות שגרפן הופיע רק פחות מעשר שנים, הוא הראה יישומים טכניים רבים, דבר נדיר מאוד בתחומי הפיזיקה ומדעי החומרים. לוקח יותר מעשר שנים או אפילו עשרות שנים לחומרים כלליים לעבור מהמעבדה לחיים האמיתיים. מה השימוש בגרפן? בואו נבחן שתי דוגמאות.

אלקטרודה שקופה רכה
במכשירים חשמליים רבים, יש להשתמש בחומרים מוליכים שקופים כאלקטרודות. שעונים אלקטרוניים, מחשבונים, טלוויזיות, צגי גביש נוזלי, מסכי מגע, פאנלים סולאריים ומכשירים רבים אחרים אינם יכולים לוותר על קיומן של אלקטרודות שקופות. האלקטרודה השקופה המסורתית משתמשת בתחמוצת אינדיום-בדיל (ITO). בשל המחיר הגבוה וההיצע המוגבל של אינדיום, החומר שביר וחסר גמישות, ויש להניח את האלקטרודה בשכבה האמצעית של ואקום, והעלות גבוהה יחסית. במשך זמן רב, מדענים מנסים למצוא תחליף לו. בנוסף לדרישות השקיפות, המוליכות הטובה וקלות ההכנה, אם הגמישות של החומר עצמו טובה, הוא יתאים לייצור "נייר אלקטרוני" או התקני תצוגה מתקפלים אחרים. לכן, גמישות היא גם היבט חשוב מאוד. גרפן הוא חומר כזה, המתאים מאוד לאלקטרודות שקופות.

חוקרים מסמסונג ומאוניברסיטת צ'נגג'ונגואן בדרום קוריאה השיגו גרפן באורך אלכסוני של 30 אינץ' באמצעות שקיעת אדים כימית והעבירו אותו לסרט פוליאתילן טרפתאלט (PET) בעובי 188 מיקרון כדי לייצר מסך מגע מבוסס גרפן [4]. כפי שמוצג באיור למטה, הגרפן שגדל על נייר הנחושת מודבק תחילה עם סרט הסרת שיער תרמי (החלק השקוף הכחול), לאחר מכן נייר הנחושת מומס בשיטה כימית, ולבסוף הגרפן מועבר לסרט ה-PET באמצעות חימום.

ציוד אינדוקציה פוטואלקטרי חדש
לגרפן תכונות אופטיות ייחודיות מאוד. למרות שיש רק שכבה אחת של אטומים, הוא יכול לספוג 2.3% מהאור הנפלט בכל טווח אורכי הגל, מאור נראה ועד אינפרא אדום. למספר זה אין שום קשר לפרמטרים חומריים אחרים של גרפן והוא נקבע על ידי אלקטרודינמיקה קוונטית [6]. האור הנספג יוביל ליצירת נושאי גל (אלקטרונים וחורים). יצירתם והובלתם של נושאי גל בגרפן שונים מאוד מאלה שבמוליכים למחצה מסורתיים. זה הופך את הגרפן למתאים מאוד לציוד אינדוקציה פוטואלקטרית אולטרה-מהיר. ההערכה היא שציוד אינדוקציה פוטואלקטרית כזה עשוי לעבוד בתדר של 500 גיגה-הרץ. אם הוא משמש להעברת אותות, הוא יכול להעביר 500 מיליארד אפסים או אחדות לשנייה, ולהשלים את העברת תוכן שני דיסקי Blu-ray בשנייה אחת.

מומחים ממרכז המחקר תומאס ג'יי ווטסון של IBM בארצות הברית השתמשו בגרפן כדי לייצר התקני אינדוקציה פוטואלקטריים שיכולים לעבוד בתדר 10GHz [8]. ראשית, פתיתי גרפן הוכנו על מצע סיליקון מכוסה בסיליקה בעובי 300 ננומטר באמצעות "שיטת קריעת סרט", ולאחר מכן יוצרו עליו אלקטרודות זהב פלדיום או זהב טיטניום במרווחים של 1 מיקרון ורוחב של 250 ננומטר. בדרך זו, מתקבל התקן אינדוקציה פוטואלקטרי מבוסס גרפן.

תרשים סכמטי של ציוד אינדוקציה פוטואלקטרית גרפן ותמונות של דגימות אמיתיות באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). הקו השחור הקצר באיור מתאים ל-5 מיקרון, והמרחק בין קווי המתכת הוא מיקרון אחד.

באמצעות ניסויים, החוקרים גילו כי מכשיר אינדוקציה פוטואלקטרי זה, בעל מבנה מתכתי של גרפן, יכול להגיע לתדר עבודה של 16 גיגה-הרץ לכל היותר, ויכול לעבוד במהירות גבוהה בטווח אורכי גל של 300 ננומטר (קרוב לאולטרה סגול) עד ​​6 מיקרון (אינפרא אדום), בעוד שצינור אינדוקציה פוטואלקטרי מסורתי אינו יכול להגיב לאור אינפרא אדום בעל אורכי גל ארוכים יותר. תדר העבודה של ציוד אינדוקציה פוטואלקטרי של גרפן עדיין עשוי לשפר רבות. הביצועים המעולים שלו מאפשרים לו מגוון רחב של יישומים, כולל תקשורת, שליטה מרחוק וניטור סביבתי.

כחומר חדש בעל תכונות ייחודיות, המחקר על השימוש בגרפן מתפתח בזה אחר זה. קשה לנו למנות אותם כאן. בעתיד, ייתכן שיהיו שפופרות אפקט שדה עשויות גרפן, מתגים מולקולריים עשויים גרפן וגלאים מולקולריים עשויים גרפן בחיי היומיום... גרפן שייצא בהדרגה מהמעבדה יבריק בחיי היומיום.

אנו יכולים לצפות שמספר רב של מוצרים אלקטרוניים המשתמשים בגרפן יופיעו בעתיד הקרוב. חשבו כמה מעניין היה אם ניתן היה לגלגל את הסמארטפונים והנטבוקים שלנו, להצמיד אותם לאוזניים, לדחוף אותם לכיסים או לעטוף אותם סביב פרקי הידיים שלנו כאשר אינם בשימוש!