2010 жылы Гейм мен Новоселов графен бойынша жұмыстары үшін физика бойынша Нобель сыйлығын жеңіп алды. Бұл марапат көптеген адамдарға терең әсер қалдырды. Өйткені, әрбір Нобель сыйлығының тәжірибелік құралы жабысқақ лента сияқты кең таралған емес, және әрбір зерттеу нысаны «екі өлшемді кристалл» графені сияқты сиқырлы және түсінікті емес. 2004 жылғы жұмыс 2010 жылы берілуі мүмкін, бұл соңғы жылдардағы Нобель сыйлығының рекордтарында сирек кездеседі.
Графен - екі өлшемді ұя тәрізді алтыбұрышты торға тығыз орналасқан көміртек атомдарының бір қабатынан тұратын зат түрі. Алмаз, графит, фуллерен, көміртекті нанотүтікшелер және аморфты көміртек сияқты, ол көміртек элементтерінен тұратын зат (қарапайым зат). Төмендегі суретте көрсетілгендей, фуллерендер мен көміртекті нанотүтікшелерді графеннің көптеген қабаттарымен қабатталған графеннің бір қабатынан қандай да бір жолмен оралған деп қарастыруға болады. Әртүрлі көміртекті қарапайым заттардың (графит, көміртекті нанотүтікшелер және графен) қасиеттерін сипаттау үшін графенді пайдалану бойынша теориялық зерттеулер шамамен 60 жылға созылды, бірақ мұндай екі өлшемді материалдардың жалғыз тұрақты өмір сүруі қиын, тек үш өлшемді субстрат бетіне немесе графит сияқты заттардың ішінде орналасқан деп есептеледі. Андре Гейм мен оның шәкірті Константин Новоселов графенді графеннен тәжірибелер арқылы бір қабат графенді алып тастағанға дейін 2004 жылы ғана графенді зерттеу жаңа дамуға қол жеткізді.
Фуллерен (сол жақта) және көміртекті нанотүтікше (ортада) графеннің бір қабатымен қандай да бір жолмен оралған деп санауға болады, ал графит (оң жақта) ван-дер-Ваальс күшінің қосылуы арқылы графеннің бірнеше қабаттарымен қабаттасқан.
Қазіргі уақытта графенді көптеген жолдармен алуға болады, және әртүрлі әдістердің өзіндік артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Гейм мен Новоселов графенді қарапайым жолмен алды. Супермаркеттерде қолжетімді мөлдір таспаны пайдаланып, олар жоғары ретті пиролитикалық графиттің бір бөлігінен көміртек атомдарының қалыңдығы бір ғана қабаты бар графит парағы графенді алып тастады. Бұл ыңғайлы, бірақ басқару мүмкіндігі онша жақсы емес, ал өлшемі 100 микроннан (миллиметрдің оннан бір бөлігі) аз графенді тек тәжірибелер үшін пайдалануға болады, бірақ оны практикалық қолдану үшін пайдалану қиын. Химиялық бумен тұндыру металл бетінде ондаған сантиметр өлшемді графен үлгілерін өсіруге мүмкіндік береді. Біркелкі бағдарланған аудан тек 100 микрон болса да [3,4], ол кейбір қолданулардың өндірістік қажеттіліктеріне жарамды болды. Тағы бір кең таралған әдіс - кремний карбиді (SIC) кристалын вакуумда 1100 ℃-тан жоғары температураға дейін қыздыру, осылайша бетіне жақын кремний атомдары буланып, қалған көміртек атомдары қайта орналасады, бұл да жақсы қасиеттері бар графен үлгілерін алуға мүмкіндік береді.
Графен – бірегей қасиеттері бар жаңа материал: оның электр өткізгіштігі мыс сияқты тамаша, ал жылу өткізгіштігі кез келген белгілі материалдан жақсы. Ол өте мөлдір. Тік түсетін көрінетін жарықтың тек аз ғана бөлігі (2,3%) графенмен жұтылады және жарықтың көп бөлігі өтеді. Ол соншалықты тығыз, тіпті гелий атомдары (ең кішкентай газ молекулалары) да өте алмайды. Бұл сиқырлы қасиеттер графиттен тікелей емес, кванттық механикадан мұраға қалған. Оның бірегей электрлік және оптикалық қасиеттері оның кең қолдану перспективаларын анықтайды.
Графеннің пайда болғанына он жылдан аз уақыт болғанымен, ол көптеген техникалық қолданыстарды көрсетті, бұл физика және материалтану салаларында өте сирек кездеседі. Жалпы материалдардың зертханадан нақты өмірге ауысуы үшін он жылдан астам немесе тіпті ондаған жылдар қажет. Графеннің қандай пайдасы бар? Екі мысалды қарастырайық.
Жұмсақ мөлдір электрод
Көптеген электр құрылғыларында мөлдір өткізгіш материалдарды электрод ретінде пайдалану қажет. Электрондық сағаттар, калькуляторлар, теледидарлар, сұйық кристалды дисплейлер, сенсорлық экрандар, күн батареялары және басқа да көптеген құрылғылар мөлдір электродтардың болуын жоққа шығара алмайды. Дәстүрлі мөлдір электрод индий қалайы оксидін (ITO) пайдаланады. Индийдің жоғары бағасы мен шектеулі қорына байланысты материал сынғыш және икемді емес, ал электродты вакуумның ортаңғы қабатына орналастыру қажет, ал құны салыстырмалы түрде жоғары. Ғалымдар ұзақ уақыт бойы оның орнын басатын материал табуға тырысып келеді. Мөлдірлік, жақсы өткізгіштік және оңай дайындау талаптарынан басқа, егер материалдың өзінің икемділігі жақсы болса, ол «электронды қағаз» немесе басқа бүктелетін дисплей құрылғыларын жасауға жарамды болады. Сондықтан икемділік те өте маңызды аспект болып табылады. Графен - мөлдір электродтар үшін өте қолайлы материал.
Samsung және Оңтүстік Кореядағы Чэнчжунгуань университетінің зерттеушілері химиялық бумен тұндыру арқылы диагональ ұзындығы 30 дюйм болатын графен алып, оны графен негізіндегі сенсорлық экран жасау үшін 188 микрон қалыңдықтағы полиэтилентерефталат (ПЭТ) пленкасына ауыстырды [4]. Төмендегі суретте көрсетілгендей, мыс фольгасында өсірілген графен алдымен термиялық жолақ таспасымен (көк мөлдір бөлік) байланысады, содан кейін мыс фольга химиялық әдіспен ерітіледі, соңында графен қыздыру арқылы ПЭТ пленкасына ауыстырылады.
Жаңа фотоэлектрлік индукциялық жабдық
Графеннің өте ерекше оптикалық қасиеттері бар. Атомдардың бір ғана қабаты болғанымен, ол көрінетін жарықтан инфрақызылға дейінгі толқын ұзындығының барлық диапазонында шығарылатын жарықтың 2,3%-ын сіңіре алады. Бұл санның графеннің басқа материалдық параметрлерімен ешқандай байланысы жоқ және кванттық электродинамикамен анықталады [6]. Жұтылған жарық тасымалдаушылардың (электрондар мен кемтіктердің) пайда болуына әкеледі. Графендегі тасымалдаушылардың пайда болуы мен тасымалдануы дәстүрлі жартылай өткізгіштердегіден өте ерекшеленеді. Бұл графенді аса жылдам фотоэлектрлік индукциялық жабдықтар үшін өте қолайлы етеді. Мұндай фотоэлектрлік индукциялық жабдықтар 500 ГГц жиілігінде жұмыс істей алады деп есептеледі. Егер ол сигнал беру үшін пайдаланылса, ол секундына 500 миллиард нөл немесе бірлік жібере алады және екі Blu-ray дискісінің мазмұнын бір секундта беруді аяқтай алады.
АҚШ-тағы IBM Томас Дж. Уотсон зерттеу орталығының сарапшылары графенді 10 ГГц жиілікте жұмыс істей алатын фотоэлектрлік индукциялық құрылғыларды жасау үшін пайдаланды [8]. Алдымен графен үлпектері 300 нм қалыңдықтағы кремний диоксидімен жабылған кремний негізінде «таспаны жырту әдісімен» дайындалды, содан кейін оның үстіне 1 микрон аралықпен және ені 250 нм болатын палладий алтын немесе титан алтын электродтары жасалды. Осылайша, графен негізіндегі фотоэлектрлік индукциялық құрылғы алынады.
Графен фотоэлектрлік индукциялық жабдықтарының және сканерлеуші электронды микроскоптың (SEM) нақты үлгілерінің фотосуреттерінің схемалық диаграммасы. Суреттегі қара қысқа сызық 5 микронға сәйкес келеді, ал металл сызықтар арасындағы қашықтық бір микрон.
Зерттеушілер тәжірибелер арқылы бұл металл графен металл құрылымды фотоэлектрлік индукциялық құрылғының ең көбі 16 ГГц жұмыс жиілігіне жете алатынын және 300 нм (ультракүлгін сәулеге жақын) мен 6 микрон (инфрақызыл) толқын ұзындығы диапазонында жоғары жылдамдықта жұмыс істей алатынын, ал дәстүрлі фотоэлектрлік индукциялық түтіктің ұзын толқын ұзындығы бар инфрақызыл жарыққа жауап бере алмайтынын анықтады. Графен фотоэлектрлік индукциялық жабдықтарының жұмыс жиілігін әлі де жақсартуға мүмкіндік бар. Оның жоғары өнімділігі оны байланыс, қашықтан басқару және қоршаған ортаны бақылау сияқты кең ауқымды қолдану мүмкіндіктеріне ие етеді.
Бірегей қасиеттері бар жаңа материал ретінде графенді қолдану бойынша зерттеулер бірінен соң бірі пайда болып жатыр. Оларды мұнда санап шығу қиын. Болашақта күнделікті өмірде графеннен жасалған өрістік әсерлі түтіктер, графеннен жасалған молекулалық қосқыштар және графеннен жасалған молекулалық детекторлар пайда болуы мүмкін... Зертханадан біртіндеп шығатын графен күнделікті өмірде жарқырайды.
Жақын арада графенді қолданатын көптеген электрондық өнімдер пайда болады деп күтуге болады. Смартфондарымыз бен нетбуктарымызды орап, құлағымызға қыстырып, қалтамызға салып немесе пайдаланбаған кезде білектерімізге орап қою қаншалықты қызықты болар еді деп ойлаңызшы!
Жарияланған уақыты: 09.03.2022