2010-жылы Гейм менен Новоселов графен боюнча эмгектери үчүн физика боюнча Нобель сыйлыгын жеңип алышкан. Бул сыйлык көптөгөн адамдарга терең таасир калтырды. Кантсе да, ар бир Нобель сыйлыгынын эксперименталдык куралы скотч сыяктуу кеңири таралган эмес жана ар бир изилдөө объектиси "эки өлчөмдүү кристалл" графени сыяктуу сыйкырдуу жана түшүнүктүү эмес. 2004-жылдагы эмгек 2010-жылы ыйгарылышы мүмкүн, бул акыркы жылдардагы Нобель сыйлыгынын рекорддорунда сейрек кездешет.
Графен – бул эки өлчөмдүү уя сымал алты бурчтуу торчодо тыгыз жайгашкан көмүртек атомдорунун бир катмарынан турган заттын бир түрү. Алмаз, графит, фуллерен, көмүртек нанотүтүкчөлөрү жана аморфтук көмүртек сыяктуу эле, ал көмүртек элементтеринен турган зат (жөнөкөй зат). Төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, фуллерендер жана көмүртек нанотүтүкчөлөрүн графендин көптөгөн катмарлары менен капталган бир катмарынан кандайдыр бир жол менен тоголоктоп коюу катары кароого болот. Ар кандай көмүртектүү жөнөкөй заттардын (графит, көмүртек нанотүтүкчөлөрү жана графен) касиеттерин сүрөттөө үчүн графенди колдонуу боюнча теориялык изилдөөлөр дээрлик 60 жылдан бери уланып келет, бирок жалпысынан мындай эки өлчөмдүү материалдардын өз алдынча туруктуу жашоосу кыйын, алар үч өлчөмдүү субстраттын бетине же графит сыяктуу заттардын ичинде гана жабышып турат деп эсептелет. 2004-жылы Андре Гейм жана анын окуучусу Константин Новоселов эксперименттер аркылуу графендин бир катмарын графиттен ажыратып алышканга чейин графен боюнча изилдөөлөр жаңы өнүгүүгө жетишкен эмес.
Фуллерен (солдо) жана көмүртек нанотүтүкчөсү (ортодо) кандайдыр бир жол менен графендин бир катмары менен оролуп турган деп кароого болот, ал эми графит (оңдо) ван-дер-Ваальс күчүнүн жардамы менен графендин бир нече катмары менен катмарланган.
Бүгүнкү күндө графенди көптөгөн жолдор менен алууга болот жана ар кандай ыкмалардын өзүнүн артыкчылыктары жана кемчиликтери бар. Гейм менен Новоселов графенди жөнөкөй жол менен алышкан. Супермаркеттерде сатылуучу тунук лентаны колдонуп, алар жогорку даражадагы пиролитикалык графиттин бир бөлүгүнөн көмүртек атомдорунун бир гана катмары бар графит барак болгон графенди ажыратышкан. Бул ыңгайлуу, бирок башкаруу анчалык деле жакшы эмес жана өлчөмү 100 микрондон (миллиметрдин ондон биринен) аз болгон графенди гана алууга болот, аны эксперименттер үчүн колдонсо болот, бирок практикалык колдонмолор үчүн колдонуу кыйын. Химиялык буу менен чөктүрүү металл бетинде ондогон сантиметр өлчөмүндөгү графен үлгүлөрүн өстүрүүгө мүмкүндүк берет. Туруктуу багыты бар аянт болгону 100 микрон болсо да [3,4], ал кээ бир колдонмолордун өндүрүштүк муктаждыктары үчүн ылайыктуу болуп келген. Дагы бир кеңири таралган ыкма - кремний карбидинин (SIC) кристаллын вакуумда 1100 ℃ жогору температурага чейин ысытуу, ошондо бетке жакын кремний атомдору бууланып, калган көмүртек атомдору кайрадан жайгаштырылат, бул да жакшы касиеттерге ээ графен үлгүлөрүн алууга мүмкүндүк берет.
Графен – уникалдуу касиетке ээ жаңы материал: анын электр өткөрүмдүүлүгү жездей эле мыкты, ал эми жылуулук өткөрүмдүүлүгү белгилүү болгон башка материалдарга караганда жакшыраак. Ал абдан тунук. Графен тик түшкөн көрүнгөн жарыктын аз гана бөлүгүн (2,3%) сиңирип алат жана жарыктын көпчүлүк бөлүгү өтөт. Ал ушунчалык тыгыз болгондуктан, гелий атомдору (эң кичинекей газ молекулалары) да өтө албайт. Бул сыйкырдуу касиеттер түздөн-түз графиттен эмес, кванттык механикадан мураска калган. Анын уникалдуу электрдик жана оптикалык касиеттери анын кеңири колдонуу келечеги бар экенин аныктайт.
Графен он жылдан аз убакыттан бери гана пайда болгону менен, ал көптөгөн техникалык колдонмолорду көрсөттү, бул физика жана материал таануу тармактарында өтө сейрек кездешет. Жалпы материалдардын лабораториядан реалдуу жашоого өтүшү үчүн он жылдан ашык, ал тургай ондогон жылдар талап кылынат. Графендин кандай пайдасы бар? Келгиле, эки мисалды карап көрөлү.
Жумшак тунук электрод
Көптөгөн электр шаймандарында тунук өткөргүч материалдарды электрод катары колдонуу керек. Электрондук сааттар, калькуляторлор, телевизорлор, суюк кристалл дисплейлер, сенсордук экрандар, күн батареялары жана башка көптөгөн түзмөктөр тунук электроддордун бар экендигинен арыла алышпайт. Салттуу тунук электрод индий калай кычкылын (ITO) колдонот. Индийдин баасынын жогору болушуна жана чектелүү болушуна байланыштуу, материал морт жана ийкемдүүлүгү жок, электродду вакуумдун ортоңку катмарына жайгаштыруу керек, ал эми баасы салыштырмалуу жогору. Окумуштуулар көптөн бери анын ордун басуучуну табууга аракет кылып келишет. Тунуктуулук, жакшы өткөргүчтүк жана оңой даярдоо талаптарынан тышкары, эгерде материалдын өзүнүн ийкемдүүлүгү жакшы болсо, ал "электрондук кагазды" же башка бүктөлүүчү дисплей түзмөктөрүн жасоого ылайыктуу болот. Ошондуктан, ийкемдүүлүк да абдан маанилүү аспект болуп саналат. Графен - бул тунук электроддор үчүн абдан ылайыктуу материал.
Samsung жана Түштүк Кореядагы Чэнчжунгуан университетинин изилдөөчүлөрү химиялык буу чөктүрүү жолу менен 30 дюймдук диагоналдуу узундуктагы графенди алып, аны 188 микрон калыңдыктагы полиэтилентерефталат (ПЭТ) пленкасына өткөрүп, графенге негизделген сенсордук экранды алышкан [4]. Төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, жез фольгасында өстүрүлгөн графен алгач термикалык тазалоочу лента (көк тунук бөлүк) менен байланыштырылат, андан кийин жез фольга химиялык ыкма менен эритилет, акырында графен ысытуу аркылуу ПЭТ пленкасына өткөрүлөт.
Жаңы фотоэлектрдик индукциялык жабдуулар
Графендин оптикалык касиеттери абдан уникалдуу. Атомдордун бир гана катмары болгону менен, ал көрүнгөн жарыктан инфракызылга чейинки толкун узундугунун диапазонунда чыккан жарыктын 2,3% ын сиңире алат. Бул сан графендин башка материалдык параметрлерине эч кандай тиешеси жок жана кванттык электродинамика менен аныкталат [6]. Жутулган жарык алып жүрүүчүлөрдүн (электрондордун жана тешиктердин) пайда болушуна алып келет. Графендеги алып жүрүүчүлөрдүн пайда болушу жана ташылышы салттуу жарым өткөргүчтөрдөгүдөн абдан айырмаланат. Бул графенди өтө тез фотоэлектрдик индукциялык жабдуулар үчүн абдан ылайыктуу кылат. Мындай фотоэлектрдик индукциялык жабдуулар 500 ГГц жыштыгында иштеши мүмкүн деп болжолдонууда. Эгерде ал сигнал берүү үчүн колдонулса, ал секундасына 500 миллиард нөлдү же бирдикти өткөрүп, бир секундада эки Blu-ray дискинин мазмунун өткөрүп берүүнү аяктай алат.
АКШдагы IBM Томас Дж. Уотсон изилдөө борборунун адистери графенди 10 ГГц жыштыкта иштей алган фотоэлектрдик индукциялык түзүлүштөрдү жасоо үчүн колдонушкан [8]. Алгач, 300 нм калыңдыктагы кремний менен капталган кремний субстратында "лентаны айруу ыкмасы" менен графен кабырчыктары даярдалган, андан кийин анын үстүнө 1 микрон аралыктагы жана 250 нм туурасындагы палладий алтын же титан алтын электроддору жасалган. Ушундай жол менен графенге негизделген фотоэлектрдик индукциялык түзүлүш алынат.
Графен фотоэлектрдик индукциялык жабдууларынын жана сканерлөөчү электрондук микроскоптун (SEM) чыныгы үлгүлөрүнүн сүрөттөрүнүн схемалык диаграммасы. Сүрөттөгү кара кыска сызык 5 микронго туура келет, ал эми металл сызыктардын ортосундагы аралык бир микрон.
Эксперименттердин жүрүшүндө изилдөөчүлөр бул металл графен металл конструкциясындагы фотоэлектрдик индукциялык түзүлүш эң көп дегенде 16 ГГц жумушчу жыштыкка жете аларын жана 300 нмден (ультрафиолетке жакын) 6 микронго (инфракызыл) чейинки толкун узундугу диапазонунда жогорку ылдамдыкта иштей аларын, ал эми салттуу фотоэлектрдик индукциялык түтүк узунураак толкун узундугу бар инфракызыл жарыкка жооп бере албасын аныкташты. Графен фотоэлектрдик индукциялык жабдууларынын жумушчу жыштыгын жакшыртуу үчүн дагы эле чоң мүмкүнчүлүктөр бар. Анын жогорку иштеши байланыш, алыстан башкаруу жана айлана-чөйрөнү мониторинг жүргүзүү сыяктуу кеңири колдонуу мүмкүнчүлүктөрүнө ээ кылат.
Уникалдуу касиеттерге ээ болгон жаңы материал катары графенди колдонуу боюнча изилдөөлөр биринин артынан бири пайда болууда. Аларды бул жерде санап чыгуу биз үчүн кыйын. Келечекте күнүмдүк жашоодо графенден жасалган талаа эффектисинин түтүктөрү, графенден жасалган молекулярдык өчүргүчтөр жана графенден жасалган молекулярдык детекторлор пайда болушу мүмкүн... Лабораториядан акырындык менен чыгып келе жаткан графен күнүмдүк жашоодо жаркырап турат.
Жакынкы аралыкта графенди колдонгон көптөгөн электрондук продуктылар пайда болот деп күтсөк болот. Смартфондорубузду жана нетбуктарыбызды ороп, кулагыбызга кысып, чөнтөгүбүзгө салып же колдонбогондо билегибизге ороп койсок, канчалык кызыктуу болмок деп ойлоп көрсөңүз!
Жарыяланган убактысы: 2022-жылдын 9-марты