Am Joer 2010 kruten de Geim an den Novoselov den Nobelpräis fir Physik fir hir Aarbecht iwwer Graphen. Dës Auszeechnung huet e groussen Androck op vill Leit hannerlooss. Schlussendlech ass net all experimentellt Instrument vum Nobelpräis sou üblech wéi Klebeband, an net all Fuerschungsobjet ass sou magesch a liicht ze verstoen wéi "zweedimensional Kristall"-Graphen. D'Aarbecht aus dem Joer 2004 kann am Joer 2010 ausgezeechent ginn, wat an de leschte Jore rar an der Geschicht vum Nobelpräis ass.
Graphen ass eng Zort Substanz, déi aus enger eenzeger Schicht Kuelestoffatome besteet, déi enk an engem zweedimensionalen, hexagonalen, wabenförmigen Gitter arrangéiert sinn. Wéi Diamant, Graphit, Fulleren, Kuelestoffnanoröhrchen an amorphe Kuelestoff ass et eng Substanz (einfach Substanz), déi aus Kuelestoffelementer zesummegesat ass. Wéi an der Figur hei ënnendrënner gewisen, kënne Fullerenen a Kuelestoffnanoröhrchen als op iergendeng Aart a Weis aus enger eenzeger Schicht Graphen zesummegerullt gesi ginn, déi vu ville Schichten Graphen gestapelt ass. Déi theoretesch Fuerschung iwwer d'Benotzung vu Graphen fir d'Eegeschafte vu verschiddene einfache Kuelestoffsubstanzen (Graphit, Kuelestoffnanoröhrchen a Graphen) ze beschreiwen, dauert zënter bal 60 Joer, awer et gëtt allgemeng ugeholl, datt sou zweedimensional Materialien schwéier stabil eleng existéiere kënnen, nëmmen un der dräidimensionaler Substratoberfläche oder a Substanzen wéi Graphit befestegt sinn. Eréischt 2004, wéi den Andre Geim a säi Student Konstantin Novoselov duerch Experimenter eng eenzeg Schicht Graphen aus dem Graphit ewechgeholl hunn, huet d'Fuerschung iwwer Graphen nei Entwécklungen erreecht.
Souwuel Fulleren (lénks) wéi och Kuelestoffnanoröhrchen (Mëtt) kënnen als op iergendeng Aart a Weis vun enger eenzeger Schicht Graphen opgerullt ugesi ginn, während Graphit (riets) duerch d'Verbindung vun der van der Waals Kraaft vu verschiddene Schichten Graphen gestapelt ass.
Hautdesdaags kann Graphen op vill Manéiere gewonnen ginn, an ënnerschiddlech Methoden hunn hir eege Vir- an Nodeeler. De Geim an den Novoselov hunn Graphen op eng einfach Manéier gewonnen. Mat transparentem Band, dat a Supermarchéen ze kréien ass, hunn si Graphen, eng Graphitplack mat nëmmen enger Schicht Kuelestoffatome déck, vun engem Stéck pyrolytesche Graphit vun héijer Uerdnung ofgestraalt. Dëst ass praktesch, awer d'Kontrolléierbarkeet ass net sou gutt, a Graphen mat enger Gréisst vu manner wéi 100 Mikrometer (en Zéngtel vun engem Millimeter) kann nëmme gewonnen ginn, wat fir Experimenter benotzt ka ginn, awer schwéier fir praktesch Uwendungen ze benotzen ass. Chemesch Gasoflagerung kann Graphenprouwen mat enger Gréisst vun Zénger Zentimeter op der Metalluewerfläch wuessen loossen. Och wann d'Fläch mat konsequenter Orientéierung nëmmen 100 Mikrometer ass [3,4], ass se fir d'Produktiounsbedürfnisser vu verschiddenen Uwendungen gëeegent. Eng aner üblech Method ass de Siliziumkarbid (SIC) Kristall op méi wéi 1100 ℃ am Vakuum ze erhëtzen, sou datt d'Siliziumatome no bei der Uewerfläch verdampfen, an déi verbleiwen Kuelestoffatome nei arrangéiert ginn, wat och Graphenprouwen mat gudden Eegeschafte kréie kann.
Graphen ass en neit Material mat eenzegaartegen Eegeschaften: seng elektresch Leetfäegkeet ass sou exzellent wéi déi vu Koffer, a seng thermesch Leetfäegkeet ass besser wéi all bekannte Material. Et ass ganz transparent. Nëmmen en klengen Deel (2,3%) vum vertikal afalenden siichtbare Liicht gëtt vum Graphen absorbéiert, an de gréissten Deel vum Liicht geet duerch. Et ass sou dicht, datt souguer Heliumatome (déi klengst Gasmoleküle) net duerchgoe kënnen. Dës magesch Eegeschafte sinn net direkt vum Graphit geierft, mä vun der Quantemechanik. Seng eenzegaarteg elektresch an optesch Eegeschafte bestëmmen, datt et breet Uwendungsperspektiven huet.
Och wann Graphen eréischt zënter manner wéi zéng Joer existéiert, huet et vill technesch Uwendungen, wat an de Beräicher vun der Physik a Materialwëssenschaft ganz rar ass. Et dauert méi wéi zéng Joer oder souguer Joerzéngten, bis allgemeng Materialien vum Laboratoire an d'Realitéit kommen. Wat ass de Gebrauch vu Graphen? Kucke mer eis zwou Beispiller un.
Weich transparent Elektrode
A ville elektreschen Apparater mussen transparent leetfäeg Materialien als Elektroden benotzt ginn. Elektronesch Aueren, Rechner, Fernseher, Flëssegkristalldisplays, Touchscreens, Solarpanneauen a vill aner Apparater kënnen d'Existenz vun transparenten Elektroden net loossen. Déi traditionell transparent Elektrod benotzt Indium-Zinnoxid (ITO). Wéinst dem héije Präis an dem limitéierten Angebot un Indium ass d'Material brécheg a feelt u Flexibilitéit, an d'Elektrod muss an der mëttlerer Vakuumschicht ofgelagert ginn, an d'Käschte si relativ héich. Zënter laanger Zäit probéieren d'Wëssenschaftler en Ersatz ze fannen. Nieft den Ufuerderunge vun Transparenz, gudder Leetfäegkeet an einfacher Virbereedung, wann d'Flexibilitéit vum Material selwer gutt ass, ass et gëeegent fir d'Produktioun vun "elektroneschem Pabeier" oder aner zesummeklappbar Displaygeräter. Dofir ass Flexibilitéit och e ganz wichtegen Aspekt. Graphen ass sou e Material, dat ganz gëeegent ass fir transparent Elektroden.
Fuerscher vu Samsung an der Chengjunguan Universitéit a Südkorea hunn Graphen mat enger diagonaler Längt vun 30 Zoll duerch chemesch Gasoflagerung kritt an op eng 188 Mikrometer déck Polyethylenterephthalat (PET) Folie transferéiert fir en Touchscreen op Graphenbasis ze produzéieren [4]. Wéi an der Figur hei ënnendrënner gewisen, gëtt de Graphen, deen op der Kupferfolie gewuess ass, als éischt mam thermesche Strippband (bloen transparenten Deel) verbonnen, duerno gëtt d'Kupferfolie duerch eng chemesch Method opgeléist, an zum Schluss gëtt de Graphen duerch Erhëtzen op d'PET-Folie transferéiert.
Nei photoelektresch Induktiounsausrüstung
Graphen huet ganz eenzegaarteg optesch Eegeschaften. Obwuel et nëmmen eng Schicht vun Atomer gëtt, kann et 2,3% vum emittéierte Liicht am ganze Wellelängteberäich vu siichtbarem Liicht bis Infrarout absorbéieren. Dës Zuel huet näischt mat anere Materialparameter vum Graphen ze dinn a gëtt vun der Quanteelektrodynamik bestëmmt [6]. Dat absorbéiert Liicht féiert zu der Generatioun vun Träger (Elektronen a Lächer). D'Generatioun an den Transport vun Träger am Graphen sinn ganz anescht wéi déi an traditionellen Hallefleeder. Dëst mécht Graphen ganz gëeegent fir ultraschnell photoelektresch Induktiounsausrüstung. Et gëtt geschat, datt sou eng photoelektresch Induktiounsausrüstung mat enger Frequenz vu 500 GHz funktionéiere kann. Wann et fir d'Signaliwwerdroe benotzt gëtt, kann et 500 Milliarde Nullen oder Eenere pro Sekonn iwwerdroen an d'Iwwerdroe vum Inhalt vun zwou Blu-ray Discs an enger Sekonn ofschléissen.
Experten vum IBM Thomas J. Watson Research Centre an den USA hunn Graphen benotzt fir photoelektresch Induktiounsapparater ze produzéieren, déi mat enger Frequenz vun 10 GHz funktionéiere kënnen [8]. Als éischt goufen Graphen-Flacken op engem Siliziumsubstrat preparéiert, dat mat 300 nm déckem Siliziumdioxid bedeckt war, andeems se d'"Tape Tearing Method" benotzt hunn, an duerno goufen Palladiumgold- oder Titangold-Elektroden mat engem Ofstand vun 1 Mikron an enger Breet vun 250 nm drop gemaach. Op dës Manéier gëtt e photoelektrescht Induktiounsapparat op Basis vu Graphen kritt.
Schematesch Duerstellung vun engem Graphen-photoelektreschen Induktiounsapparat a Fotoe vun tatsächleche Proben ënner Rasterelektronenmikroskop (SEM). Déi schwaarz kuerz Linn an der Figur entsprécht 5 Mikrometer, an den Ofstand tëscht de Metalllinnen ass ee Mikrometer.
Duerch Experimenter hunn d'Fuerscher festgestallt, datt dëst photoelektrescht Induktiounsgerät mat Metallgraphenstruktur eng Aarbechtsfrequenz vun maximal 16 GHz erreeche kann a mat héijer Geschwindegkeet am Wellelängteberäich vun 300 nm (no bei Ultraviolett) bis 6 Mikrometer (Infrarout) funktionéiere kann, während dat traditionellt photoelektrescht Induktiounsröhr net op Infraroutliicht mat méi laanger Wellelängt reagéiere kann. D'Aarbechtsfrequenz vun der photoelektrescher Induktiounsgeräter mat Graphen huet nach ëmmer vill Spillraum fir Verbesserungen. Seng iwwerleeën Leeschtung mécht et zu enger breeder Palette vun Uwendungsméiglechkeeten, dorënner Kommunikatioun, Fernbedienung an Ëmweltiwwerwaachung.
Als neit Material mat eenzegaartegen Eegeschaften entstinn d'Fuerschung iwwer d'Uwendung vu Graphen eng nom aneren. Et ass schwéier fir eis, se hei opzezielen. An Zukunft kéint et am Alldag Feldeffektréier aus Graphen, molekular Schalter aus Graphen a molekular Detektoren aus Graphen ginn... Graphen, deen no an no aus dem Laboratoire kënnt, wäert am Alldag glänzen.
Mir kënnen dovun ausgoen, datt an nächster Zukunft eng grouss Zuel vun elektronesche Produkter mat Graphen opdauche wäerten. Stellt Iech vir, wéi interessant et wier, wann eis Smartphones an Netbooks zesummegerullt, un d'Oueren geklampt, an d'Täsch gestach oder ëm d'Handgelenker gewéckelt kéinte ginn, wann se net benotzt ginn!
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 09. Mäerz 2022