2010 m. Geimas ir Novoselovas laimėjo Nobelio fizikos premiją už savo darbą su grafenu. Šis apdovanojimas daugeliui žmonių paliko gilų įspūdį. Juk ne kiekvienas Nobelio premijos eksperimentinis įrankis yra toks įprastas kaip lipni juosta, o ne kiekvienas tyrimo objektas yra toks magiškas ir lengvai suprantamas kaip „dvimatis kristalas“ grafenas. 2004 m. darbas gali būti apdovanotas 2010 m., o tai yra retenybė pastarųjų metų Nobelio premijų istorijoje.
Grafenas yra medžiaga, sudaryta iš vieno anglies atomų sluoksnio, glaudžiai išsidėsčiusio dvimatėje korio formos šešiakampėje gardelėje. Kaip ir deimantas, grafitas, fulerenas, anglies nanovamzdeliai ir amorfinė anglis, tai yra medžiaga (paprastoji medžiaga), sudaryta iš anglies elementų. Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, fulerenus ir anglies nanovamzdelius galima laikyti tam tikru būdu susuktais iš vieno grafeno sluoksnio, kuris yra sukrautas daugybe grafeno sluoksnių. Teoriniai grafeno naudojimo įvairių anglies paprastųjų medžiagų (grafito, anglies nanovamzdelių ir grafeno) savybėms apibūdinti tyrimai trunka beveik 60 metų, tačiau paprastai manoma, kad tokias dvimates medžiagas sunku stabiliai egzistuoti pavienes, tik pritvirtintas prie trimačio pagrindo paviršiaus arba medžiagų, tokių kaip grafitas, viduje. Tik 2004 m., kai Andre Geimas ir jo studentas Konstantinas Novoselovas eksperimentų metu pašalino vieną grafeno sluoksnį iš grafito, grafeno tyrimai pasiekė naujų rezultatų.
Ir fulereną (kairėje), ir anglies nanovamzdelį (viduryje) galima laikyti tam tikru būdu suvyniotais vienu grafeno sluoksniu, o grafitą (dešinėje) sudaro keli grafeno sluoksniai, sujungti van der Valso jėgos.
Šiais laikais grafeną galima gauti įvairiais būdais, ir skirtingi metodai turi savų privalumų ir trūkumų. Geimas ir Novoselovas grafeną gavo paprastu būdu. Naudodami prekybos centruose parduodamą permatomą juostą, jie nuo aukštos eilės pirolizinio grafito gabalo nuėmė grafeną – grafito lakštą, kurio storis yra tik vienas anglies atomų sluoksnis. Tai patogu, tačiau valdomumas nėra toks geras, ir galima gauti tik mažesnio nei 100 mikronų (viena dešimtoji milimetro) dydžio grafeną, kurį galima naudoti eksperimentams, tačiau sunku pritaikyti praktikoje. Cheminiu garų nusodinimu galima užauginti dešimčių centimetrų dydžio grafeno mėginius ant metalo paviršiaus. Nors pastovios orientacijos plotas yra tik 100 mikronų [3,4], jis tinka kai kurių sričių gamybos poreikiams. Kitas įprastas metodas – silicio karbido (SIC) kristalo kaitinimas vakuume iki daugiau nei 1100 ℃, kad paviršiaus esantys silicio atomai išgaruotų, o likę anglies atomai persitvarkytų, taip pat galima gauti gerų savybių turinčius grafeno mėginius.
Grafenas yra nauja medžiaga, pasižyminti unikaliomis savybėmis: jo elektrinis laidumas yra toks pat puikus kaip vario, o šilumos laidumas – geresnis nei bet kurios žinomos medžiagos. Jis yra labai skaidrus. Grafenas sugeria tik nedidelę dalį (2,3 %) vertikaliai krintančios matomos šviesos, o didžioji dalis šviesos praeina. Jis yra toks tankus, kad net helio atomai (mažiausios dujų molekulės) negali prasiskverbti. Šios magiškos savybės nėra tiesiogiai paveldėtos iš grafito, o iš kvantinės mechanikos. Unikalios elektrinės ir optinės savybės lemia plačias jo taikymo galimybes.
Nors grafenas atsirado tik mažiau nei dešimt metų, jis parodė daug techninių pritaikymų, o tai labai reta fizikos ir medžiagų mokslo srityse. Įprastoms medžiagoms pereiti iš laboratorijos į realų gyvenimą prireikia daugiau nei dešimties metų ar net dešimtmečių. Kam naudojamas grafenas? Pažvelkime į du pavyzdžius.
Minkštas skaidrus elektrodas
Daugelyje elektros prietaisų kaip elektrodai turi būti naudojamos skaidrios laidžios medžiagos. Elektroniniai laikrodžiai, skaičiuotuvai, televizoriai, skystųjų kristalų ekranai, jutikliniai ekranai, saulės baterijos ir daugelis kitų prietaisų negali atsisakyti skaidrių elektrodų. Tradicinis skaidrus elektrodas naudoja indžio alavo oksidą (ITO). Dėl didelės indžio kainos ir riboto tiekimo ši medžiaga yra trapi ir nelanksti, todėl elektrodas turi būti nusodinamas viduriniame vakuumo sluoksnyje, o kaina yra gana didelė. Mokslininkai jau seniai bando rasti jos pakaitalą. Be skaidrumo, gero laidumo ir lengvo paruošimo reikalavimų, jei pati medžiaga yra lanksti, ji tiks „elektroniniam popieriui“ ar kitiems sulankstomiems ekranams gaminti. Todėl lankstumas taip pat yra labai svarbus aspektas. Grafenas yra tokia medžiaga, kuri labai tinka skaidriems elektrodams.
„Samsung“ ir Pietų Korėjos Čengjunguano universiteto tyrėjai cheminio garinimo būdu gavo 30 colių įstrižainės ilgio grafeną ir perkėlė jį ant 188 mikronų storio polietileno tereftalato (PET) plėvelės, taip pagamindami grafeno pagrindu pagamintą jutiklinį ekraną [4]. Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, ant vario folijos užaugintas grafenas pirmiausia sujungiamas terminio nuėmimo juosta (mėlyna skaidri dalis), tada vario folija ištirpinama cheminiu būdu, o galiausiai grafenas kaitinant perkeliamas ant PET plėvelės.
Nauja fotoelektrinė indukcinė įranga
Grafenas pasižymi labai unikaliomis optinėmis savybėmis. Nors yra tik vienas atomų sluoksnis, jis gali sugerti 2,3 % skleidžiamos šviesos visame bangos ilgių diapazone nuo matomos iki infraraudonųjų spindulių. Šis skaičius neturi nieko bendra su kitais grafeno medžiagos parametrais ir yra nustatomas kvantinės elektrodinamikos [6]. Sugerta šviesa sukels krūvininkų (elektronų ir skylių) generavimą. Krūvių generavimas ir pernaša grafene labai skiriasi nuo tradicinių puslaidininkių. Dėl to grafenas labai tinka itin greitai fotoelektrinei indukcijos įrangai. Manoma, kad tokia fotoelektrinės indukcijos įranga gali veikti 500 GHz dažniu. Jei ji naudojama signalui perduoti, ji gali perduoti 500 milijardų nulių arba vienetų per sekundę ir per vieną sekundę perduoti dviejų „Blu-ray“ diskų turinį.
IBM Thomas J. Watson tyrimų centro Jungtinėse Valstijose ekspertai panaudojo grafeną fotoelektrinės indukcijos įtaisams, galintiems veikti 10 GHz dažniu, gaminti [8]. Pirmiausia ant silicio padėklo, padengto 300 nm storio silicio dioksidu, „juostos plėšymo metodu“ buvo paruošti grafeno dribsniai, o tada ant jų buvo pagaminti paladžio aukso arba titano aukso elektrodai, kurių intervalas yra 1 mikronas, o plotis – 250 nm. Tokiu būdu gautas grafeno pagrindu pagamintas fotoelektrinės indukcijos įtaisas.
Grafeno fotoelektrinės indukcijos įrangos ir tikrų mėginių nuotraukų, darytų skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM), schema. Trumpa juoda linija paveiksle atitinka 5 mikronus, o atstumas tarp metalinių linijų yra vienas mikronas.
Eksperimentų metu tyrėjai nustatė, kad šis metalinės grafeno struktūros fotoelektrinis indukcinis įtaisas gali pasiekti ne daugiau kaip 16 GHz darbinį dažnį ir veikti dideliu greičiu bangos ilgių diapazone nuo 300 nm (artimas ultravioletinis spinduliavimas) iki 6 mikronų (infraraudonieji spinduliai), o tradicinis fotoelektrinis indukcinis vamzdis negali reaguoti į ilgesnių bangų infraraudonąją šviesą. Grafeno fotoelektrinės indukcinės įrangos darbinis dažnis vis dar turi daug erdvės tobulėjimui. Dėl puikių savybių ji turi platų pritaikymo spektrą, įskaitant ryšį, nuotolinį valdymą ir aplinkos stebėjimą.
Kaip nauja medžiaga, pasižyminti unikaliomis savybėmis, grafeno pritaikymo tyrimai atsiranda vienas po kito. Mums sunku juos čia išvardyti. Ateityje kasdieniame gyvenime gali atsirasti lauko efekto vamzdelių, pagamintų iš grafeno, molekulinių jungiklių ir molekulinių detektorių... Grafenas, kuris pamažu išeis iš laboratorijos, sužibės kasdieniame gyvenime.
Galime tikėtis, kad netolimoje ateityje atsiras daugybė elektroninių gaminių, kuriuose bus naudojamas grafenas. Pagalvokite, kaip būtų įdomu, jei mūsų išmaniuosius telefonus ir nešiojamuosius kompiuterius būtų galima susukti, užsegti ant ausų, įsidėti į kišenes arba, kai nenaudojame, apvynioti aplink riešus!
Įrašo laikas: 2022 m. kovo 9 d.