2010. gadā Geims un Novoselovs ieguva Nobela prēmiju fizikā par savu darbu grafēna jomā. Šī balva ir atstājusi dziļu iespaidu uz daudziem cilvēkiem. Galu galā ne katrs Nobela prēmijas eksperimentālais rīks ir tik izplatīts kā līmlente, un ne katrs pētniecības objekts ir tik maģisks un viegli saprotams kā "divdimensiju kristāla" grafēns. 2004. gada darbs var tikt piešķirts 2010. gadā, kas pēdējo gadu Nobela prēmiju vēsturē ir retums.
Grafēns ir vielas veids, kas sastāv no viena oglekļa atomu slāņa, kas cieši izvietots divdimensiju šūnveida sešstūra režģī. Tāpat kā dimants, grafīts, fullerēns, oglekļa nanocaurulītes un amorfais ogleklis, tā ir viela (vienkārša viela), kas sastāv no oglekļa elementiem. Kā parādīts attēlā zemāk, fullerēnus un oglekļa nanocaurulītes var uzskatīt par kaut kādā veidā sarullētiem no viena grafēna slāņa, kas ir sakrauts ar daudziem grafēna slāņiem. Teorētiskie pētījumi par grafēna izmantošanu dažādu vienkāršu oglekļa vielu (grafīta, oglekļa nanocaurulīšu un grafēna) īpašību aprakstīšanai ilgst gandrīz 60 gadus, taču parasti tiek uzskatīts, ka šādiem divdimensiju materiāliem ir grūti stabili pastāvēt atsevišķi, tikai piestiprinātiem pie trīsdimensiju substrāta virsmas vai tādu vielu kā grafīta iekšpusē. Tikai 2004. gadā, kad Andrejs Geims un viņa students Konstantīns Novoselovs eksperimentu rezultātā no grafīta atdalīja vienu grafēna slāni, grafēna pētījumi sasniedza jaunus sasniegumus.
Gan fullerēnu (pa kreisi), gan oglekļa nanocaurulītes (vidū) var uzskatīt par kaut kādā veidā aptvertām ar vienu grafēna slāni, savukārt grafītu (pa labi) sakrāj vairāki grafēna slāņi, izmantojot van der Valsa spēka savienojumu.
Mūsdienās grafēnu var iegūt dažādos veidos, un dažādām metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi. Geims un Novoselovs ieguva grafēnu vienkāršā veidā. Izmantojot lielveikalos nopērkamu caurspīdīgu lenti, viņi no augstas kārtas pirolītiskā grafīta gabala noņēma grafēnu – grafīta loksni, kuras biezumā ir tikai viens oglekļa atomu slānis. Tas ir ērti, taču vadāmība nav tik laba, un var iegūt tikai grafēnu, kura izmērs ir mazāks par 100 mikroniem (vienu desmitdaļu milimetra), ko var izmantot eksperimentiem, taču to ir grūti izmantot praktiskos pielietojumos. Ķīmiskā tvaiku pārklāšana var izaudzēt grafēna paraugus ar izmēru desmitiem centimetru uz metāla virsmas. Lai gan laukums ar nemainīgu orientāciju ir tikai 100 mikroni [3,4], tas ir bijis piemērots dažu pielietojumu ražošanas vajadzībām. Cita izplatīta metode ir silīcija karbīda (SIC) kristāla uzsildīšana vakuumā līdz vairāk nekā 1100 ℃, lai silīcija atomi virsmas tuvumā iztvaikotu un atlikušie oglekļa atomi pārkārtotos, kas arī var iegūt grafēna paraugus ar labām īpašībām.
Grafēns ir jauns materiāls ar unikālām īpašībām: tā elektrovadītspēja ir tikpat lieliska kā varam, un tā siltumvadītspēja ir labāka nekā jebkuram zināmam materiālam. Tas ir ļoti caurspīdīgs. Grafēns absorbēs tikai nelielu daļu (2,3%) no vertikāli krītošās redzamās gaismas, un lielākā daļa gaismas izies cauri. Tas ir tik blīvs, ka pat hēlija atomi (mazākās gāzes molekulas) nevar iziet cauri. Šīs maģiskās īpašības nav tieši mantotas no grafīta, bet gan no kvantu mehānikas. Tā unikālās elektriskās un optiskās īpašības nosaka tā plašas pielietojuma iespējas.
Lai gan grafēns ir parādījies tikai pirms nepilniem desmit gadiem, tam ir daudz tehnisku pielietojumu, kas fizikas un materiālzinātnes jomās ir ļoti reti. Lai vispārpieņemti materiāli nonāktu no laboratorijas reālajā dzīvē, ir nepieciešami vairāk nekā desmit gadi vai pat gadu desmiti. Kāda ir grafēna lietderība? Apskatīsim divus piemērus.
Mīksts caurspīdīgs elektrods
Daudzās elektroierīcēs kā elektrodi ir jāizmanto caurspīdīgi vadoši materiāli. Elektroniskie pulksteņi, kalkulatori, televizori, šķidro kristālu displeji, skārienekrāni, saules paneļi un daudzas citas ierīces nevar atteikties no caurspīdīgu elektrodu eksistences. Tradicionālajā caurspīdīgajā elektrodā tiek izmantots indija alvas oksīds (ITO). Indija augstās cenas un ierobežotā piedāvājuma dēļ materiāls ir trausls un tam trūkst elastības, un elektrods ir jānogulsnē vakuuma vidējā slānī, un izmaksas ir salīdzinoši augstas. Zinātnieki jau ilgu laiku cenšas atrast tā aizstājēju. Papildus caurspīdīguma, labas vadītspējas un vienkāršas sagatavošanas prasībām, ja paša materiāla elastība ir laba, tas būs piemērots "elektroniskā papīra" vai citu salokāmu displeju ierīču izgatavošanai. Tāpēc arī elastība ir ļoti svarīgs aspekts. Grafēns ir šāds materiāls, kas ir ļoti piemērots caurspīdīgiem elektrodiem.
Samsung un Čendžunguaņas universitātes Dienvidkorejā pētnieki ar ķīmiskās tvaiku uzklāšanas metodi ieguva grafēnu ar diagonāles garumu 30 collas un pārnesa to uz 188 mikronu biezu polietilēntereftalāta (PET) plēvi, lai izveidotu uz grafēna bāzes veidotu skārienekrānu [4]. Kā parādīts zemāk redzamajā attēlā, uz vara folijas audzētais grafēns vispirms tiek savienots ar termiski noņemamu lenti (zilā caurspīdīgā daļa), pēc tam vara folija tiek izšķīdināta ar ķīmisku metodi un visbeidzot grafēns tiek pārnests uz PET plēvi, karsējot.
Jaunas fotoelektriskās indukcijas iekārtas
Grafēnam piemīt ļoti unikālas optiskās īpašības. Lai gan grafēnam ir tikai viens atomu slānis, tas var absorbēt 2,3% no izstarotās gaismas visā viļņu garuma diapazonā no redzamās gaismas līdz infrasarkanajam. Šim skaitlim nav nekāda sakara ar citiem grafēna materiāla parametriem un to nosaka kvantu elektrodinamika [6]. Absorbētā gaisma novedīs pie nesēju (elektronu un caurumu) ģenerēšanas. Nesēju ģenerēšana un transportēšana grafēnā ļoti atšķiras no tradicionālajiem pusvadītājiem. Tas padara grafēnu ļoti piemērotu īpaši ātrām fotoelektriskās indukcijas iekārtām. Tiek lēsts, ka šādas fotoelektriskās indukcijas iekārtas varētu darboties ar frekvenci 500 GHz. Ja to izmanto signāla pārraidei, tā var pārraidīt 500 miljardus nulles vai vieninieku sekundē un pabeigt divu Blu-ray disku satura pārraidi vienā sekundē.
IBM Thomas J. Watson pētniecības centra eksperti Amerikas Savienotajās Valstīs ir izmantojuši grafēnu, lai ražotu fotoelektriskās indukcijas ierīces, kas var darboties 10 GHz frekvencē [8]. Vispirms uz silīcija substrāta, kas pārklāts ar 300 nm biezu silīcija dioksīdu, tika sagatavotas grafēna pārslas, izmantojot "lentes plēšanas metodi", un pēc tam uz tās tika izgatavoti pallādija zelta vai titāna zelta elektrodi ar 1 mikrona intervālu un 250 nm platumu. Tādā veidā tiek iegūta uz grafēna bāzes veidota fotoelektriskā indukcijas ierīce.
Grafēna fotoelektriskās indukcijas iekārtas shematiska diagramma un skenējošā elektronmikroskopa (SEM) fotogrāfijas ar faktiskajiem paraugiem. Attēlā redzamā melnā īsā līnija atbilst 5 mikroniem, un attālums starp metāla līnijām ir viens mikrons.
Eksperimentu gaitā pētnieki atklāja, ka šī metāla grafēna metāla struktūras fotoelektriskā indukcijas ierīce var sasniegt maksimāli 16 GHz darba frekvenci un darboties lielā ātrumā viļņu garuma diapazonā no 300 nm (tuvā ultravioletā starojuma) līdz 6 mikroniem (infrasarkanā starojuma), savukārt tradicionālā fotoelektriskā indukcijas lampa nespēj reaģēt uz infrasarkano gaismu ar garāku viļņu garumu. Grafēna fotoelektriskās indukcijas iekārtas darba frekvencei joprojām ir lielas uzlabošanas iespējas. Tās izcilā veiktspēja paver plašu pielietojuma klāstu, tostarp komunikācijā, tālvadības pultī un vides uzraudzībā.
Kā jauns materiāls ar unikālām īpašībām, pētījumi par grafēna pielietojumu parādās viens pēc otra. Mums ir grūti tos šeit uzskaitīt. Nākotnē ikdienas dzīvē varētu būt no grafēna izgatavotas lauka efekta lampas, no grafēna izgatavoti molekulārie slēdži un no grafēna izgatavoti molekulārie detektori… Grafēns, kas pakāpeniski iznāks no laboratorijas, ikdienā mirdzēs.
Varam sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē parādīsies liels skaits elektronisku izstrādājumu, kuros izmantots grafēns. Padomājiet par to, cik interesanti būtu, ja mūsu viedtālruņus un netbookus varētu sarullēt, piestiprināt pie ausīm, iebāzt kabatās vai aptīt ap plaukstas locītavām, kad tie netiek lietoti!
Publicēšanas laiks: 2022. gada 9. marts