Во 2010 година, Геим и Новоселов ја освоија Нобеловата награда за физика за нивната работа на графенот. Оваа награда остави длабок впечаток кај многу луѓе. На крајот на краиштата, не секоја експериментална алатка за Нобелова награда е толку вообичаена како леплива лента, и не секој истражувачки објект е толку магичен и лесен за разбирање како „дводимензионалниот кристален“ графен. Работата во 2004 година може да биде доделена во 2010 година, што е реткост во евиденцијата на Нобеловите награди во последниве години.
Графенот е вид супстанца што се состои од еден слој јаглеродни атоми тесно распоредени во дводимензионална хексагонална решетка во форма на саќе. Како дијамантот, графитот, фулеренот, јаглеродните наноцевки и аморфниот јаглерод, тоа е супстанца (проста супстанца) составена од јаглеродни елементи. Како што е прикажано на сликата подолу, фулерените и јаглеродните наноцевки може да се видат како на некој начин свиткани од еден слој графен, кој е нареден од многу слоеви графен. Теоретското истражување за употребата на графенот за опишување на својствата на разни јаглеродни едноставни супстанции (графит, јаглеродни наноцевки и графен) трае речиси 60 години, но генерално се верува дека ваквите дводимензионални материјали тешко се стабилно постојат сами, само се прикачени на тродимензионалната површина на подлогата или во супстанции како графит. Дури во 2004 година, Андре Геим и неговиот студент Константин Новоселов одвоија еден слој графен од графитот преку експерименти, а истражувањето за графенот постигна нов развој.
И фулеренот (лево) и јаглеродните наноцевки (во средината) може да се сметаат како да се намотани од еден слој графен на некој начин, додека графитот (десно) е наредени од повеќе слоеви на графен преку поврзувањето на ван дер Валсовата сила.
Денес, графенот може да се добие на многу начини, а различните методи имаат свои предности и недостатоци. Геим и Новоселов го добиле графенот на едноставен начин. Користејќи транспарентна лента достапна во супермаркетите, тие го одвоиле графенот, графитен лист со дебелина од само еден слој јаглеродни атоми, од парче пиролитички графит од висок ред. Ова е погодно, но контролата не е толку добра, а може да се добие само графен со големина помала од 100 микрони (една десетина од милиметар), кој може да се користи за експерименти, но тешко е да се користи за практични апликации. Хемиското таложење на пареа може да одгледа примероци од графен со големина од десетици сантиметри на металната површина. Иако површината со конзистентна ориентација е само 100 микрони [3,4], тоа е погодно за производствените потреби на некои апликации. Друг вообичаен метод е загревање на кристалот од силициум карбид (SIC) на повеќе од 1100 ℃ во вакуум, така што силициумските атоми во близина на површината испаруваат, а преостанатите јаглеродни атоми се преуредени, што исто така може да добие примероци од графен со добри својства.
Графенот е нов материјал со уникатни својства: неговата електрична спроводливост е одлична како кај бакарот, а неговата топлинска спроводливост е подобра од кој било познат материјал. Тој е многу транспарентен. Само мал дел (2,3%) од вертикалната падачка видлива светлина ќе биде апсорбирана од графенот, а поголемиот дел од светлината ќе помине низ него. Тој е толку густ што дури и атомите на хелиум (најмалите молекули на гас) не можат да поминат. Овие магични својства не се директно наследени од графитот, туку од квантната механика. Неговите уникатни електрични и оптички својства одредуваат дека има широки перспективи за примена.
Иако графенот се појавува пред помалку од десет години, тој покажа многу технички примени, што е многу ретко во областа на физиката и науката за материјали. Потребни се повеќе од десет години или дури децении за општите материјали да се префрлат од лабораторија во реалниот живот. Која е употребата на графенот? Да разгледаме два примера.
Мека транспарентна електрода
Во многу електрични апарати, како електроди треба да се користат транспарентни спроводливи материјали. Електронските часовници, калкулаторите, телевизорите, дисплеите со течен кристал, екраните на допир, сончевите панели и многу други уреди не можат да го напуштат постоењето на транспарентни електроди. Традиционалната транспарентна електрода користи индиум-калај оксид (ITO). Поради високата цена и ограниченото снабдување со индиум, материјалот е кршлив и нема флексибилност, а електродата треба да се депонира во средниот слој на вакуум, а цената е релативно висока. Долго време, научниците се обидуваат да најдат негова замена. Покрај барањата за транспарентност, добра спроводливост и лесна подготовка, ако флексибилноста на самиот материјал е добра, тој ќе биде погоден за изработка на „електронска хартија“ или други уреди за преклопување на екранот. Затоа, флексибилноста е исто така многу важен аспект. Графенот е таков материјал, кој е многу погоден за транспарентни електроди.
Истражувачи од Самсунг и Универзитетот Ченгџунгуан во Јужна Кореја добиле графен со дијагонална должина од 30 инчи со хемиско таложење на пареа и го префрлиле на полиетилен терефталат (PET) филм со дебелина од 188 микрони за да произведат екран на допир базиран на графен [4]. Како што е прикажано на сликата подолу, графенот одгледуван на бакарна фолија прво се врзува со термичка лента за отстранување (синиот проѕирен дел), потоа бакарната фолија се раствора со хемиски метод, и конечно графенот се пренесува на PET филм со загревање.
Нова фотоелектрична индукциска опрема
Графенот има многу уникатни оптички својства. Иако има само еден слој атоми, тој може да апсорбира 2,3% од емитираната светлина во целиот опсег на бранова должина од видлива светлина до инфрацрвена светлина. Овој број нема никаква врска со другите материјални параметри на графенот и е определен од квантната електродинамика [6]. Апсорбираната светлина ќе доведе до генерирање на носители (електрони и дупки). Генерирањето и транспортот на носители во графенот се многу различни од оние во традиционалните полупроводници. Ова го прави графенот многу погоден за ултрабрза фотоелектрична индукциска опрема. Се проценува дека таквата фотоелектрична индукциска опрема може да работи на фреквенција од 500 GHz. Ако се користи за пренос на сигнали, може да пренесе 500 милијарди нули или единици во секунда и да го заврши преносот на содржината на два Blu-ray дискови за една секунда.
Експертите од истражувачкиот центар IBM Thomas J. Watson во Соединетите Американски Држави користеле графен за производство на фотоелектрични индукциски уреди кои можат да работат на фреквенција од 10 GHz [8]. Прво, графенските снегулки биле подготвени на силиконска подлога покриена со силициум диоксид со дебелина од 300 nm со „метод на кинење со лента“, а потоа на неа биле направени електроди од паладиумско злато или титаниумско злато со интервал од 1 микрон и ширина од 250 nm. На овој начин, се добива фотоелектричен индукциски уред базиран на графен.
Шематски дијаграм на опрема за фотоелектрична индукција на графен и фотографии од вистински примероци направени со скенирачки електронски микроскоп (SEM). Црната кратка линија на сликата одговара на 5 микрони, а растојанието помеѓу металните линии е еден микрон.
Преку експерименти, истражувачите откриле дека овој фотоелектричен индукциски уред со метална структура на графен може да достигне работна фреквенција од најмногу 16 GHz и може да работи со голема брзина во опсег на бранови должини од 300 nm (блиску до ултравиолетова светлина) до 6 микрони (инфрацрвена светлина), додека традиционалната фотоелектрична индукциска цевка не може да реагира на инфрацрвена светлина со подолга бранова должина. Работната фреквенција на фотоелектричната индукциска опрема на графен сè уште има голем простор за подобрување. Неговите супериорни перформанси ѝ овозможуваат широк спектар на можности за примена, вклучувајќи комуникација, далечинско управување и мониторинг на животната средина.
Како нов материјал со уникатни својства, истражувањата за примена на графенот се појавуваат едно по друго. Тешко ни е да ги наброиме овде. Во иднина, може да има цевки со ефект на поле направени од графен, молекуларни прекинувачи направени од графен и молекуларни детектори направени од графен во секојдневниот живот… Графенот што постепено излегува од лабораторијата ќе блесне во секојдневниот живот.
Можеме да очекуваме дека во блиска иднина ќе се појават голем број електронски производи што користат графен. Замислете колку би било интересно ако нашите паметни телефони и нетбуци можеа да се свиткаат, да се стегнат на ушите, да се стават во џебовите или да се завиткаат околу зглобовите кога не се во употреба!
Време на објавување: 09.03.2022