2010 онд Гейм, Новоселов нар графены талаар хийсэн бүтээлээрээ физикийн чиглэлээр Нобелийн шагнал хүртсэн. Энэхүү шагнал олон хүнд гүн гүнзгий сэтгэгдэл төрүүлсэн. Эцсийн эцэст Нобелийн шагналын туршилтын хэрэгсэл бүр наалдамхай тууз шиг түгээмэл биш бөгөөд судалгааны объект бүр "хоёр хэмжээст болор" графен шиг ид шидийн, ойлгоход хялбар байдаггүй. 2004 оны бүтээлийг 2010 онд хүртэх боломжтой бөгөөд энэ нь сүүлийн жилүүдэд Нобелийн шагнал хүртсэн хүмүүсийн дунд ховор тохиолдол юм.
Графен бол хоёр хэмжээст зөгийн сархинаг хэлбэртэй зургаан өнцөгт торонд нягт байрласан нүүрстөрөгчийн атомуудын нэг давхаргаас бүрдэх нэг төрлийн бодис юм. Алмаз, бал чулуу, фуллерен, нүүрстөрөгчийн нано хоолой, аморф нүүрстөрөгчийн нэгэн адил энэ нь нүүрстөрөгчийн элементүүдээс бүрдсэн бодис (энгийн бодис) юм. Доорх зурагт үзүүлсэнчлэн, фуллерен ба нүүрстөрөгчийн нано хоолойг графены олон давхаргаар давхарласан нэг давхаргаас ямар нэгэн байдлаар өнхрүүлэн авч үзэж болно. Төрөл бүрийн нүүрстөрөгчийн энгийн бодисуудын (бал чулуу, нүүрстөрөгчийн нано хоолой, графен) шинж чанарыг тодорхойлоход графеныг ашиглах онолын судалгаа бараг 60 жил үргэлжилсэн боловч ерөнхийдөө ийм хоёр хэмжээст материалууд дангаараа тогтвортой оршин тогтноход хэцүү, зөвхөн гурван хэмжээст субстратын гадаргуу дээр эсвэл бал чулуу зэрэг бодисын дотор наалддаг гэж үздэг. Андре Гейм болон түүний шавь Константин Новоселов нар туршилтаар графены нэг давхаргыг бал чулуунаас салгаж авсан 2004 он хүртэл графены судалгаа шинэ хөгжилд хүрсэнгүй.
Фуллерен (зүүн талд) болон нүүрстөрөгчийн нано хоолой (дунд талд) хоёулаа графены нэг давхаргаар ямар нэгэн байдлаар ороогдож байгаа гэж үзэж болох бол графит (баруун талд) нь ван дер Ваальсын хүчний холболтоор графены олон давхаргаар давхарлагдсан байна.
Өнөө үед графеныг олон аргаар гаргаж авах боломжтой бөгөөд өөр өөр аргууд нь өөрийн гэсэн давуу болон сул талуудтай. Гейм, Новоселов нар графеныг энгийн аргаар гаргаж авсан. Супермаркетуудад байдаг тунгалаг туузыг ашиглан тэд өндөр эрэмбийн пиролитик графитын хэсгээс зөвхөн нэг давхаргын зузаантай нүүрстөрөгчийн атом бүхий графит хуудас болох графеныг салгаж авсан. Энэ нь тохиромжтой боловч хянах чадвар нь тийм ч сайн биш бөгөөд 100 микроноос (миллиметрийн аравны нэг) бага хэмжээтэй графеныг зөвхөн туршилтанд ашиглаж болох боловч практик хэрэглээнд ашиглахад хэцүү байдаг. Химийн уурын тунадасжуулалт нь металл гадаргуу дээр хэдэн арван сантиметр хэмжээтэй графен дээжийг ургуулж чаддаг. Тогтмол чиглэлтэй талбай нь ердөө 100 микрон боловч [3,4] зарим хэрэглээний үйлдвэрлэлийн хэрэгцээнд тохиромжтой байсан. Өөр нэг түгээмэл арга бол цахиурын карбид (SIC) талстын вакуумыг 1100 ℃-ээс дээш температурт халаах явдал юм, ингэснээр гадаргуугийн ойролцоох цахиурын атомууд ууршиж, үлдсэн нүүрстөрөгчийн атомууд дахин зохион байгуулагдах бөгөөд ингэснээр сайн шинж чанартай графен дээжийг авах боломжтой.
Графен бол өвөрмөц шинж чанартай шинэ материал юм: түүний цахилгаан дамжуулах чанар нь зэс шиг маш сайн бөгөөд дулаан дамжуулах чанар нь мэдэгдэж буй бусад материалаас илүү сайн. Энэ нь маш тунгалаг. Босоо тусах харагдах гэрлийн зөвхөн багахан хэсэг (2.3%) нь графенд шингэж, гэрлийн ихэнх хэсэг нь дамжин өнгөрдөг. Энэ нь маш нягт тул гелийн атомууд (хамгийн жижиг хийн молекулууд) ч нэвтэрч чадахгүй. Эдгээр ид шидийн шинж чанарууд нь графитаас шууд өвлөгддөггүй, харин квант механикаас үүдэлтэй. Түүний өвөрмөц цахилгаан болон оптик шинж чанарууд нь өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвийг тодорхойлдог.
Графен ердөө арван жил хүрэхгүй хугацаанд гарч ирсэн ч олон техникийн хэрэглээг харуулсан бөгөөд энэ нь физик, материалын шинжлэх ухааны салбарт маш ховор тохиолддог. Ерөнхий материалыг лабораториос бодит амьдрал руу шилжүүлэхэд арав гаруй жил эсвэл бүр хэдэн арван жил шаардагддаг. Графен ямар хэрэгтэй вэ? Хоёр жишээг авч үзье.
Зөөлөн тунгалаг электрод
Олон цахилгаан хэрэгсэлд тунгалаг дамжуулагч материалыг электрод болгон ашиглах шаардлагатай байдаг. Цахим цаг, тооны машин, телевизор, шингэн болор дэлгэц, мэдрэгчтэй дэлгэц, нарны хавтан болон бусад олон төхөөрөмж нь тунгалаг электродуудаас ангид байж чадахгүй. Уламжлалт тунгалаг электрод нь индиум цагаан тугалганы исэл (ITO) ашигладаг. Индийн өндөр үнэ, хязгаарлагдмал хангамжаас шалтгаалан материал нь хэврэг, уян хатан бус бөгөөд электродыг вакуум дунд давхаргад хуримтлуулах шаардлагатай бөгөөд өртөг нь харьцангуй өндөр байдаг. Эрдэмтэд удаан хугацааны турш үүнийг орлохыг хичээж ирсэн. Тунгалаг байдал, сайн дамжуулалт, хялбар бэлтгэлийн шаардлагуудаас гадна хэрэв материалын уян хатан чанар сайн байвал "цахим цаас" эсвэл бусад эвхэгддэг дэлгэцийн төхөөрөмж хийхэд тохиромжтой. Тиймээс уян хатан байдал нь бас маш чухал тал юм. Графен бол тунгалаг электродуудад маш тохиромжтой ийм материал юм.
Өмнөд Солонгосын Самсунг болон Ченжунгуаны Их Сургуулийн судлаачид химийн уурын тунадасжуулалтаар 30 инчийн диагональ урттай графеныг гаргаж аваад 188 микрон зузаантай полиэтилен терефталат (PET) хальсанд шилжүүлэн графен дээр суурилсан мэдрэгчтэй дэлгэц гаргаж авсан [4]. Доорх зурагт үзүүлсэнчлэн, зэс тугалган цаасан дээр ургуулсан графеныг эхлээд дулааны хуулах туузаар (цэнхэр тунгалаг хэсэг) холбож, дараа нь зэс тугалган цаасыг химийн аргаар уусгаж, эцэст нь графеныг халаах замаар PET хальс руу шилжүүлдэг.
Шинэ фотоэлектрик индукцийн тоног төхөөрөмж
Графен нь маш өвөрмөц оптик шинж чанартай. Хэдийгээр атомын зөвхөн нэг давхарга байдаг ч харагдах гэрлээс хэт улаан туяа хүртэлх бүх долгионы уртад ялгарч буй гэрлийн 2.3%-ийг шингээж чаддаг. Энэ тоо нь графены бусад материалын параметрүүдтэй ямар ч холбоогүй бөгөөд квант электродинамикаар тодорхойлогддог [6]. Шингээсэн гэрэл нь зөөгч (электрон ба нүх) үүсгэхэд хүргэдэг. Графен дахь зөөгчийг үүсгэх, тээвэрлэх нь уламжлалт хагас дамжуулагчаас маш өөр юм. Энэ нь графеныг хэт хурдан фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмжид маш тохиромжтой болгодог. Ийм фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмж 500 ГГц давтамжтайгаар ажиллах боломжтой гэж тооцоолж байна. Хэрэв үүнийг дохио дамжуулахад ашиглавал секундэд 500 тэрбум тэг эсвэл нэгийг дамжуулж, хоёр Blu-ray дискний агуулгыг нэг секундын дотор дамжуулж чадна.
АНУ-ын IBM Томас Ж. Ватсоны судалгааны төвийн мэргэжилтнүүд графен ашиглан 10GHz давтамжтай ажиллах боломжтой фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмжийг үйлдвэрлэжээ [8]. Нэгдүгээрт, 300 нм зузаантай цахиураар бүрхэгдсэн цахиурын суурь дээр "тууз урах арга"-аар графен хальсыг бэлтгэж, дараа нь 1 микрон зайтай, 250 нм өргөнтэй палладин алт эсвэл титан алтны электродуудыг хийсэн. Ийм байдлаар графен дээр суурилсан фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмжийг гаргаж авдаг.
Графен фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмж болон сканнердсан электрон микроскоп (SEM)-ийн бодит дээжийн зургуудын бүдүүвч диаграмм. Зураг дээрх хар богино шугам нь 5 микронтой тохирч байгаа бөгөөд металл шугамуудын хоорондох зай нь нэг микрон байна.
Туршилтаар судлаачид энэхүү металл графен металл бүтэцтэй фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмж нь дээд тал нь 16 ГГц давтамжтай ажиллах боломжтой бөгөөд 300 нм (хэт ягаан туяаны ойролцоо)-аас 6 микрон (хэт улаан туяаны) хүртэлх долгионы уртад өндөр хурдтай ажиллах боломжтойг тогтоосон бол уламжлалт фотоэлектрик индукцийн хоолой нь илүү урт долгионы урттай хэт улаан туяаны гэрэлд хариу үйлдэл үзүүлэх боломжгүй юм. Графен фотоэлектрик индукцийн төхөөрөмжийн ажлын давтамж нь сайжруулах зай ихтэй хэвээр байна. Түүний дээд зэргийн гүйцэтгэл нь харилцаа холбоо, алсын удирдлага, хүрээлэн буй орчны хяналт зэрэг өргөн хүрээний хэрэглээний хэтийн төлөвийг бий болгодог.
Өвөрмөц шинж чанартай шинэ материал болох графеныг хэрэглэх судалгаанууд ар араасаа гарч ирж байна. Тэдгээрийг энд тоочоод баршгүй. Ирээдүйд графеноор хийсэн талбайн эффектийн хоолой, графеноор хийсэн молекулын унтраалга, графеноор хийсэн молекулын илрүүлэгч гэх мэт өдөр тутмын амьдралд гарч ирж магадгүй... Лабораториос аажмаар гарч ирж буй графен өдөр тутмын амьдралд гялалзах болно.
Графен ашигладаг олон тооны электрон бүтээгдэхүүн ойрын ирээдүйд гарч ирнэ гэж бид найдаж байна. Хэрэв бидний ухаалаг утас, нетбукийг хуйлчихвал, чихэндээ хавчуулбал, халаасандаа хийгээд эсвэл ашиглаагүй үедээ бугуйндаа ороовол ямар сонирхолтой байх бол гэж бодоод үз дээ!
Нийтэлсэн цаг: 2022 оны 3-р сарын 9