I 2010 vant Geim og Novoselov Nobelprisen i fysikk for arbeidet sitt med grafen. Denne prisen har gjort et dypt inntrykk på mange. Tross alt er ikke alle eksperimentelle verktøy som har fått Nobelprisen like vanlige som teip, og ikke alle forskningsobjekter er like magiske og lette å forstå som «todimensjonal krystall»-grafen. Arbeidet fra 2004 kan bli tildelt i 2010, noe som er sjeldent i Nobelprisregisteret de siste årene.
Grafen er en type stoff som består av et enkelt lag med karbonatomer tett arrangert i et todimensjonalt, bikakeformet, sekskantet gitter. I likhet med diamant, grafitt, fulleren, karbonnanorør og amorft karbon er det et stoff (enkelt stoff) som er satt sammen av karbonelementer. Som vist i figuren nedenfor kan fullerener og karbonnanorør sees på som rullet opp på en eller annen måte fra et enkelt lag med grafen, som er stablet av mange lag med grafen. Den teoretiske forskningen på bruk av grafen for å beskrive egenskapene til ulike enkle karbonstoffer (grafitt, karbonnanorør og grafen) har vart i nesten 60 år, men det antas generelt at slike todimensjonale materialer er vanskelige å eksistere stabilt alene, bare festet til den tredimensjonale substratoverflaten eller inne i stoffer som grafitt. Det var ikke før i 2004 at Andre Geim og studenten hans Konstantin Novoselov fjernet et enkelt lag med grafen fra grafitt gjennom eksperimenter at forskningen på grafen oppnådde ny utvikling.
Både fulleren (venstre) og karbonnanorør (midten) kan betraktes som rullet opp av et enkelt lag med grafen på en eller annen måte, mens grafitt (høyre) er stablet av flere lag med grafen gjennom tilkoblingen av van der Waals-kraften.
I dag kan grafen utvinnes på mange måter, og ulike metoder har sine egne fordeler og ulemper. Geim og Novoselov utvunnet grafen på en enkel måte. Ved hjelp av gjennomsiktig tape som er tilgjengelig i supermarkeder, fjernet de grafen, et grafittark med bare ett lag med karbonatomer tykt, fra et stykke høyordens pyrolytisk grafitt. Dette er praktisk, men kontrollerbarheten er ikke så god, og grafen med en størrelse på mindre enn 100 mikron (en tidels millimeter) kan bare utvinnes, noe som kan brukes til eksperimenter, men det er vanskelig å bruke i praktiske anvendelser. Kjemisk dampavsetning kan dyrke grafenprøver med en størrelse på titalls centimeter på metalloverflaten. Selv om området med konsistent orientering bare er 100 mikron [3,4], har det vært egnet for produksjonsbehovene til noen applikasjoner. En annen vanlig metode er å varme opp silisiumkarbid (SIC)-krystallen til mer enn 1100 ℃ i vakuum, slik at silisiumatomene nær overflaten fordamper, og de gjenværende karbonatomene omorganiseres, noe som også kan gi grafenprøver med gode egenskaper.
Grafen er et nytt materiale med unike egenskaper: dens elektriske ledningsevne er like utmerket som kobber, og dens termiske ledningsevne er bedre enn noe kjent materiale. Det er svært gjennomsiktig. Bare en liten del (2,3 %) av det vertikalt innfallende synlige lyset vil bli absorbert av grafen, og mesteparten av lyset vil passere gjennom. Det er så tett at selv heliumatomer (de minste gassmolekylene) ikke kan passere gjennom. Disse magiske egenskapene er ikke direkte arvet fra grafitt, men fra kvantemekanikk. Dens unike elektriske og optiske egenskaper bestemmer at det har brede anvendelsesmuligheter.
Selv om grafen bare har dukket opp i mindre enn ti år, har den vist mange tekniske anvendelser, noe som er svært sjeldent innen fysikk og materialvitenskap. Det tar mer enn ti år eller til og med tiår for generelle materialer å gå fra laboratoriet til det virkelige liv. Hva er vitsen med grafen? La oss se på to eksempler.
Myk gjennomsiktig elektrode
I mange elektriske apparater må transparente, ledende materialer brukes som elektroder. Elektroniske klokker, kalkulatorer, TV-er, flytende krystallskjermer, berøringsskjermer, solcellepaneler og mange andre enheter kan ikke unngå transparente elektroder. Den tradisjonelle transparente elektroden bruker indiumtinnoksid (ITO). På grunn av den høye prisen og begrensede tilgangen på indium er materialet sprøtt og mangler fleksibilitet, og elektroden må avsettes i det midterste laget av vakuum, og kostnaden er relativt høy. I lang tid har forskere forsøkt å finne en erstatning. I tillegg til kravene til transparens, god ledningsevne og enkel fremstilling, vil materialet, hvis det er fleksibelt, være egnet for å lage "elektronisk papir" eller andre sammenleggbare skjermenheter. Derfor er fleksibilitet også et svært viktig aspekt. Grafen er et slikt materiale som er svært egnet for transparente elektroder.
Forskere fra Samsung og Chengjunguan University i Sør-Korea oppnådde grafen med en diagonal lengde på 76 cm ved kjemisk dampavsetning og overførte den til en 188 mikron tykk polyetylentereftalat (PET)-film for å produsere en grafenbasert berøringsskjerm [4]. Som vist i figuren nedenfor bindes grafenet som er dyrket på kobberfolien først med termisk strippeteip (blå gjennomsiktig del), deretter løses kobberfolien opp ved hjelp av en kjemisk metode, og til slutt overføres grafenet til PET-filmen ved oppvarming.
Nytt fotoelektrisk induksjonsutstyr
Grafen har svært unike optiske egenskaper. Selv om det bare er ett lag med atomer, kan det absorbere 2,3 % av det utsendte lyset i hele bølgelengdeområdet fra synlig lys til infrarødt. Dette tallet har ingenting å gjøre med andre materialparametere i grafen og bestemmes av kvanteelektrodynamikk [6]. Det absorberte lyset vil føre til generering av bærere (elektroner og hull). Genereringen og transporten av bærere i grafen er svært forskjellig fra tradisjonelle halvledere. Dette gjør grafen svært egnet for ultraraskt fotoelektrisk induksjonsutstyr. Det er anslått at slikt fotoelektrisk induksjonsutstyr kan fungere ved en frekvens på 500 GHz. Hvis det brukes til signaloverføring, kan det overføre 500 milliarder nuller eller enere per sekund, og fullføre overføringen av innholdet på to Blu-ray-plater på ett sekund.
Eksperter fra IBM Thomas J. Watson Research Centre i USA har brukt grafen til å produsere fotoelektriske induksjonsenheter som kan operere ved 10 GHz-frekvens [8]. Først ble grafenflak fremstilt på et silisiumsubstrat dekket med 300 nm tykk silika ved hjelp av «tape tearing method», og deretter ble palladiumgull- eller titangullelektroder med et intervall på 1 mikron og en bredde på 250 nm laget på dem. På denne måten oppnås en grafenbasert fotoelektrisk induksjonsenhet.
Skjematisk diagram av grafenfotoelektrisk induksjonsutstyr og bilder av faktiske prøver tatt med skanningselektronmikroskop (SEM). Den svarte korte linjen i figuren tilsvarer 5 mikron, og avstanden mellom metalllinjene er én mikron.
Gjennom eksperimenter fant forskerne ut at denne fotoelektriske induksjonsenheten med metallgrafenstruktur kan nå en arbeidsfrekvens på maksimalt 16 GHz, og kan operere med høy hastighet i bølgelengdeområdet fra 300 nm (nær ultrafiolett) til 6 mikron (infrarød), mens det tradisjonelle fotoelektriske induksjonsrøret ikke kan reagere på infrarødt lys med lengre bølgelengde. Arbeidsfrekvensen til grafenfotoelektrisk induksjonsutstyr har fortsatt stort forbedringspotensial. Den overlegne ytelsen gjør at den har et bredt spekter av bruksområder, inkludert kommunikasjon, fjernkontroll og miljøovervåking.
Som et nytt materiale med unike egenskaper dukker forskningen på anvendelsen av grafen opp etter hvert. Det er vanskelig for oss å liste dem opp her. I fremtiden kan det være felteffektrør laget av grafen, molekylære brytere laget av grafen og molekylære detektorer laget av grafen i hverdagen ... Grafen som gradvis kommer ut av laboratoriet vil skinne i hverdagen.
Vi kan forvente at et stort antall elektroniske produkter som bruker grafen vil dukke opp i nær fremtid. Tenk på hvor interessant det ville vært om smarttelefonene og netbookene våre kunne rulles sammen, klemmes fast over ørene, puttes i lommene eller vikles rundt håndleddene når de ikke er i bruk!
Publisert: 09.03.2022