În 2010, Geim și Novoselov au câștigat Premiul Nobel pentru fizică pentru munca lor asupra grafenului. Acest premiu a lăsat o impresie profundă asupra multor oameni. La urma urmei, nu fiecare instrument experimental premiat de Nobel este la fel de comun precum banda adezivă și nu fiecare obiect de cercetare este la fel de magic și ușor de înțeles precum grafenul „cristal bidimensional”. Lucrarea din 2004 a putut fi premiată și în 2010, ceea ce este rar în palmaresul Premiilor Nobel din ultimii ani.
Grafenul este un tip de substanță care constă dintr-un singur strat de atomi de carbon aranjați strâns într-o rețea hexagonală bidimensională de tip fagure. La fel ca diamantul, grafitul, fulerena, nanotuburile de carbon și carbonul amorf, este o substanță (substanță simplă) compusă din elemente de carbon. După cum se arată în figura de mai jos, fulerenele și nanotuburile de carbon pot fi văzute ca fiind înfășurate într-un fel dintr-un singur strat de grafen, care este suprapus de mai multe straturi de grafen. Cercetările teoretice privind utilizarea grafenului pentru a descrie proprietățile diferitelor substanțe simple de carbon (grafit, nanotuburi de carbon și grafen) durează de aproape 60 de ani, dar se crede, în general, că astfel de materiale bidimensionale sunt dificil de existent stabil singure, fiind atașate doar la suprafața substratului tridimensional sau în interiorul unor substanțe precum grafitul. Abia în 2004, când Andre Geim și elevul său, Konstantin Novoselov, au îndepărtat un singur strat de grafen din grafit prin experimente, cercetarea asupra grafenului a atins noi dezvoltări.
Atât fulerena (stânga), cât și nanotuburile de carbon (mijloc) pot fi considerate ca fiind rulate într-un fel de un singur strat de grafen, în timp ce grafitul (dreapta) este stivuit de mai multe straturi de grafen prin conexiunea forței van der Waals.
În zilele noastre, grafenul poate fi obținut în multe moduri, iar diferite metode au propriile avantaje și dezavantaje. Geim și Novoselov au obținut grafenul într-un mod simplu. Folosind o bandă transparentă disponibilă în supermarketuri, au îndepărtat grafenul, o foaie de grafit cu un singur strat de atomi de carbon grosime, dintr-o bucată de grafit pirolitic de ordin superior. Acest lucru este convenabil, dar controlabilitatea nu este atât de bună, iar grafenul cu o dimensiune mai mică de 100 de microni (o zecime de milimetru) poate fi obținut doar prin depunere chimică în fază de vapori, care poate fi utilizată pentru experimente, dar este dificil de utilizat pentru aplicații practice. Depunerea chimică în fază de vapori poate crește probe de grafen cu dimensiunea a zeci de centimetri pe suprafața metalului. Deși zona cu orientare consistentă este de doar 100 de microni [3,4], aceasta a fost potrivită pentru nevoile de producție ale unor aplicații. O altă metodă comună este încălzirea cristalului de carbură de siliciu (SIC) la peste 1100 ℃ în vid, astfel încât atomii de siliciu din apropierea suprafeței să se evapore, iar atomii de carbon rămași să fie rearanjați, ceea ce poate duce la obținerea unor probe de grafen cu proprietăți bune.
Grafenul este un material nou cu proprietăți unice: conductivitatea sa electrică este la fel de excelentă ca a cuprului, iar conductivitatea sa termică este mai bună decât a oricărui material cunoscut. Este foarte transparent. Doar o mică parte (2,3%) din lumina vizibilă incidentă vertical va fi absorbită de grafen, iar cea mai mare parte a luminii va trece prin el. Este atât de dens încât nici măcar atomii de heliu (cele mai mici molecule de gaz) nu pot trece prin el. Aceste proprietăți magice nu sunt moștenite direct de la grafit, ci de la mecanica cuantică. Proprietățile sale electrice și optice unice îi conferă perspective largi de aplicare.
Deși grafenul a apărut doar de mai puțin de zece ani, acesta a demonstrat numeroase aplicații tehnice, ceea ce este foarte rar în domeniile fizicii și științei materialelor. Este nevoie de mai mult de zece ani sau chiar decenii pentru ca materialele generale să treacă de la laborator la viața reală. La ce folosește grafenul? Să ne uităm la două exemple.
Electrod moale și transparent
În multe aparate electrice, materialele conductoare transparente trebuie utilizate ca electrozi. Ceasurile electronice, calculatoarele, televizoarele, afișajele cu cristale lichide, ecranele tactile, panourile solare și multe alte dispozitive nu pot renunța la existența electrozilor transparenți. Electrozii transparenți tradiționali utilizează oxid de indiu și staniu (ITO). Din cauza prețului ridicat și a ofertei limitate de indiu, materialul este fragil și lipsit de flexibilitate, iar electrodul trebuie depus în stratul intermediar de vid, iar costul este relativ ridicat. De mult timp, oamenii de știință au încercat să găsească un înlocuitor pentru acesta. Pe lângă cerințele de transparență, conductivitate bună și preparare ușoară, dacă flexibilitatea materialului în sine este bună, acesta va fi potrivit pentru fabricarea de „hârtie electronică” sau alte dispozitive de afișare pliabile. Prin urmare, flexibilitatea este, de asemenea, un aspect foarte important. Grafenul este un astfel de material, care este foarte potrivit pentru electrozii transparenți.
Cercetătorii de la Samsung și de la Universitatea Chengjunguan din Coreea de Sud au obținut grafen cu o lungime diagonală de 30 de inci prin depunere chimică de vapori și l-au transferat pe o peliculă de polietilen tereftalat (PET) cu grosimea de 188 microni pentru a produce un ecran tactil pe bază de grafen [4]. După cum se arată în figura de mai jos, grafenul crescut pe folia de cupru este mai întâi lipit cu banda de dezizolare termică (partea transparentă albastră), apoi folia de cupru este dizolvată prin metode chimice, iar în final grafenul este transferat pe pelicula PET prin încălzire.
Echipament nou de inducție fotoelectrică
Grafenul are proprietăți optice foarte unice. Deși are un singur strat de atomi, acesta poate absorbi 2,3% din lumina emisă în întregul interval de lungimi de undă, de la lumina vizibilă la infraroșu. Acest număr nu are nicio legătură cu alți parametri ai materialului grafenului și este determinat de electrodinamica cuantică [6]. Lumina absorbită va duce la generarea de purtători (electroni și goluri). Generarea și transportul purtătorilor în grafen sunt foarte diferite de cele din semiconductorii tradiționali. Acest lucru face ca grafenul să fie foarte potrivit pentru echipamentele de inducție fotoelectrică ultrarapidă. Se estimează că astfel de echipamente de inducție fotoelectrică pot funcționa la o frecvență de 500 GHz. Dacă este utilizat pentru transmiterea semnalului, poate transmite 500 de miliarde de zerouri sau unități pe secundă și poate finaliza transmiterea conținutului a două discuri Blu-ray într-o secundă.
Experții de la Centrul de Cercetare IBM Thomas J. Watson din Statele Unite au utilizat grafenul pentru a fabrica dispozitive de inducție fotoelectrică care pot funcționa la o frecvență de 10 GHz [8]. În primul rând, fulgii de grafen au fost preparați pe un substrat de siliciu acoperit cu silice cu grosimea de 300 nm prin „metoda de rupere a benzii”, iar apoi au fost realizați electrozi de paladiu-aur sau titan-aur cu un interval de 1 micron și o lățime de 250 nm. În acest fel, se obține un dispozitiv de inducție fotoelectrică pe bază de grafen.
Schema tehnică a echipamentului de inducție fotoelectrică a grafenului și a fotografiilor obținute cu microscopul electronic cu scanare (SEM) ale probelor reale. Linia neagră scurtă din figură corespunde la 5 microni, iar distanța dintre liniile metalice este de un micron.
Prin experimente, cercetătorii au descoperit că acest dispozitiv fotoelectric de inducție cu structură metalică din metal-grafen poate atinge o frecvență de lucru de maximum 16 GHz și poate funcționa la viteză mare în intervalul de lungimi de undă de la 300 nm (ultraviolet apropiat) până la 6 microni (infraroșu), în timp ce tubul fotoelectric de inducție tradițional nu poate reacționa la lumina infraroșie cu lungime de undă mai mare. Frecvența de lucru a echipamentului fotoelectric de inducție cu grafen are încă mult loc de îmbunătățire. Performanța sa superioară îi conferă o gamă largă de perspective de aplicare, inclusiv comunicare, telecomandă și monitorizare a mediului.
Fiind un material nou cu proprietăți unice, cercetările privind aplicațiile grafenului apar una după alta. Ne este dificil să le enumerăm aici. În viitor, ar putea exista tuburi cu efect de câmp din grafen, comutatoare moleculare din grafen și detectoare moleculare din grafen în viața de zi cu zi... Grafenul care iese treptat din laborator va străluci în viața de zi cu zi.
Ne putem aștepta ca un număr mare de produse electronice care utilizează grafen să apară în viitorul apropiat. Gândiți-vă cât de interesant ar fi dacă smartphone-urile și netbook-urile noastre ar putea fi rulate, prinse de urechi, îndesate în buzunare sau înfășurate în jurul încheieturilor mâinilor atunci când nu sunt folosite!
Data publicării: 09 martie 2022