В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за свою работу по графену. Эта награда произвела глубокое впечатление на многих людей. В конце концов, не каждый экспериментальный инструмент, удостоенный Нобелевской премии, так же обычен, как клейкая лента, и не каждый объект исследования так же волшебен и прост для понимания, как «двумерный кристалл» графен. Работа, отмеченная в 2004 году, может быть удостоена Нобелевской премии в 2010 году, что является редкостью в истории Нобелевских премий последних лет.
Графен — это вещество, состоящее из одного слоя атомов углерода, плотно расположенных в двумерную сотовую гексагональную решетку. Подобно алмазу, графиту, фуллерену, углеродным нанотрубкам и аморфному углероду, это вещество (простое вещество), состоящее из элементов углерода. Как показано на рисунке ниже, фуллерены и углеродные нанотрубки можно рассматривать как свернутые в некотором роде из одного слоя графена, который, в свою очередь, уложен множеством слоев графена. Теоретические исследования по использованию графена для описания свойств различных простых углеродных веществ (графита, углеродных нанотрубок и графена) ведутся уже почти 60 лет, но обычно считается, что такие двумерные материалы трудно стабильно существовать в одиночку, они могут быть прикреплены только к трехмерной поверхности подложки или находиться внутри таких веществ, как графит. Лишь в 2004 году Андрей Гейм и его ученик Константин Новоселов экспериментально отделили один слой графена от графита, что дало новый импульс исследованиям графена.
Как фуллерен (слева), так и углеродная нанотрубка (посередине) могут рассматриваться как в некотором смысле свернутые в один слой графена, тогда как графит (справа) состоит из нескольких слоев графена, соединенных силами Ван дер Ваальса.
В настоящее время графен можно получить многими способами, и разные методы имеют свои преимущества и недостатки. Гейм и Новоселов получили графен простым способом. Используя прозрачную ленту, доступную в супермаркетах, они отделили графен — лист графита толщиной всего в один слой атомов углерода — от куска высокоупорядоченного пиролитического графита. Это удобно, но управляемость не так хороша, и можно получить только графен размером менее 100 микрон (одна десятая миллиметра), который можно использовать для экспериментов, но трудно применять в практических целях. Химическое осаждение из паровой фазы позволяет выращивать образцы графена размером в десятки сантиметров на металлической поверхности. Хотя площадь с постоянной ориентацией составляет всего 100 микрон [3,4], этот метод подходит для производственных нужд некоторых применений. Другой распространенный метод заключается в нагреве кристалла карбида кремния (SIC) до температуры более 1100 ℃ в вакууме, в результате чего атомы кремния вблизи поверхности испаряются, а оставшиеся атомы углерода перестраиваются, что также позволяет получить образцы графена с хорошими свойствами.
Графен — это новый материал с уникальными свойствами: его электропроводность сравнима с медью, а теплопроводность превосходит теплопроводность любого известного материала. Он очень прозрачен. Графен поглощает лишь небольшую часть (2,3%) вертикально падающего видимого света, а большая часть света проходит сквозь него. Он настолько плотный, что даже атомы гелия (самые маленькие молекулы газа) не могут пройти сквозь него. Эти удивительные свойства унаследованы не напрямую от графита, а от квантовой механики. Его уникальные электрические и оптические свойства определяют широкие перспективы применения.
Хотя графен появился менее десяти лет назад, он уже продемонстрировал множество технических применений, что крайне редко встречается в области физики и материаловедения. Для перехода обычных материалов из лаборатории в реальную жизнь требуется более десяти лет, а то и десятилетий. В чём же заключается применение графена? Рассмотрим два примера.
Мягкий прозрачный электрод
Во многих электроприборах в качестве электродов необходимо использовать прозрачные проводящие материалы. Электронные часы, калькуляторы, телевизоры, жидкокристаллические дисплеи, сенсорные экраны, солнечные батареи и многие другие устройства не могут обойтись без прозрачных электродов. Традиционный прозрачный электрод использует оксид индия-олова (ITO). Из-за высокой цены и ограниченного предложения индия этот материал хрупкий и негибкий, а нанесение электрода на него требует вакуумного осаждения в промежуточном слое, что делает его относительно дорогим. Долгое время ученые пытались найти ему замену. Помимо требований к прозрачности, хорошей проводимости и простоте изготовления, если сам материал обладает хорошей гибкостью, он будет пригоден для создания «электронной бумаги» или других складных дисплеев. Поэтому гибкость также является очень важным аспектом. Графен — именно такой материал, который очень хорошо подходит для прозрачных электродов.
Исследователи из Samsung и Университета Чэнчжунгуань в Южной Корее получили графен с диагональю 30 дюймов методом химического осаждения из газовой фазы и перенесли его на полиэтилентерефталатную (ПЭТ) пленку толщиной 188 микрон для создания сенсорного экрана на основе графена [4]. Как показано на рисунке ниже, графен, выращенный на медной фольге, сначала соединяется с термолентой (синяя прозрачная часть), затем медная фольга растворяется химическим методом, и, наконец, графен переносится на ПЭТ-пленку путем нагревания.
Новое фотоэлектрическое индукционное оборудование
Графен обладает уникальными оптическими свойствами. Хотя он состоит всего из одного слоя атомов, он способен поглощать 2,3% излучаемого света во всем диапазоне длин волн от видимого света до инфракрасного. Это число не имеет отношения к другим параметрам материала графена и определяется квантовой электродинамикой [6]. Поглощенный свет приводит к генерации носителей (электронов и дырок). Генерация и перенос носителей в графене сильно отличаются от таковых в традиционных полупроводниках. Это делает графен очень подходящим для сверхбыстрого фотоэлектрического индукционного оборудования. Предполагается, что такое фотоэлектрическое индукционное оборудование может работать на частоте 500 ГГц. При использовании для передачи сигнала оно может передавать 500 миллиардов нулей или единиц в секунду и завершить передачу содержимого двух дисков Blu-ray за одну секунду.
Эксперты из исследовательского центра IBM имени Томаса Дж. Уотсона в США использовали графен для изготовления фотоиндукционных устройств, работающих на частоте 10 ГГц [8]. Сначала на кремниевой подложке, покрытой слоем диоксида кремния толщиной 300 нм, были получены графеновые хлопья методом «разрыва ленты», а затем на них были изготовлены электроды из палладия и золота или титана с интервалом в 1 микрон и шириной 250 нм. Таким образом, было получено фотоиндукционное устройство на основе графена.
Схематическое изображение оборудования для фотоэлектрической индукции на основе графена и фотографии реальных образцов, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Короткая черная линия на рисунке соответствует 5 микронам, а расстояние между металлическими линиями составляет один микрон.
В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что это устройство фотоэлектрической индукции на основе металл-графеновой структуры может достигать рабочей частоты максимум 16 ГГц и работать с высокой скоростью в диапазоне длин волн от 300 нм (ближний ультрафиолет) до 6 микрон (инфракрасное излучение), в то время как традиционные фотоэлектрические индукционные трубки не реагируют на инфракрасный свет с большей длиной волны. Рабочая частота графенового фотоэлектрического индукционного оборудования все еще имеет большой потенциал для улучшения. Его превосходные характеристики открывают широкие перспективы применения, включая связь, дистанционное управление и мониторинг окружающей среды.
Графен, как новый материал с уникальными свойствами, становится объектом многочисленных исследований в области его применения. Перечислить их все здесь сложно. В будущем, возможно, в повседневной жизни появятся полевые транзисторы из графена, молекулярные переключатели из графена и молекулярные детекторы из графена… Графен, постепенно выходящий из лаборатории, засияет в повседневной жизни.
Можно ожидать, что в ближайшем будущем появится большое количество электронных устройств, использующих графен. Только представьте, как интересно было бы, если бы наши смартфоны и нетбуки можно было свернуть, прикрепить к ушам, положить в карман или обернуть вокруг запястья, когда они не используются!
Дата публикации: 09 марта 2022 г.