Leta 2010 sta Geim in Novoselov za svoje delo na področju grafena prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Ta nagrada je na mnoge ljudi pustila globok vtis. Navsezadnje ni vsako eksperimentalno orodje, ki je prejelo Nobelovo nagrado, tako pogosto kot lepilni trak in ni vsak raziskovalni predmet tako čaroben in enostaven za razumevanje kot "dvodimenzionalni kristalni" grafen. Delo iz leta 2004 je lahko podeljeno leta 2010, kar je v zgodovini Nobelovih nagrad v zadnjih letih redkost.
Grafen je vrsta snovi, ki je sestavljena iz ene same plasti ogljikovih atomov, tesno razporejenih v dvodimenzionalno heksagonalno mrežo v obliki satja. Tako kot diamant, grafit, fuleren, ogljikove nanocevke in amorfni ogljik je tudi to snov (preprosta snov), sestavljena iz ogljikovih elementov. Kot je prikazano na spodnji sliki, lahko fulerene in ogljikove nanocevke vidimo kot nekakšno zvite iz ene same plasti grafena, ki je zložena z več plastmi grafena. Teoretične raziskave o uporabi grafena za opis lastnosti različnih preprostih ogljikovih snovi (grafit, ogljikove nanocevke in grafen) trajajo že skoraj 60 let, vendar na splošno velja prepričanje, da takšni dvodimenzionalni materiali težko stabilno obstajajo sami, temveč le pritrjeni na tridimenzionalno površino substrata ali znotraj snovi, kot je grafit. Šele leta 2004 sta Andrej Geim in njegov študent Konstantin Novoselov s poskusi odstranila eno samo plast grafena iz grafita, kar je raziskavam grafena prineslo nov razvoj.
Tako fuleren (levo) kot ogljikovo nanocevko (na sredini) lahko razumemo kot zvita z eno samo plastjo grafena, medtem ko je grafit (desno) zložen z več plastmi grafena zaradi povezave van der Waalsove sile.
Dandanes je grafen mogoče pridobiti na več načinov, različne metode pa imajo svoje prednosti in slabosti. Geim in Novoselov sta grafen pridobila na preprost način. Z uporabo prozornega traku, ki je na voljo v supermarketih, sta iz kosa pirolitičnega grafita višjega reda odstranila grafen, grafitno ploščo z le eno plastjo ogljikovih atomov. To je priročno, vendar nadzor ni tako dober in pridobiti je mogoče le grafen z velikostjo manj kot 100 mikronov (ena desetinka milimetra), ki ga je mogoče uporabiti za poskuse, vendar ga je težko uporabiti v praksi. S kemičnim nanašanjem s paro lahko na kovinski površini vzgojimo vzorce grafena velikosti več deset centimetrov. Čeprav je površina z enakomerno orientacijo le 100 mikronov [3,4], se je izkazala za primerno za proizvodne potrebe nekaterih aplikacij. Druga pogosta metoda je segrevanje kristala silicijevega karbida (SIC) na več kot 1100 ℃ v vakuumu, tako da atomi silicija blizu površine izhlapevajo, preostali atomi ogljika pa se prerazporedijo, kar lahko prav tako pridobi vzorce grafena z dobrimi lastnostmi.
Grafen je nov material z edinstvenimi lastnostmi: njegova električna prevodnost je tako odlična kot pri bakru, toplotna prevodnost pa je boljša od katerega koli znanega materiala. Je zelo prozoren. Grafen absorbira le majhen del (2,3 %) navpično vpadne vidne svetlobe, večina svetlobe pa prehaja skozenj. Je tako gost, da skozenj ne morejo preiti niti atomi helija (najmanjše molekule plina). Te čarobne lastnosti niso neposredno podedovane od grafita, temveč iz kvantne mehanike. Njegove edinstvene električne in optične lastnosti določajo široke možnosti uporabe.
Čeprav se grafen pojavlja šele pred manj kot desetletjem, je pokazal številne tehnične aplikacije, kar je na področju fizike in znanosti o materialih zelo redko. Traja več kot deset let ali celo desetletja, da splošni materiali iz laboratorija preidejo v resnično življenje. Kakšna je uporaba grafena? Oglejmo si dva primera.
Mehka prozorna elektroda
V mnogih električnih napravah je treba kot elektrode uporabljati prozorne prevodne materiale. Elektronske ure, kalkulatorji, televizorji, zasloni na dotik, sončne celice in številne druge naprave ne morejo izpustiti obstoja prozornih elektrod. Tradicionalna prozorna elektroda uporablja indijev kositrov oksid (ITO). Zaradi visoke cene in omejene zaloge indija je material krhek in premalo prožen, elektrodo pa je treba nanesti v srednji plasti vakuuma, stroški pa so relativno visoki. Znanstveniki že dolgo iščejo nadomestek zanj. Poleg zahtev po prozornosti, dobri prevodnosti in enostavni pripravi je material, če je sam po sebi dobra prožnost, primeren za izdelavo "elektronskega papirja" ali drugih zložljivih prikazovalnih naprav. Zato je prožnost prav tako zelo pomemben vidik. Grafen je tak material, ki je zelo primeren za prozorne elektrode.
Raziskovalci iz Samsunga in Univerze Chengjunguan v Južni Koreji so s kemičnim nanašanjem iz pare pridobili grafen z diagonalo 30 palcev (76 cm) in ga prenesli na 188 mikronov debelo folijo iz polietilen tereftalata (PET), da bi izdelali zaslon na dotik na osnovi grafena [4]. Kot je prikazano na spodnji sliki, se grafen, vzgojen na bakreni foliji, najprej veže s termičnim trakom za odstranjevanje (modri prozorni del), nato se bakrena folija kemično raztopi in na koncu se grafen s segrevanjem prenese na PET folijo.
Nova oprema za fotoelektrično indukcijo
Grafen ima zelo edinstvene optične lastnosti. Čeprav ima le eno plast atomov, lahko absorbira 2,3 % oddane svetlobe v celotnem območju valovnih dolžin od vidne svetlobe do infrardeče. To število nima nobene zveze z drugimi materialnimi parametri grafena in ga določa kvantna elektrodinamika [6]. Absorbirana svetloba vodi do nastajanja nosilcev (elektronov in lukenj). Nastajanje in transport nosilcev v grafenu se zelo razlikujeta od tistih v tradicionalnih polprevodnikih. Zaradi tega je grafen zelo primeren za ultra hitro fotoelektrično indukcijsko opremo. Ocenjuje se, da lahko takšna fotoelektrična indukcijska oprema deluje na frekvenci 500 GHz. Če se uporablja za prenos signala, lahko prenese 500 milijard ničel ali enic na sekundo in v eni sekundi zaključi prenos vsebine dveh Blu-ray diskov.
Strokovnjaki iz raziskovalnega centra IBM Thomas J. Watson v Združenih državah Amerike so uporabili grafen za izdelavo fotoelektričnih indukcijskih naprav, ki lahko delujejo na frekvenci 10 GHz [8]. Najprej so bili na silicijevem substratu, prevlečenem s 300 nm debelim silicijevim dioksidom, z metodo »trganja traku« pripravljeni grafenski kosmiči, nato pa so bile na njem izdelane paladijevo-zlate ali titanovo-zlate elektrode z razmikom 1 mikrona in širino 250 nm. Na ta način je bila pridobljena fotoelektrična indukcijska naprava na osnovi grafena.
Shematski diagram opreme za fotoelektrično indukcijo z grafenom in fotografije dejanskih vzorcev, posnete z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM). Črna kratka črta na sliki ustreza 5 mikronom, razdalja med kovinskimi črtami pa je en mikron.
Raziskovalci so s poskusi ugotovili, da lahko ta fotoelektrična indukcijska naprava s kovinsko grafensko strukturo doseže delovno frekvenco največ 16 GHz in deluje z visoko hitrostjo v območju valovnih dolžin od 300 nm (blizu ultravijolične svetlobe) do 6 mikronov (infrardeče), medtem ko tradicionalna fotoelektrična indukcijska cev ne more reagirati na infrardečo svetlobo z daljšo valovno dolžino. Delovna frekvenca fotoelektrične indukcijske opreme z grafensko strukturo ima še veliko prostora za izboljšave. Zaradi svoje vrhunske zmogljivosti ima širok spekter možnosti uporabe, vključno s komunikacijo, daljinskim upravljanjem in spremljanjem okolja.
Raziskave o uporabi grafena, novega materiala z edinstvenimi lastnostmi, se pojavljajo ena za drugo. Težko jih je tukaj našteti. V prihodnosti se bodo morda v vsakdanjem življenju pojavile poljske cevi iz grafena, molekularna stikala iz grafena in molekularni detektorji iz grafena ... Grafen, ki bo postopoma prihajal iz laboratorijev, bo zasijal v vsakdanjem življenju.
Pričakujemo lahko, da se bo v bližnji prihodnosti pojavilo veliko število elektronskih izdelkov, ki uporabljajo grafen. Pomislite, kako zanimivo bi bilo, če bi lahko pametne telefone in prenosnike zvili, jih pritisnili na ušesa, stlačili v žepe ali ovili okoli zapestij, ko jih ne uporabljamo!
Čas objave: 9. marec 2022