Në vitin 2010, Geim dhe Novoselov fituan Çmimin Nobel në fizikë për punën e tyre mbi grafenin. Ky çmim ka lënë një përshtypje të thellë tek shumë njerëz. Në fund të fundit, jo çdo mjet eksperimental i Çmimit Nobel është aq i zakonshëm sa shiriti ngjitës, dhe jo çdo objekt kërkimor është aq magjik dhe i lehtë për t’u kuptuar sa grafeni “kristali dy-dimensional”. Puna në vitin 2004 mund të jepet në vitin 2010, gjë që është e rrallë në regjistrin e Çmimit Nobel në vitet e fundit.
Grafeni është një lloj substance që përbëhet nga një shtresë e vetme e atomeve të karbonit të rregulluara ngushtë në një rrjetë gjashtëkëndore dy-dimensionale në formë hualli bletësh. Ashtu si diamanti, grafiti, fulereni, nanotubat e karbonit dhe karboni amorf, është një substancë (substancë e thjeshtë) e përbërë nga elementë karboni. Siç tregohet në figurën më poshtë, fulerenet dhe nanotubat e karbonit mund të shihen si të mbështjellë në një farë mënyre nga një shtresë e vetme grafeni, e cila është e grumbulluar nga shumë shtresa grafeni. Hulumtimi teorik mbi përdorimin e grafenit për të përshkruar vetitë e substancave të ndryshme të thjeshta të karbonit (grafiti, nanotubat e karbonit dhe grafeni) ka zgjatur për gati 60 vjet, por përgjithësisht besohet se materiale të tilla dy-dimensionale janë të vështira për t'u ekzistuar në mënyrë të qëndrueshme vetëm, vetëm të bashkangjitura në sipërfaqen tre-dimensionale të substratit ose brenda substancave si grafiti. Vetëm në vitin 2004 Andre Geim dhe studenti i tij Konstantin Novoselov hoqën një shtresë të vetme grafeni nga grafiti përmes eksperimenteve, që hulumtimi mbi grafenin arriti zhvillim të ri.
Si fullerene (majtas) ashtu edhe nanotuba e karbonit (në mes) mund të konsiderohen si të mbështjella nga një shtresë e vetme grafeni në një farë mënyre, ndërsa grafiti (djathtas) është i grumbulluar nga shtresa të shumëfishta grafeni nëpërmjet lidhjes së forcës van der Waals.
Në ditët e sotme, grafeni mund të merret në shumë mënyra, dhe metoda të ndryshme kanë avantazhet dhe disavantazhet e tyre. Geim dhe Novoselov e morën grafenin në një mënyrë të thjeshtë. Duke përdorur shirit transparent të disponueshëm në supermarkete, ata e zhveshën grafenin, një fletë grafiti me vetëm një shtresë të trashë atomesh karboni, nga një copë grafiti pirolitik të rendit të lartë. Kjo është e përshtatshme, por kontrollueshmëria nuk është aq e mirë, dhe grafeni me një madhësi më të vogël se 100 mikronë (një e dhjeta e një milimetri) mund të merret vetëm, i cili mund të përdoret për eksperimente, por është i vështirë për t'u përdorur për aplikime praktike. Depozitimi kimik i avullit mund të rrisë mostra grafeni me madhësi dhjetëra centimetrash në sipërfaqen metalike. Edhe pse zona me orientim të qëndrueshëm është vetëm 100 mikronë [3,4], ai ka qenë i përshtatshëm për nevojat e prodhimit të disa aplikimeve. Një metodë tjetër e zakonshme është ngrohja e kristalit të karbidit të silicit (SIC) në më shumë se 1100 ℃ në vakum, në mënyrë që atomet e silicit pranë sipërfaqes të avullohen, dhe atomet e mbetura të karbonit të rirregullohen, gjë që gjithashtu mund të marrë mostra grafeni me veti të mira.
Grafeni është një material i ri me veti unike: përçueshmëria e tij elektrike është po aq e shkëlqyer sa ajo e bakrit, dhe përçueshmëria e tij termike është më e mirë se çdo material i njohur. Është shumë transparent. Vetëm një pjesë e vogël (2.3%) e dritës së dukshme vertikale incidente do të absorbohet nga grafeni, dhe pjesa më e madhe e dritës do të kalojë nëpër të. Është aq i dendur saqë edhe atomet e heliumit (molekulat më të vogla të gazit) nuk mund të kalojnë. Këto veti magjike nuk janë trashëguar drejtpërdrejt nga grafiti, por nga mekanika kuantike. Vetitë e tij unike elektrike dhe optike përcaktojnë se ka perspektiva të gjera aplikimi.
Edhe pse grafeni është shfaqur vetëm për më pak se dhjetë vjet, ai ka treguar shumë zbatime teknike, gjë që është shumë e rrallë në fushat e fizikës dhe shkencës së materialeve. Duhen më shumë se dhjetë vjet ose edhe dekada që materialet e përgjithshme të kalojnë nga laboratori në jetën reale. Cili është përdorimi i grafenit? Le të shohim dy shembuj.
Elektrodë e butë transparente
Në shumë pajisje elektrike, materialet përçuese transparente duhet të përdoren si elektroda. Orët elektronike, kalkulatorët, televizorët, ekranet me kristale të lëngshme, ekranet me prekje, panelet diellore dhe shumë pajisje të tjera nuk mund të lënë jashtë ekzistencës së elektrodave transparente. Elektroda tradicionale transparente përdor oksid indiumi-kallaji (ITO). Për shkak të çmimit të lartë dhe furnizimit të kufizuar të indiumit, materiali është i brishtë dhe i mungon fleksibiliteti, dhe elektroda duhet të depozitohet në shtresën e mesme të vakumit, dhe kostoja është relativisht e lartë. Për një kohë të gjatë, shkencëtarët janë përpjekur të gjejnë zëvendësuesin e tij. Përveç kërkesave të transparencës, përçueshmërisë së mirë dhe përgatitjes së lehtë, nëse fleksibiliteti i vetë materialit është i mirë, ai do të jetë i përshtatshëm për të bërë "letër elektronike" ose pajisje të tjera të palosshme të ekranit. Prandaj, fleksibiliteti është gjithashtu një aspekt shumë i rëndësishëm. Grafeni është një material i tillë, i cili është shumë i përshtatshëm për elektroda transparente.
Studiues nga Samsung dhe Universiteti Chengjunguan në Korenë e Jugut morën grafen me një gjatësi diagonale prej 30 inçësh me anë të depozitimit kimik të avullit dhe e transferuan atë në një film polietileni tereftalati (PET) me trashësi 188 mikronësh për të prodhuar një ekran me prekje me bazë grafeni [4]. Siç tregohet në figurën më poshtë, grafeni i rritur në fletën e bakrit së pari lidhet me shiritin termik të zhveshjes (pjesa blu transparente), pastaj fleta e bakrit tretet me metodë kimike dhe së fundmi grafeni transferohet në filmin PET me anë të ngrohjes.
Pajisje të reja me induksion fotoelektrik
Grafeni ka veti optike shumë unike. Edhe pse ekziston vetëm një shtresë atomesh, ai mund të thithë 2.3% të dritës së emetuar në të gjithë diapazonin e gjatësisë së valës nga drita e dukshme në infra të kuqe. Ky numër nuk ka të bëjë fare me parametrat e tjerë materialë të grafenit dhe përcaktohet nga elektrodinamika kuantike [6]. Drita e thithur do të çojë në gjenerimin e bartësve (elektroneve dhe vrimave). Gjenerimi dhe transporti i bartësve në grafen janë shumë të ndryshëm nga ato në gjysmëpërçuesit tradicionalë. Kjo e bën grafenin shumë të përshtatshëm për pajisjet ultra të shpejta të induksionit fotoelektrik. Është vlerësuar se pajisje të tilla të induksionit fotoelektrik mund të funksionojnë në frekuencën 500ghz. Nëse përdoret për transmetimin e sinjalit, ai mund të transmetojë 500 miliardë zero ose njësha në sekondë dhe të përfundojë transmetimin e përmbajtjes së dy disqeve Blu-ray në një sekondë.
Ekspertët nga Qendra Kërkimore IBM Thomas J. Watson në Shtetet e Bashkuara kanë përdorur grafenin për të prodhuar pajisje induksioni fotoelektrik që mund të funksionojnë në frekuencën 10 GHz [8]. Së pari, u përgatitën fije grafeni në një substrat silikoni të mbuluar me silicë me trashësi 300 nm me anë të "metodës së grisjes me shirit", dhe më pas mbi të u bënë elektroda ari paladiumi ose ari titaniumi me një interval prej 1 mikroni dhe një gjerësi prej 250 nm. Në këtë mënyrë, merret një pajisje induksioni fotoelektrik me bazë grafeni.
Diagrami skematik i pajisjeve të induksionit fotoelektrik të grafenit dhe fotove të mikroskopit elektronik skanues (SEM) të mostrave aktuale. Vija e shkurtër e zezë në figurë korrespondon me 5 mikronë, dhe distanca midis vijave metalike është një mikron.
Përmes eksperimenteve, studiuesit zbuluan se kjo pajisje induksioni fotoelektrik me strukturë metalike të grafenit mund të arrijë frekuencën e punës prej 16ghz në maksimum dhe mund të funksionojë me shpejtësi të lartë në diapazonin e gjatësisë së valës nga 300 nm (afër ultraviolet) deri në 6 mikronë (infra të kuqe), ndërsa tubi tradicional i induksionit fotoelektrik nuk mund t'i përgjigjet dritës infra të kuqe me gjatësi vale më të gjatë. Frekuenca e punës së pajisjeve të induksionit fotoelektrik të grafenit ka ende shumë hapësirë për përmirësim. Performanca e saj superiore e bën atë të ketë një gamë të gjerë perspektivash aplikimi, duke përfshirë komunikimin, kontrollin në distancë dhe monitorimin e mjedisit.
Si një material i ri me veti unike, kërkimet mbi aplikimin e grafenit po shfaqen njëri pas tjetrit. Është e vështirë për ne t'i rendisim ato këtu. Në të ardhmen, mund të ketë tuba me efekt fushe të bëra nga grafeni, çelësa molekularë të bërë nga grafeni dhe detektorë molekularë të bërë nga grafeni në jetën e përditshme… Grafeni që gradualisht del nga laboratori do të shkëlqejë në jetën e përditshme.
Mund të presim që një numër i madh produktesh elektronike që përdorin grafen do të shfaqen në të ardhmen e afërt. Mendoni sa interesante do të ishte nëse telefonat tanë inteligjentë dhe netbook-ët mund të mbështilleshin, të fiksoheshin në veshë, të futeshin në xhepa ose të mbështilleshin rreth kyçeve të duarve kur nuk janë në përdorim!
Koha e postimit: 09 Mars 2022