År 2010 vann Geim och Novoselov Nobelpriset i fysik för sitt arbete med grafen. Priset har lämnat ett djupt intryck på många människor. Trots allt är inte alla experimentella Nobelverktyg lika vanliga som tejp, och inte alla forskningsobjekt är lika magiska och lättförståeliga som "tvådimensionell kristall"-grafen. Arbetet från 2004 kan belönas 2010, vilket är ovanligt i Nobelprislistan de senaste åren.
Grafen är ett slags ämne som består av ett enda lager kolatomer tätt arrangerade i ett tvådimensionellt hexagonalt gitter av bikakeform. Liksom diamant, grafit, fulleren, kolnanorör och amorft kol är det ett ämne (enkelt ämne) som består av kolelement. Som visas i figuren nedan kan fullerener och kolnanorör ses som hoprullade på något sätt från ett enda lager grafen, som är staplat av många lager grafen. Den teoretiska forskningen om användningen av grafen för att beskriva egenskaperna hos olika enkla kolämnen (grafit, kolnanorör och grafen) har pågått i nästan 60 år, men det anses allmänt att sådana tvådimensionella material är svåra att stabilt existera ensamma, endast fästa vid den tredimensionella substratytan eller inuti ämnen som grafit. Det var inte förrän 2004 som Andre Geim och hans student Konstantin Novoselov skalade av ett enda lager grafen från grafit genom experiment som forskningen om grafen uppnådde ny utveckling.
Både fulleren (vänster) och kolnanorör (mitten) kan betraktas som att de rullas upp av ett enda lager grafen på något sätt, medan grafit (höger) är staplad av flera lager grafen genom kopplingen av van der Waals-kraften.
Numera kan grafen framställas på många sätt, och olika metoder har sina egna fördelar och nackdelar. Geim och Novoselov framställde grafen på ett enkelt sätt. Med hjälp av transparent tejp som finns i stormarknader, avlägsnade de grafen, ett grafitark med endast ett lager kolatomer tjockt, från en bit pyrolytisk grafit av högre ordning. Detta är bekvämt, men kontrollerbarheten är inte så bra, och grafen med en storlek på mindre än 100 mikron (en tiondels millimeter) kan endast framställas, vilket kan användas för experiment, men är svårt att använda för praktiska tillämpningar. Kemisk ångdeponering kan odla grafenprover med en storlek på tiotals centimeter på metallytan. Även om området med konsekvent orientering bara är 100 mikron [3,4] har det varit lämpligt för produktionsbehoven i vissa tillämpningar. En annan vanlig metod är att värma kiselkarbid (SIC)-kristallen till mer än 1100 ℃ i vakuum, så att kiselatomerna nära ytan avdunstar och de återstående kolatomerna omorganiseras, vilket också kan ge grafenprover med goda egenskaper.
Grafen är ett nytt material med unika egenskaper: dess elektriska ledningsförmåga är lika utmärkt som koppar, och dess värmeledningsförmåga är bättre än något känt material. Det är mycket transparent. Endast en liten del (2,3 %) av det vertikalt infallande synliga ljuset absorberas av grafen, och det mesta av ljuset kommer att passera igenom. Det är så tätt att inte ens heliumatomer (de minsta gasmolekylerna) kan passera igenom. Dessa magiska egenskaper ärvs inte direkt från grafit, utan från kvantmekaniken. Dess unika elektriska och optiska egenskaper avgör att det har breda tillämpningsmöjligheter.
Även om grafen bara har uppstått i mindre än tio år har det visat sig ha många tekniska tillämpningar, vilket är mycket ovanligt inom fysik och materialvetenskap. Det tar mer än tio år eller till och med årtionden för vanliga material att gå från laboratoriet till verkligheten. Vad är användningen av grafen? Låt oss titta på två exempel.
Mjuk transparent elektrod
I många elektriska apparater behöver transparenta ledande material användas som elektroder. Elektroniska klockor, miniräknare, tv-apparater, LCD-skärmar, pekskärmar, solpaneler och många andra enheter kan inte lämna transparenta elektroder. Den traditionella transparenta elektroden använder indiumtennoxid (ITO). På grund av det höga priset och den begränsade tillgången på indium är materialet sprött och saknar flexibilitet, och elektroden måste placeras i ett vakuumlager i mitten, vilket gör kostnaden relativt hög. Under lång tid har forskare försökt hitta en ersättning. Förutom kraven på transparens, god ledningsförmåga och enkel framställning, är materialets flexibilitet lämplig för tillverkning av "elektroniskt papper" eller andra vikbara bildskärmar om det är flexibilt. Därför är flexibilitet också en mycket viktig aspekt. Grafen är ett sådant material som är mycket lämpligt för transparenta elektroder.
Forskare från Samsung och Chengjunguan University i Sydkorea erhöll grafen med en diagonal längd på 76 cm genom kemisk ångdeponering och överförde den till en 188 mikron tjock polyetylentereftalat (PET)-film för att producera en grafenbaserad pekskärm [4]. Som visas i figuren nedan binds först grafenet som odlats på kopparfolien med termisk avisoleringstejp (blå transparent del), sedan löses kopparfolien upp med en kemisk metod och slutligen överförs grafenet till PET-filmen genom uppvärmning.
Ny fotoelektrisk induktionsutrustning
Grafen har mycket unika optiska egenskaper. Även om det bara finns ett lager av atomer kan det absorbera 2,3 % av det emitterade ljuset i hela våglängdsområdet från synligt ljus till infrarött. Detta antal har ingenting att göra med andra materialparametrar för grafen och bestäms av kvantelektrodynamik [6]. Det absorberade ljuset leder till generering av bärare (elektroner och hål). Genereringen och transporten av bärare i grafen skiljer sig mycket från den i traditionella halvledare. Detta gör grafen mycket lämpligt för ultrasnabb fotoelektrisk induktionsutrustning. Det uppskattas att sådan fotoelektrisk induktionsutrustning kan arbeta vid frekvensen 500 GHz. Om den används för signalöverföring kan den överföra 500 miljarder nollor eller ettor per sekund och slutföra överföringen av innehållet på två Blu-ray-skivor på en sekund.
Experter från IBM Thomas J. Watson Research Centre i USA har använt grafen för att tillverka fotoelektriska induktionsanordningar som kan arbeta vid 10 GHz-frekvens [8]. Först framställdes grafenflingor på ett kiselsubstrat täckt med 300 nm tjock kiseldioxid med hjälp av "tejpavskiljningsmetoden", och sedan tillverkades palladiumguld- eller titanguldelektroder med ett intervall på 1 mikron och en bredd på 250 nm på den. På detta sätt erhölls en grafenbaserad fotoelektrisk induktionsanordning.
Schematisk bild av fotoelektrisk induktionsutrustning för grafen och foton av faktiska prover tagna med svepelektronmikroskop (SEM). Den svarta korta linjen i figuren motsvarar 5 mikron, och avståndet mellan metalllinjerna är en mikron.
Genom experiment fann forskarna att denna fotoelektriska induktionsanordning med metallgrafenstruktur kan nå en arbetsfrekvens på högst 16 GHz och kan arbeta med hög hastighet i våglängdsområdet från 300 nm (nära ultraviolett) till 6 mikron (infrarött), medan det traditionella fotoelektriska induktionsröret inte kan reagera på infrarött ljus med längre våglängder. Arbetsfrekvensen för fotoelektrisk induktionsutrustning med grafen har fortfarande stort utrymme för förbättring. Dess överlägsna prestanda gör att den har ett brett användningsområde, inklusive kommunikation, fjärrkontroll och miljöövervakning.
Som ett nytt material med unika egenskaper framträder forskningen om tillämpningar av grafen en efter en. Det är svårt för oss att räkna upp dem här. I framtiden kan det finnas fälteffektrör gjorda av grafen, molekylära omkopplare gjorda av grafen och molekylära detektorer gjorda av grafen i vardagen ... Grafen som gradvis kommer ut ur laboratoriet kommer att lysa i vardagen.
Vi kan förvänta oss att ett stort antal elektroniska produkter med grafen kommer att dyka upp inom en snar framtid. Tänk hur intressant det vore om våra smartphones och netbooks kunde rullas ihop, klämmas fast på öronen, stoppas i fickorna eller lindas runt handlederna när de inte används!
Publiceringstid: 9 mars 2022