Дар соли 2010, Гейм ва Новоселов барои корашон дар бораи графен ҷоизаи Нобелро дар соҳаи физика ба даст оварданд. Ин ҷоиза ба бисёриҳо таассуроти амиқ гузоштааст. Зеро, на ҳар як асбоби таҷрибавии ҷоизаи Нобел ба мисли лентаи часпак маъмул аст ва на ҳар як объекти тадқиқотӣ ба мисли графени "булӯри дученака" ҷодугарӣ ва осонфаҳм аст. Кори соли 2004 метавонад соли 2010 дода шавад, ки дар сабти ҷоизаи Нобел дар солҳои охир камёб аст.
Графен як навъ моддаест, ки аз як қабати атомҳои карбон иборат аст, ки дар шабакаи шашкунҷаи асалшакли дученака ҷойгир шудаанд. Мисли алмос, графит, фуллерен, нанонайчаҳои карбон ва карбони аморфӣ, он моддаест (моддаи оддӣ), ки аз унсурҳои карбон иборат аст. Тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст, фуллеренҳо ва нанонайчаҳои карбонро метавон ҳамчун печонидашуда аз як қабати графен, ки бо қабатҳои зиёди графен печонида шудааст, дидан мумкин аст. Тадқиқоти назариявӣ оид ба истифодаи графен барои тавсифи хосиятҳои моддаҳои гуногуни оддии карбон (графит, нанонайчаҳои карбон ва графен) қариб 60 сол давом кардааст, аммо умуман боварӣ доранд, ки чунин маводҳои дученака танҳо ба таври устувор вуҷуд доштан душвор аст, танҳо ба сатҳи сеченака ё дар дохили моддаҳо ба монанди графит пайваст карда мешаванд. Танҳо дар соли 2004 Андре Гейм ва шогирди ӯ Константин Новоселов як қабати графенро аз графит тавассути таҷрибаҳо тоза карданд, ки таҳқиқоти графен ба рушди нав ноил гардид.
Ҳам фуллерен (чап) ва ҳам нанотрубаи карбон (миёна)-ро метавон ҳамчун як қабати графен ба таври муайян печонидашуда ҳисоб кард, дар ҳоле ки графит (рост) тавассути пайвасти қувваи ван дер Ваалс аз ҷониби қабатҳои сершумори графен ҷамъ карда мешавад.
Имрӯзҳо графенро бо роҳҳои гуногун ба даст овардан мумкин аст ва усулҳои гуногун афзалиятҳо ва нуқсонҳои худро доранд. Гейм ва Новоселов графенро бо роҳи содда ба даст оварданд. Бо истифода аз лентаи шаффофе, ки дар супермаркетҳо дастрас аст, онҳо графенро, варақаи графитӣ бо танҳо як қабати ғафсии атомҳои карбон, аз як пораи графити пиролитикии дараҷаи баланд ҷудо карданд. Ин қулай аст, аммо идоракунӣ он қадар хуб нест ва графенро бо андозаи камтар аз 100 микрон (як даҳяки миллиметр) танҳо ба даст овардан мумкин аст, ки онро барои таҷрибаҳо истифода бурдан мумкин аст, аммо истифодаи он барои барномаҳои амалӣ душвор аст. Бо истифода аз буғи кимиёвӣ, намунаҳои графенро бо андозаи даҳҳо сантиметр дар сатҳи металлӣ парвариш кардан мумкин аст. Гарчанде ки масоҳати дорои самти мувофиқ танҳо 100 микрон аст [3,4], он барои эҳтиёҷоти истеҳсолии баъзе барномаҳо мувофиқ буд. Усули дигари маъмул гарм кардани кристалли карбиди кремний (SIC) то зиёда аз 1100 ℃ дар вакуум аст, то ки атомҳои кремний дар наздикии сатҳ бухор шаванд ва атомҳои боқимондаи карбон аз нав ҷойгир карда шаванд, ки ин инчунин метавонад намунаҳои графенро бо хосиятҳои хуб ба даст орад.
Графен маводи навест, ки дорои хосиятҳои беназир аст: гузаронандагии барқии он ба мисли мис аъло аст ва гузаронандагии гармии он аз ҳама гуна маводи маълум беҳтар аст. Он хеле шаффоф аст. Графен танҳо як қисми ночизи (2,3%) нури намоёни амудии афтандаро фурӯ мебарад ва аксари нур аз он мегузарад. Он чунон зич аст, ки ҳатто атомҳои гелий (хурдтарин молекулаҳои газ) наметавонанд аз он гузаранд. Ин хосиятҳои ҷодугарӣ мустақиман аз графит, балки аз механикаи квантӣ мерос гирифта шудаанд. Хусусиятҳои беназири барқӣ ва оптикии он муайян мекунанд, ки он дорои дурнамои васеъи истифода мебошад.
Гарчанде ки графен танҳо камтар аз даҳ сол пайдо шудааст, он бисёр татбиқҳои техникиро нишон додааст, ки дар соҳаҳои физика ва илми маводшиносӣ хеле камёб аст. Барои интиқоли маводҳои умумӣ аз лаборатория ба ҳаёти воқеӣ беш аз даҳ сол ё ҳатто даҳсолаҳо лозим аст. Истифодаи графен чист? Биёед ба ду мисол назар андозем.
Электроди шаффофи нарм
Дар бисёр дастгоҳҳои барқӣ, маводҳои шаффофи ноқил ҳамчун электродҳо бояд истифода шаванд. Соатҳои электронӣ, ҳисобкунакҳо, телевизорҳо, дисплейҳои кристаллии моеъ, экранҳои сенсорӣ, панелҳои офтобӣ ва бисёр дастгоҳҳои дигар наметавонанд аз мавҷудияти электродҳои шаффоф даст кашанд. Электроди анъанавии шаффоф аз оксиди қалъагии индий (ITO) истифода мебарад. Аз сабаби нархи баланд ва таъминоти маҳдуди индий, мавод шикананда ва набудани чандирӣ аст ва электрод бояд дар қабати миёнаи вакуум ҷойгир карда шавад ва арзиши он нисбатан баланд аст. Муддати тӯлонӣ олимон кӯшиш мекарданд, ки ивазкунандаи онро пайдо кунанд. Илова бар талаботи шаффофият, ноқилияти хуб ва омодасозии осон, агар чандирии худи мавод хуб бошад, он барои сохтани "коғази электронӣ" ё дигар дастгоҳҳои намоишии қатшаванда мувофиқ хоҳад буд. Аз ин рӯ, чандирӣ низ як ҷанбаи хеле муҳим аст. Графен чунин маводест, ки барои электродҳои шаффоф хеле мувофиқ аст.
Муҳаққиқони Samsung ва Донишгоҳи Ченҷунгуан дар Кореяи Ҷанубӣ графенро бо дарозии диагоналии 30 дюйм тавассути таҳшинкунии буғи кимиёвӣ ба даст оварданд ва онро ба плёнкаи полиэтилентерефталат (ПЭТ) бо ғафсии 188 микрон интиқол доданд, то экрани сенсории асоси графенро ба вуҷуд оранд [4]. Тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст, графени дар фолгаи мис парваришёфта аввал бо лентаи тозакунии термикӣ (қисми шаффофи кабуд) пайваст карда мешавад, сипас фолгаи мис бо усули кимиёвӣ ҳал карда мешавад ва дар ниҳоят графен бо гармкунӣ ба плёнкаи ПЭТ интиқол дода мешавад.
Таҷҳизоти нави индуксионии фотоэлектрикӣ
Графен хосиятҳои оптикии хеле беназир дорад. Гарчанде ки танҳо як қабати атомҳо мавҷуд аст, он метавонад 2,3% нури партофташударо дар тамоми диапазони дарозии мавҷ аз нури намоён то инфрасурх фурӯ барад. Ин рақам бо дигар параметрҳои моддии графен ҳеҷ иртиботе надорад ва аз ҷониби электродинамикаи квантӣ муайян карда мешавад [6]. Нури фурӯ бурдашуда боиси тавлиди интиқолдиҳандагон (электронҳо ва сӯрохиҳо) мегардад. Тавлид ва интиқоли интиқолдиҳандагон дар графен аз интиқолдиҳандагон дар нимноқилҳои анъанавӣ хеле фарқ мекунад. Ин графенро барои таҷҳизоти индуксионии фотоэлектрикии ултратез хеле мувофиқ мегардонад. Ҳисоб карда мешавад, ки чунин таҷҳизоти индуксионии фотоэлектрикӣ метавонанд бо басомади 500 ГГц кор кунанд. Агар он барои интиқоли сигнал истифода шавад, он метавонад 500 миллиард сифр ё якро дар як сония интиқол диҳад ва интиқоли мундариҷаи ду диски Blu-ray-ро дар як сония анҷом диҳад.
Мутахассисони Маркази тадқиқотии IBM Томас Ҷ. Ватсон дар Иёлоти Муттаҳида аз графен барои истеҳсоли дастгоҳҳои индуксияи фотоэлектрикӣ, ки метавонанд дар басомади 10 ГГц кор кунанд, истифода бурданд [8]. Аввалан, пораҳои графен дар рӯи субстрати кремний, ки бо кремнийи ғафсии 300 нм пӯшонида шудааст, бо "усули кандани лента" омода карда шуданд ва сипас дар он электродҳои тиллои палладий ё тиллои титан бо фосилаи 1 микрон ва паҳнои 250 нм сохта шуданд. Бо ин роҳ, дастгоҳи индуксияи фотоэлектрикӣ дар асоси графен ба даст оварда мешавад.
Диаграммаи схемавии таҷҳизоти индуксияи фотоэлектрикии графен ва аксҳои намунаҳои воқеӣ бо микроскопи электронии сканеркунанда (SEM). Хати кӯтоҳи сиёҳ дар расм ба 5 микрон ва масофаи байни хатҳои металлӣ як микрон мувофиқат мекунад.
Таҳқиқотчиён тавассути таҷрибаҳо муайян карданд, ки ин дастгоҳи фотоэлектрикии сохтори металлии графен метавонад ба басомади кории ҳадди аксар 16 ГГц расад ва метавонад бо суръати баланд дар диапазони дарозии мавҷ аз 300 нм (наздики ултрабунафш) то 6 микрон (инфрасурх) кор кунад, дар ҳоле ки найчаи анъанавии индуксияи фотоэлектрикӣ наметавонад ба нури инфрасурх бо дарозии мавҷи дарозтар посух диҳад. Басомади кории таҷҳизоти индуксияи фотоэлектрикии графен то ҳол имконоти зиёдеро барои такмил дорад. Иҷрои аълои он онро бо доираи васеи имкониятҳои истифода, аз ҷумла алоқа, идоракунии дурдаст ва мониторинги муҳити зист, таъмин мекунад.
Ҳамчун маводи нав бо хосиятҳои беназир, таҳқиқот дар бораи истифодаи графен пай дар пай пайдо мешаванд. Барои мо номбар кардани онҳо дар ин ҷо душвор аст. Дар оянда, шояд найчаҳои эффекти саҳроӣ аз графен, калидҳои молекулавӣ аз графен ва детекторҳои молекулавӣ аз графен дар ҳаёти ҳаррӯза пайдо шаванд... Графен, ки тадриҷан аз лаборатория мебарояд, дар ҳаёти ҳаррӯза дурахшон хоҳад шуд.
Мо метавонем интизор шавем, ки дар ояндаи наздик шумораи зиёди маҳсулоти электронӣ бо истифода аз графен пайдо мешаванд. Фикр кунед, ки чӣ қадар ҷолиб мебуд, агар смартфонҳо ва нетбукҳои моро печондан, ба гӯшҳоямон часпондан, дар ҷайбҳоямон гузоштан ё ҳангоми истифода нашудан ба дастҳоямон печондан мумкин мебуд!
Вақти нашр: 09 марти соли 2022