2010-njy ýylda Geim we Nowoselow grafen boýunça işleri üçin fizika boýunça Nobel baýragyna mynasyp boldular. Bu baýrak köp adamlarda çuňňur täsir galdyrdy. Galyberse-de, Nobel baýragynyň her bir synag guraly skotç ýaly giňden ýaýran däl we her bir ylmy obýekt "iki ölçegli kristal" grafen ýaly jadyly we düşnükli däl. 2004-nji ýyldaky iş 2010-njy ýylda berlip bilner, bu bolsa soňky ýyllarda Nobel baýragynyň rekordlarynda seýrek duş gelýän zat.
Grafen, iki ölçegli petek şekilli altyburçluk torda ýakyn ýerleşdirilen uglerod atomlarynyň bir gatlagyndan ybarat bolan maddanyň bir görnüşidir. Almaz, grafit, fulleren, uglerod nanotubalary we amorf uglerod ýaly, ol uglerod elementlerinden düzülen maddadyr (ýönekeý madda). Aşakdaky suratda görkezilişi ýaly, fullerenler we uglerod nanotubalary grafeniň köp gatlaklary bilen örtülen bir grafen gatlagyndan haýsydyr bir görnüşde dürlenmiş görnüşde görülip bilner. Dürli uglerodly ýönekeý maddalaryň (grafit, uglerod nanotubalary we grafen) häsiýetlerini beýan etmek üçin grafeni ulanmak boýunça nazary barlaglar tas 60 ýyl dowam etdi, ýöne umuman şeýle iki ölçegli materiallaryň ýekelikde durnukly ýaşamagynyň kyn, diňe üç ölçegli substrat ýüzüne ýa-da grafit ýaly maddalaryň içine birikdirilendigine ynanýarlar. Andre Geim we onuň şägirdi Konstantin Nowoselow 2004-nji ýyla çenli grafeniň bir gatlagyny grafitden tejribeler arkaly aýyryp, grafen boýunça barlaglar täze ösüşe ýetmedi.
Fulleren (çepde) we uglerod nanotubasynyň (ortada) bir gatlak grafen tarapyndan haýsydyr bir görnüşde dürlenýändigine, grafitiň (sagda) bolsa wan der Waals güýjüniň birleşmesi arkaly grafeniň birnäçe gatlagy tarapyndan üst-üste goýulýandygyna düşünmek bolar.
Häzirki wagtda grafeni köp usullar bilen alyp bolýar we dürli usullaryň öz artykmaçlyklary we kemçilikleri bar. Geim we Nowoselow grafeni ýönekeý usulda aldylar. Supermarketlerde elýeterli bolan açyk lentany ulanyp, olar ýokary derejeli pirolitik grafitden diňe bir gatlak galyňlygyndaky uglerod atomlary bolan grafit listini aýyrdylar. Bu amatly, ýöne dolandyryş gowy däl we 100 mikrondan (millimetriň ondan bir bölegi) az ölçegli grafeni diňe tejribe üçin ulanyp bolýar, ýöne amaly ulanylyşlar üçin ulanmak kyn. Himiki bug çökündisi metal ýüzünde onlarça santimetr ölçegli grafen nusgalaryny ösdürip biler. Yzygiderli ugurly meýdan diňe 100 mikron bolsa-da [3,4], käbir ulanylyşlaryň önümçilik zerurlyklary üçin amatly boldy. Başga bir umumy usul, kremniý karbidini (SIC) wakuumda 1100 ℃-den ýokary gyzdyrmakdyr, şonuň üçin ýüzüň golaýyndaky kremniý atomlary buglanýar we galan uglerod atomlary gaýtadan düzülýär, bu bolsa gowy häsiýetlere eýe bolan grafen nusgalaryny hem alyp biler.
Grafen özboluşly häsiýetlere eýe bolan täze materialdyr: onuň elektrik geçirijiligi mis ýaly ajaýyp we ýylylyk geçirijiligi islendik belli materialdan has gowy. Ol örän açyk. Dik düşýän görünýän ýagtylygyň diňe kiçi bir bölegi (2,3%) grafen tarapyndan siňdiriler we ýagtylygyň köp bölegi geçýär. Ol şeýle dykyz welin, hatda geliý atomlary (iň kiçi gaz molekulalary) hem geçip bilmeýär. Bu jadyly häsiýetler gönüden-göni grafitden däl-de, kwantum mehanikasyndan miras galan. Onuň özboluşly elektrik we optiki häsiýetleri onuň giň ulanylyş mümkinçilikleriniň bardygyny kesgitleýär.
Grafen bary-ýogy on ýyldan az wagt bäri peýda bolsa-da, ol köp sanly tehniki ulanylyşyny görkezdi, bu bolsa fizika we materialşynaslyk pudaklarynda örän seýrek duş gelýär. Umumy materiallaryň laboratoriýadan hakyky durmuşa geçmegi üçin on ýyldan gowrak, hatda onlarça ýyl gerek bolýar. Grafen näme üçin ulanylýar? Geliň, iki mysala seredeliň.
Ýumşak açyk elektrod
Köp elektrik enjamlarynda elektrod hökmünde açyk geçiriji materiallary ulanmak gerek bolýar. Elektron sagatlar, kalkulýatorlar, telewizorlar, suwuk kristal displeýler, sensor ekranlar, gün panelleri we başga-da köp enjamlar açyk elektrodlaryň ýoklugyndan çykyp bilmeýärler. Adaty açyk elektrod indiý galaýy oksidini (ITO) ulanýar. Indiýiň ýokary bahasy we çäkli üpjünçiligi sebäpli material döwülýär we çeýeligi ýok, elektrody bolsa wakuumyň orta gatlagynda ýerleşdirmek gerek bolýar we bahasy deňeşdirme boýunça ýokary. Alymlar uzak wagtlap onuň ornuny tutýan materialy tapmaga synanyşýarlar. Açyklyk, gowy geçirijilik we taýýarlamak aňsatlygy talaplaryndan başga-da, eger materialyň özüniň çeýeligi gowy bolsa, ol "elektron kagyz" ýa-da beýleki gatlakly displeý enjamlaryny ýasamak üçin amatly bolar. Şonuň üçin çeýelik hem örän möhüm tarapdyr. Grafen şeýle materialdyr, ol açyk elektrodlar üçin örän amatlydyr.
Günorta Koreýanyň “Samsung” we Çenjunguan uniwersitetiniň alymlary himiki bug çökündisi arkaly 30 dýuým diagonal uzynlygy bolan grafeni aldylar we ony 188 mikron galyňlygyndaky polietilen tereftalat (PET) plýonkasyna geçirip, grafen esasly sensor ekranyny öndürdiler [4]. Aşakdaky suratda görkezilişi ýaly, mis folgasynda ösdürilip ýetişdirilen grafen ilki termal süýräp aýyrýan lenta (gök reňkli açyk bölek) bilen birikdirilýär, soňra mis folga himiki usul bilen eredilýär we ahyrsoňy grafen gyzdyryp PET plýonkasyna geçirilýär.
Täze fotoelektrik induksiýa enjamlary
Grafen örän özboluşly optiki häsiýetlere eýedir. Atomlaryň diňe bir gatlagy bolsa-da, görünýän ýagtylykdan infragyzyl şöhlelere çenli ähli tolkun uzynlygy aralygynda çykýan ýagtylygyň 2,3% -ni özüne siňdirip bilýär. Bu sanyň grafeniň beýleki material parametrleri bilen hiç hili baglanyşygy ýok we kwantum elektrodinamikasy tarapyndan kesgitlenýär [6]. Özüne siňdirilen ýagtylyk daşaýjylaryň (elektronlaryň we deşikleriň) döremegine getirer. Grafende daşaýjylaryň döremegi we daşalmagy däp bolan ýarymgeçirijilerdäki daşaýjylardan düýpgöter tapawutlanýar. Bu bolsa grafeni örän çalt fotoelektrik induksiýa enjamlary üçin örän amatly edýär. Şeýle fotoelektrik induksiýa enjamlarynyň 500 ggs ýygylygynda işläp biljekdigi çaklanylýar. Eger ol signal geçirmek üçin ulanylsa, sekuntda 500 milliard nol ýa-da birleri geçirip bilýär we iki Blu-ray diskiniň mazmunyny bir sekuntda geçirip bilýär.
ABŞ-daky IBM Tomas J. Watson ylmy-barlag merkeziniň hünärmenleri 10 GHz ýygylykda işläp bilýän fotoelektrik induksiýa enjamlaryny öndürmek üçin grafen ulandylar [8]. Ilki bilen, 300 nm galyňlykdaky kremniý bilen örtülen kremniý substratynda "lent ýyrtmak usuly" arkaly grafen bölekleri taýýarlanyldy, soňra onuň üstünde 1 mikron aralykly we 250 nm ini bolan palladiý altyn ýa-da titan altyn elektrodlary ýasaldy. Şeýlelik bilen, grafen esasynda fotoelektrik induksiýa enjamy alynýar.
Grafen fotoelektrik induksiýa enjamlarynyň we skanerleýji elektron mikroskopynyň (SEM) hakyky nusgalaryň suratlarynyň shematiki diagrammasy. Suratdaky gara gysga çyzyk 5 mikrona, metal çyzyklaryň arasyndaky aralyk bolsa bir mikrona deňdir.
Tejribeler arkaly ylmy işgärler bu metal grafen metal gurluşly fotoelektrik induksiýa enjamynyň iň köp 16 gigagers iş ýygylygyna ýetip bilýändigini we 300 nm (ultrafiolet ýakyn) we 6 mikron (infragyzyl) aralygyndaky tolkun uzynlygy aralygynda ýokary tizlikde işläp bilýändigini, däp bolan fotoelektrik induksiýa turbasynyň bolsa has uzyn tolkun uzynlygy bolan infragyzyl ýagtylyga jogap berip bilmeýändigini anykladylar. Grafen fotoelektrik induksiýa enjamlarynyň iş ýygylygyny kämilleşdirmek üçin uly mümkinçilikleriň bardygyny anykladylar. Onuň ýokary öndürijiligi onuň aragatnaşyk, uzakdan dolandyryş we daşky gurşawyň gözegçiligi ýaly giň ulanyş mümkinçiliklerini üpjün edýär.
Özboluşly häsiýetlere eýe bolan täze material hökmünde grafeniň ulanylyşyny öwrenmek boýunça ylmy işler yzly-yzyna ýüze çykýar. Olary bu ýerde sanap geçmek bize kyn. Geljekde gündelik durmuşda grafenden ýasalan meýdan täsirli turbalar, grafenden ýasalan molekulýar açarlar we grafenden ýasalan molekulýar detektorlar bolup biler... Laboratoriýadan ýuwaş-ýuwaşdan çykýan grafen gündelik durmuşda parlar.
Grafen ulanýan köp sanly elektron önümleriň ýakyn geljekde peýda bolmagyna garaşyp bileris. Smartfonlarymyzy we netbuklarymyzy dürtüp, gulagymyza gysyp, jübümize salyp ýa-da ulanylmaýan wagtymyzda bileklerimize dolap bilsek, nähili gyzykly boljakdygyny göz öňüne getiriň!
Ýerleşdirilen wagty: 2022-nji ýylyň 9-njy marty