2010 елда Гейм һәм Новоселов графен буенча эшләре өчен физика буенча Нобель премиясенә лаек булдылар. Бу премия күп кешеләрдә тирән эз калдырды. Ни дисәң дә, һәр Нобель премиясе эксперименталь коралы скотч кебек гадәти түгел, һәм һәр тикшеренү объекты "ике үлчәмле кристалл" графены кебек тылсымлы һәм аңлаешлы түгел. 2004 елгы эш 2010 елда бирелергә мөмкин, бу соңгы елларда Нобель премиясе рекордларында сирәк очрый.
Графен - ике үлчәмле умарта формасындагы алты почмаклы рәшәткәгә тыгыз урнашкан углерод атомнарының бер катламыннан торган матдә төре. Алмаз, графит, фуллерен, углерод нанотөрбәләре һәм аморф углерод кебек үк, ул углерод элементларыннан торган матдә (гади матдә). Түбәндәге рәсемдә күрсәтелгәнчә, фуллереннар һәм углерод нанотөрбәләрен графенның күп катламнары белән капланган бер катламыннан ниндидер рәвештә төрелгән итеп карарга мөмкин. Төрле углеродлы гади матдәләрнең (графит, углерод нанотөрбәләре һәм графен) үзенчәлекләрен тасвирлау өчен графен куллану буенча теоретик тикшеренүләр якынча 60 ел дәвам итте, ләкин гадәттә мондый ике үлчәмле материалларның ялгыз гына тотрыклы яшәве кыен, алар бары тик өч үлчәмле субстрат өслегенә яки графит кебек матдәләр эчендә генә тора дип санала. 2004 елга кадәр Андре Гейм һәм аның укучысы Константин Новоселов графеннан бер катлам графенны экспериментлар аша аерып алганнар гына.
Фуллерен (сулда) һәм углерод нанотрубкасы (уртада) бер катлам графен белән ничектер төрелгән дип карарга мөмкин, ә графит (уңда) ван-дер-Ваальс көче ярдәмендә берничә катлам графен белән өелгән.
Хәзерге вакытта графенны күп төрле ысуллар белән алырга мөмкин, һәм төрле ысулларның үз өстенлекләре һәм кимчелекләре бар. Гейм һәм Новоселов графенны гади ысул белән алдылар. Супермаркетларда сатыла торган үтә күренмәле тасма ярдәмендә алар югары дәрәҗәдәге пиролитик графит кисәгеннән углерод атомнарының бер катламы гына булган графит катламы булган графенны аердылар. Бу уңайлы, ләкин идарә итү җиңел түгел, һәм 100 микроннан (миллиметрның уннан бер өлеше) кимрәк зурлыктагы графенны гына алырга мөмкин, аны экспериментлар өчен кулланырга мөмкин, ләкин практик куллану өчен куллану авыр. Химик пар белән каплау металл өслегендә дистәләгән сантиметр зурлыктагы графен үрнәкләрен үстерергә мөмкин. Даими юнәлешле мәйдан нибары 100 микрон булса да [3,4], ул кайбер кушымталарның җитештерү ихтыяҗлары өчен яраклы булды. Тагын бер киң таралган ысул - кремний карбиды (SIC) кристаллын вакуумда 1100 ℃ тан артык җылыту, шуңа күрә өслеккә якын кремний атомнары парга әйләнә, ә калган углерод атомнары яңадан урнаштырыла, бу шулай ук яхшы үзлекләргә ия графен үрнәкләрен алырга мөмкинлек бирә.
Графен - уникаль үзлекләргә ия яңа материал: аның электр үткәрүчәнлеге бакыр кебек үк югары, ә җылылык үткәрүчәнлеге теләсә нинди билгеле материалга караганда яхшырак. Ул бик үтә күренмәле. Графен вертикаль төшкән күренә торган яктылыкның кечкенә генә өлешен (2,3%) йота, һәм яктылыкның күпчелек өлеше үтеп керә. Ул шулкадәр тыгыз ки, хәтта гелий атомнары (иң кечкенә газ молекулалары) да үтеп керә алмый. Бу тылсымлы үзлекләр турыдан-туры графиттан түгел, ә квант механикасыннан мирас итеп алынган. Аның уникаль электр һәм оптик үзлекләре аның киң куллану перспективаларына ия булуын билгели.
Графен ун елдан да кимрәк вакыт элек кенә барлыкка килсә дә, ул күп техник кулланылышлар күрсәтте, бу физика һәм материаллар фәне өлкәләрендә бик сирәк очрый. Гомуми материалларның лабораториядән реаль тормышка күчүе өчен ун елдан артык, хәтта дистә еллар кирәк. Графенның нинди файдасы бар? Әйдәгез, ике мисал карап чыгыйк.
Йомшак үтә күренмәле электрод
Күп кенә электр җиһазларында үтә күренмәле үткәргеч материалларны электродлар буларак кулланырга кирәк. Электрон сәгатьләр, калькуляторлар, телевизорлар, сыек кристалл дисплейлар, сенсорлы экраннар, кояш панельләре һәм башка күп җайланмалар үтә күренмәле электродлардан котыла алмый. Традицион үтә күренмәле электрод индий калай оксидын (ITO) куллана. Индийның югары бәясе һәм чикләнгән күләме аркасында материал ватык һәм сыгылучан түгел, ә электродны урта вакуум катламына урнаштырырга кирәк, һәм аның бәясе чагыштырмача югары. Озак вакыт галимнәр аның алыштыручысын табарга тырышалар. Үтә күренмәлелек, яхшы үткәрүчәнлек һәм җиңел әзерләү таләпләреннән тыш, материалның үзенең сыгылучанлыгы яхшы булса, ул "электрон кәгазь" яки башка бөкләнә торган дисплей җайланмалары ясау өчен яраклы булачак. Шуңа күрә сыгылучанлык та бик мөһим аспект. Графен - үтә күренмәле электродлар өчен бик яраклы материал.
Samsung һәм Көньяк Кореядәге Ченджунгуань университеты тикшеренүчеләре химик пар белән каплау юлы белән 30 дюйм диагональ озынлыктагы графен алдылар һәм аны 188 микрон калынлыктагы полиэтилентерефталат (ПЭТ) пленкасына күчереп, графен нигезендәге сенсорлы экран ясадылар [4]. Түбәндәге рәсемдә күрсәтелгәнчә, бакыр фольгада үстерелгән графен башта термик чистарту тасмасы (зәңгәр үтә күренмәле өлеш) белән беркетелә, аннары бакыр фольга химик ысул белән эретелә, һәм ниһаять, графен җылыту юлы белән ПЭТ пленкасына күчерелә.
Яңа фотоэлектрик индукция җиһазлары
Графенның бик уникаль оптик үзлекләре бар. Атомнар катламы бер генә булса да, ул күренә торган яктылыктан инфракызылга кадәр бөтен дулкын озынлыгы диапазонында чыгарылган яктылыкның 2,3% ын йота ала. Бу сан графенның башка материал параметрлары белән бернинди бәйләнеше юк һәм квант электродинамикасы белән билгеләнә [6]. Йотылган яктылык ташучыларның (электроннар һәм тишекләр) барлыкка килүенә китерәчәк. Графенда ташучыларның барлыкка килүе һәм ташылуы традицион ярымүткәргечләрдәгедән бик нык аерылып тора. Бу графенны ультра тиз фотоэлектрик индукция җиһазлары өчен бик яраклы итә. Мондый фотоэлектрик индукция җиһазлары 500 ГГц ешлыгында эшли ала дип исәпләнә. Әгәр ул сигнал тапшыру өчен кулланылса, ул секундына 500 миллиард нуль яки бер тапшыра ала, һәм бер секунд эчендә ике Blu-ray диск эчтәлеген тапшыруны тәмамлый ала.
АКШтагы IBM Томас Дж. Уотсон тикшеренү үзәге белгечләре графен кулланып, 10 ГГц ешлыкта эшли алырлык фотоэлектрик индукция җайланмаларын җитештерделәр [8]. Башта графен кабырчыклары 300 нм калынлыктагы кремний белән капланган кремний субстратында "тасма ерту ысулы" белән әзерләнде, аннары аның өстендә 1 микрон интерваллы һәм 250 нм киңлектәге палладий алтын яки титан алтын электродлары ясалды. Шулай итеп, графен нигезендә фотоэлектрик индукция җайланмасы алына.
Графен фотоэлектрик индукция җиһазларының һәм сканерлаучы электрон микроскоп (SEM) фотоларының схемасы. Рәсемдәге кара кыска сызык 5 микронга туры килә, ә металл сызыклар арасындагы ара бер микрон.
Экспериментлар аша тикшеренүчеләр бу металл графен металл конструкцияле фотоэлектрик индукция җайланмасының 16 ГГц эш ешлыгына җитә алуын һәм 300 нм (якын ультрафиолет) дан 6 микронга кадәр (инфракызыл) дулкын озынлыгы диапазонында югары тизлектә эшли алуын ачыкладылар, ә традицион фотоэлектрик индукция трубкасы озынрак дулкын озынлыгы булган инфракызыл яктылыкка җавап бирә алмый. Графен фотоэлектрик индукция җиһазларының эш ешлыгын яхшырту өчен зур мөмкинлекләр бар. Аның югары сыйфатлы эшләве аны элемтә, дистанцион идарә итү һәм әйләнә-тирә мохитне күзәтү кебек киң куллану мөмкинлекләренә ия итә.
Уникаль үзлекләргә ия булган яңа материал буларак, графенны куллану буенча тикшеренүләр бер-бер артлы барлыкка килә. Аларны монда санап чыгу кыен. Киләчәктә көндәлек тормышта графеннан ясалган кыр эффекты лампалары, графеннан ясалган молекуляр ачкычлар һәм графеннан ясалган молекуляр детекторлар барлыкка килергә мөмкин... Лабораториядән әкренләп чыга торган графен көндәлек тормышта балкып торачак.
Якын киләчәктә графен кулланып эшләнгән күп санлы электрон продуктлар барлыкка киләчәк дип көтәбез. Смартфоннарыбызны һәм нетбукларыбызны төреп, колакларыбызга кыстырып, кесәләргә тыгып яки кулланылмаганда беләкләребезгә уратып булса, ничек кызыклы булыр иде дип уйлагыз!
Бастырып чыгару вакыты: 2022 елның 9 марты