У 2010 році Гейм і Новосьолов отримали Нобелівську премію з фізики за свою роботу з графеном. Ця нагорода справила глибоке враження на багатьох людей. Зрештою, не кожен експериментальний інструмент, лауреат Нобелівської премії, такий поширений, як клейка стрічка, і не кожен дослідницький об'єкт такий чарівний і легкий для розуміння, як «двовимірний кристал» графен. Робота 2004 року може бути присуджена і в 2010 році, що є рідкістю в історії Нобелівських лауреатів останніх років.
Графен – це вид речовини, що складається з одного шару атомів вуглецю, щільно розташованих у двовимірну стільникову гексагональну решітку. Подібно до алмазу, графіту, фулерену, вуглецевих нанотрубок та аморфного вуглецю, це речовина (проста речовина), що складається з вуглецевих елементів. Як показано на малюнку нижче, фулерени та вуглецеві нанотрубки можна побачити згорнутими певним чином з одного шару графену, який укладається у багато шарів графену. Теоретичні дослідження використання графену для опису властивостей різних простих вуглецевих речовин (графіту, вуглецевих нанотрубок та графену) тривають майже 60 років, але загалом вважається, що такі двовимірні матеріали важко стабільно існувати окремо, вони можуть бути лише прикріплені до тривимірної поверхні підкладки або всередині речовин, таких як графіт. Лише у 2004 році Андрій Гейм та його учень Костянтин Новосьолов за допомогою експериментів зняли з графіту один шар графену, що призвело до нового розвитку досліджень графену.
Як фулерен (ліворуч), так і вуглецеву нанотрубку (посередині) можна розглядати як згорнуті одним шаром графену певним чином, тоді як графіт (праворуч) укладений у кілька шарів графену завдяки взаємодії сил Ван-дер-Ваальса.
Сьогодні графен можна отримати багатьма способами, і різні методи мають свої переваги та недоліки. Гейм і Новосьолов отримали графен простим способом. Використовуючи прозору стрічку, доступну в супермаркетах, вони зняли графен, графітовий лист товщиною лише з одного шару атомів вуглецю, з шматка піролітичного графіту високого порядку. Це зручно, але контрольованість не така хороша, і можна отримати лише графен розміром менше 100 мікрон (одна десята міліметра), який можна використовувати для експериментів, але його важко використовувати для практичних застосувань. Хімічне осадження з парової фази може вирощувати зразки графену розміром десятки сантиметрів на поверхні металу. Хоча площа з послідовною орієнтацією становить лише 100 мікрон [3,4], це підходить для виробничих потреб деяких застосувань. Іншим поширеним методом є нагрівання кристала карбіду кремнію (SIC) до температури понад 1100 ℃ у вакуумі, так що атоми кремнію поблизу поверхні випаровуються, а решта атомів вуглецю перебудовуються, що також дозволяє отримати зразки графену з хорошими властивостями.
Графен – це новий матеріал з унікальними властивостями: його електропровідність така ж чудова, як у міді, а теплопровідність краща, ніж у будь-якого відомого матеріалу. Він дуже прозорий. Лише невелика частина (2,3%) вертикально падаючого видимого світла поглинається графеном, і більша його частина проходить крізь нього. Він настільки щільний, що навіть атоми гелію (найменші молекули газу) не можуть пройти крізь нього. Ці магічні властивості успадковані не безпосередньо від графіту, а від квантової механіки. Його унікальні електричні та оптичні властивості визначають його широкі перспективи застосування.
Хоча графен з'явився менше десяти років тому, він продемонстрував багато технічних застосувань, що є великою рідкістю в галузях фізики та матеріалознавства. Потрібно більше десяти років або навіть десятиліть, щоб загальні матеріали перейшли від лабораторних досліджень до реального життя. Яке використання графену? Розглянемо два приклади.
М'який прозорий електрод
У багатьох електроприладах як електроди потрібно використовувати прозорі провідні матеріали. Електронні годинники, калькулятори, телевізори, рідкокристалічні дисплеї, сенсорні екрани, сонячні панелі та багато інших пристроїв не можуть обійтися без прозорих електродів. Традиційний прозорий електрод використовує оксид індію-олова (ITO). Через високу ціну та обмежені запаси індію, матеріал є крихким та негнучким, і електрод потрібно наносити в середньому шарі вакууму, а вартість є відносно високою. Вчені вже давно намагаються знайти йому заміну. Окрім вимог до прозорості, хорошої провідності та простоти виготовлення, якщо сам матеріал має добру гнучкість, він підійде для виготовлення «електронного паперу» або інших складних дисплеїв. Тому гнучкість також є дуже важливим аспектом. Графен – це такий матеріал, який дуже підходить для прозорих електродів.
Дослідники з Samsung та Ченцзюньгуанського університету в Південній Кореї отримали графен з діагоналлю 30 дюймів методом хімічного осадження з парової фази та перенесли його на плівку поліетилентерефталату (ПЕТ) товщиною 188 мікрон для створення сенсорного екрану на основі графену [4]. Як показано на рисунку нижче, графен, вирощений на мідній фользі, спочатку склеюється термострічкою (синя прозора частина), потім мідна фольга розчиняється хімічним методом, і, нарешті, графен переноситься на плівку ПЕТ шляхом нагрівання.
Нове фотоелектричне індукційне обладнання
Графен має дуже унікальні оптичні властивості. Хоча він має лише один шар атомів, він може поглинати 2,3% випромінюваного світла у всьому діапазоні довжин хвиль від видимого світла до інфрачервоного. Це число не має нічого спільного з іншими матеріальними параметрами графену та визначається квантовою електродинамікою [6]. Поглинене світло призведе до генерації носіїв заряду (електронів та дірок). Генерація та транспортування носіїв у графені дуже відрізняються від аналогічних процесів у традиційних напівпровідниках. Це робить графен дуже придатним для надшвидкого фотоелектричного індукційного обладнання. За оцінками, таке фотоелектричне індукційне обладнання може працювати на частоті 500 ГГц. Якщо його використовувати для передачі сигналу, воно може передавати 500 мільярдів нулів або одиниць за секунду та завершувати передачу вмісту двох Blu-ray дисків за одну секунду.
Експерти з дослідницького центру IBM Thomas J. Watson у Сполучених Штатах використали графен для виготовлення фотоелектричних індукційних пристроїв, здатних працювати на частоті 10 ГГц [8]. Спочатку на кремнієвій підкладці, покритій кремнеземом товщиною 300 нм, готували пластівці графену методом «розриву стрічки», а потім на ній виготовляли електроди з паладієво-золотого або титаново-золотого кольору з інтервалом 1 мікрон та шириною 250 нм. Таким чином, отримують фотоелектричний індукційний пристрій на основі графену.
Принципова схема фотоелектричного індукційного обладнання з графену та фотографії фактичних зразків, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM). Чорна коротка лінія на рисунку відповідає 5 мікронам, а відстань між металевими лініями становить один мікрон.
За допомогою експериментів дослідники виявили, що цей фотоелектричний індукційний пристрій з металевою графеновою структурою може досягати робочої частоти максимум 16 ГГц і працювати з високою швидкістю в діапазоні довжин хвиль від 300 нм (ближній ультрафіолет) до 6 мікрон (інфрачервоний), тоді як традиційна фотоелектрична індукційна трубка не може реагувати на інфрачервоне світло з більшою довжиною хвилі. Робоча частота графенового фотоелектричного індукційного обладнання все ще має великий потенціал для вдосконалення. Його чудова продуктивність робить його широким спектром застосувань, включаючи зв'язок, дистанційне керування та моніторинг навколишнього середовища.
Як новий матеріал з унікальними властивостями, дослідження застосування графену з'являються одне за одним. Нам важко перерахувати їх тут. У майбутньому в повсякденному житті можуть з'явитися польові трубки з графену, молекулярні перемикачі з графену та молекулярні детектори з графену… Графен, який поступово виходить з лабораторій, сяятиме в повсякденному житті.
Можна очікувати, що найближчим часом з'явиться велика кількість електронних продуктів з використанням графену. Подумайте, як цікаво було б, якби наші смартфони та нетбуки можна було згортати, затискати на вухах, класти в кишені або обмотувати навколо зап'ясть, коли вони не використовуються!
Час публікації: 09 березня 2022 р.