2010-yilda Geim va Novoselov grafen bo'yicha ishlari uchun fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi. Ushbu mukofot ko'p odamlarda chuqur taassurot qoldirdi. Axir, har bir Nobel mukofoti eksperimental vositasi yopishqoq lenta kabi keng tarqalgan emas va har bir tadqiqot obyekti "ikki o'lchovli kristall" grafen kabi sehrli va tushunish oson emas. 2004-yildagi ish 2010-yilda berilishi mumkin, bu so'nggi yillarda Nobel mukofoti rekordlarida kam uchraydi.
Grafen - bu ikki o'lchovli ko'plab chuqurchalar shaklidagi olti burchakli panjaraga mahkam joylashtirilgan uglerod atomlarining bitta qatlamidan iborat modda turi. Olmos, grafit, fulleren, uglerod nanotubalari va amorf uglerod singari, u uglerod elementlaridan tashkil topgan modda (oddiy modda). Quyidagi rasmda ko'rsatilganidek, fullerenlar va uglerod nanotubalarini grafenning ko'plab qatlamlari bilan qoplangan bitta grafen qatlamidan qandaydir tarzda o'ralgan holda ko'rish mumkin. Turli uglerodli oddiy moddalarning (grafit, uglerod nanotubalari va grafen) xususiyatlarini tavsiflash uchun grafendan foydalanish bo'yicha nazariy tadqiqotlar qariyb 60 yil davom etdi, ammo odatda bunday ikki o'lchovli materiallarning yolg'iz o'zi barqaror ravishda mavjud bo'lishi qiyin, faqat uch o'lchovli substrat yuzasiga yoki grafit kabi moddalar ichida biriktirilgan deb ishoniladi. Faqat 2004-yilda Andre Geim va uning shogirdi Konstantin Novoselov grafenning bitta qatlamini tajribalar orqali grafitdan ajratib olishdi.
Ham fulleren (chapda), ham uglerod nanotubasi (o'rtada) qandaydir tarzda grafenning bir qatlami tomonidan o'ralgan deb qaralishi mumkin, grafit (o'ngda) esa van der Waals kuchining ulanishi orqali grafenning bir nechta qatlamlari bilan birlashtirilgan.
Hozirgi kunda grafenni ko'p jihatdan olish mumkin va turli usullarning o'ziga xos afzalliklari va kamchiliklari mavjud. Geim va Novoselov grafenni oddiy usulda olishdi. Supermarketlarda mavjud bo'lgan shaffof lenta yordamida ular yuqori darajadagi pirolitik grafit bo'lagidan faqat bitta qatlam qalinlikdagi uglerod atomlaridan iborat grafit varag'i bo'lgan grafenni ajratib olishdi. Bu qulay, ammo boshqarish unchalik yaxshi emas va 100 mikrondan (millimetrning o'ndan biri) kichik o'lchamdagi grafenni faqat tajribalar uchun olish mumkin, ammo amaliy qo'llanmalar uchun foydalanish qiyin. Kimyoviy bug' cho'ktirish metall yuzasida o'nlab santimetr o'lchamdagi grafen namunalarini o'stirishi mumkin. Izchil yo'nalishga ega maydon atigi 100 mikron bo'lsa-da [3,4], u ba'zi qo'llanmalarning ishlab chiqarish ehtiyojlari uchun mos bo'lgan. Yana bir keng tarqalgan usul - kremniy karbidi (SIC) kristalini vakuumda 1100 ℃ dan yuqori haroratgacha qizdirish, shunda sirt yaqinidagi kremniy atomlari bug'lanadi va qolgan uglerod atomlari qayta joylashadi, bu ham yaxshi xususiyatlarga ega grafen namunalarini olish imkonini beradi.
Grafen noyob xususiyatlarga ega yangi materialdir: uning elektr o'tkazuvchanligi mis kabi a'lo va issiqlik o'tkazuvchanligi har qanday ma'lum materialdan yaxshiroq. U juda shaffof. Vertikal tushayotgan ko'rinadigan yorug'likning faqat kichik bir qismi (2,3%) grafen tomonidan yutiladi va yorug'likning katta qismi o'tadi. U shunchalik zichki, hatto geliy atomlari (eng kichik gaz molekulalari) ham o'tolmaydi. Bu sehrli xususiyatlar to'g'ridan-to'g'ri grafitdan emas, balki kvant mexanikasidan meros bo'lib o'tgan. Uning noyob elektr va optik xususiyatlari uning keng qo'llanilish istiqbollariga ega ekanligini belgilaydi.
Grafen atigi o'n yildan kamroq vaqt ichida paydo bo'lgan bo'lsa-da, u ko'plab texnik qo'llanmalarni ko'rsatdi, bu fizika va materialshunoslik sohalarida juda kam uchraydi. Umumiy materiallarning laboratoriyadan real hayotga o'tishi uchun o'n yildan ortiq yoki hatto o'nlab yillar kerak bo'ladi. Grafenning nima keragi bor? Keling, ikkita misolni ko'rib chiqaylik.
Yumshoq shaffof elektrod
Ko'pgina elektr jihozlarida shaffof o'tkazuvchan materiallar elektrod sifatida ishlatilishi kerak. Elektron soatlar, kalkulyatorlar, televizorlar, suyuq kristalli displeylar, sensorli ekranlar, quyosh panellari va boshqa ko'plab qurilmalar shaffof elektrodlarning mavjudligini istisno qila olmaydi. An'anaviy shaffof elektrod indiy qalay oksididan (ITO) foydalanadi. Indiyning yuqori narxi va cheklangan ta'minoti tufayli material mo'rt va moslashuvchan emas, elektrod esa vakuumning o'rta qatlamiga yotqizilishi kerak va narxi nisbatan yuqori. Olimlar uzoq vaqtdan beri uning o'rnini bosuvchi materialni topishga harakat qilib kelishmoqda. Shaffoflik, yaxshi o'tkazuvchanlik va oson tayyorlash talablaridan tashqari, agar materialning o'zi moslashuvchan bo'lsa, u "elektron qog'oz" yoki boshqa katlanadigan displey qurilmalarini tayyorlash uchun mos keladi. Shuning uchun moslashuvchanlik ham juda muhim jihatdir. Grafen shunday materialdirki, u shaffof elektrodlar uchun juda mos keladi.
Janubiy Koreyadagi Samsung va Chengjunguan universiteti tadqiqotchilari kimyoviy bugʻ choʻktirish orqali diagonali uzunligi 30 dyuym boʻlgan grafenni olishdi va uni 188 mikron qalinlikdagi polietilen tereftalat (PET) plyonkasiga oʻtkazib, grafen asosidagi sensorli ekranni yaratishdi [4]. Quyidagi rasmda koʻrsatilganidek, mis folga ustida oʻstirilgan grafen avval termal ajratish lentasi (koʻk shaffof qism) bilan bogʻlanadi, soʻngra mis folga kimyoviy usul bilan eritiladi va nihoyat grafen isitish orqali PET plyonkasiga oʻtkaziladi.
Yangi fotoelektrik induksiya uskunalari
Grafen juda noyob optik xususiyatlarga ega. Atomlarning faqat bitta qatlami bo'lsa-da, u ko'rinadigan yorug'likdan infraqizilgacha bo'lgan butun to'lqin uzunligi diapazonida chiqadigan yorug'likning 2,3% ni yuta oladi. Bu raqam grafenning boshqa material parametrlari bilan hech qanday aloqasi yo'q va kvant elektrodinamikasi tomonidan aniqlanadi [6]. Yutilgan yorug'lik tashuvchilarning (elektronlar va teshiklarning) paydo bo'lishiga olib keladi. Grafendagi tashuvchilarning paydo bo'lishi va tashilishi an'anaviy yarimo'tkazgichlardagidan juda farq qiladi. Bu grafenni ultra tez fotoelektrik induksiya uskunalari uchun juda mos qiladi. Bunday fotoelektrik induksiya uskunalari 500 gigagerts chastotasida ishlashi mumkinligi taxmin qilinmoqda. Agar u signal uzatish uchun ishlatilsa, u sekundiga 500 milliard nol yoki birliklarni uzatishi va ikkita Blu-ray diskining tarkibini bir soniyada uzatishni yakunlashi mumkin.
Qo'shma Shtatlardagi IBM Thomas J. Watson tadqiqot markazi mutaxassislari grafendan foydalanib, 10 gigagertsli chastotada ishlay oladigan fotoelektr induksiya qurilmalarini ishlab chiqarishdi [8]. Birinchidan, grafen parchalari 300 nm qalinlikdagi kremniy bilan qoplangan kremniy substratida "lenta yirtish usuli" bilan tayyorlandi, so'ngra uning ustida 1 mikron oralig'i va 250 nm kengligidagi palladiy oltin yoki titan oltin elektrodlari tayyorlandi. Shu tarzda grafen asosidagi fotoelektr induksiya qurilmasi olinadi.
Grafen fotoelektrik induksiya uskunasi va skanerlovchi elektron mikroskop (SEM) fotosuratlarining sxematik diagrammasi. Rasmdagi qora qisqa chiziq 5 mikronga, metall chiziqlar orasidagi masofa esa bir mikronga to'g'ri keladi.
Tadqiqotchilar tajribalar orqali ushbu metall grafen metall konstruksiyali fotoelektrik induksiya moslamasi maksimal 16 gigagertsli ish chastotasiga yetishi va 300 nm (yaqin ultrabinafsha) dan 6 mikrongacha (infraqizil) to'lqin uzunligi oralig'ida yuqori tezlikda ishlashi mumkinligini aniqladilar, an'anaviy fotoelektrik induksiya trubkasi esa uzunroq to'lqin uzunligiga ega infraqizil nurga javob bera olmaydi. Grafen fotoelektrik induksiya uskunasining ish chastotasi hali ham yaxshilanish uchun katta imkoniyatlarga ega. Uning yuqori ishlashi uni aloqa, masofadan boshqarish va atrof-muhit monitoringi kabi keng ko'lamli qo'llanilish istiqbollariga ega qiladi.
Noyob xususiyatlarga ega yangi material sifatida grafenni qo'llash bo'yicha tadqiqotlar ketma-ket paydo bo'lmoqda. Bu yerda ularni sanab o'tish qiyin. Kelajakda kundalik hayotda grafendan yasalgan dala effekti naychalari, grafendan yasalgan molekulyar kalitlar va grafendan yasalgan molekulyar detektorlar paydo bo'lishi mumkin... Laboratoriyadan asta-sekin chiqadigan grafen kundalik hayotda porlaydi.
Yaqin kelajakda grafendan foydalanadigan ko'plab elektron mahsulotlar paydo bo'lishini kutishimiz mumkin. Agar smartfonlarimiz va netbuklarimizni o'rab, quloqlarimizga qisib, cho'ntagimizga solib yoki ishlatilmaganda bilaklarimizga o'rab qo'yish mumkin bo'lsa, bu qanchalik qiziqarli bo'lishini tasavvur qiling-a!
Nashr vaqti: 2022-yil 9-mart