וואָס איז די נוצן פון גראַפֿין? צוויי אַפּליקאַציע קאַסעס לאָזן איר פֿאַרשטיין די אַפּליקאַציע פּראַספּעקט פון גראַפֿין

אין 2010, האבן גיים און נאוואסעלאוו געוואונען דעם נאבעל פרייז אין פיזיק פאר זייער ארבעט אויף גראפען. די פרייז האט איבערגעלאזט א טיפן איינדרוק אויף אסאך מענטשן. נאך אלעם, נישט יעדע נאבעל פרייז עקספערימענטאלע געצייג איז אזוי געווענליך ווי קלעפּיקע טייפ, און נישט יעדער פארשונג אביעקט איז אזוי מאגיש און גרינג צו פארשטיין ווי "צוויי-דימענסיאנאלער קריסטאל" גראפען. די ארבעט אין 2004 קען ווערן באלוינט אין 2010, וואס איז זעלטן אין די רעקארד פון נאבעל פרייז אין די לעצטע יארן.

גראַפֿין איז אַ סאָרט סובסטאַנץ וואָס באַשטייט פֿון אַן איינציקער שיכט פֿון קוילן־אַטאָמען נאָענט צוזאַמענגעאָרדנט אין אַ צוויי־דימענסיאָנעלן האָניק־בונט העקסאַגאָנאַלן גיטער. ווי דיאַמאַנט, גראַפֿיט, פֿולערען, קוילן־נאָנאָרערן און אַמאָרפֿישער קוילן, איז עס אַ סובסטאַנץ (פּשוטע סובסטאַנץ) צוזאַמענגעשטעלט פֿון קוילן־עלעמענטן. ווי געוויזן אין דער פֿיגור אונטן, קען מען זען פֿולערענען און קוילן־נאָנאָרערן ווי זיי זענען צוזאַמענגעוואָרצלט אויף אַ געוויסן אופֿן פֿון אַן איינציקער שיכט גראַפֿין, וואָס איז צוזאַמענגעשטאַפּלט מיט פֿילע שיכטן גראַפֿין. די טעאָרעטישע פֿאָרשונג וועגן דעם באַנוץ פֿון גראַפֿין צו באַשרײַבן די אייגנשאַפֿטן פֿון פֿאַרשידענע פּשוטע קוילן־סובסטאַנצן (גראַפֿיט, קוילן־נאָנאָרערן און גראַפֿין) האָט געדויערט כּמעט 60 יאָר, אָבער מע גלויבט בכלל, אַז אַזעלכע צוויי־דימענסיאָנעלע מאַטעריאַלן זענען שווער צו סטאַביל עקזיסטירן אַליין, נאָר פֿאַרבונדן צו דער דריי־דימענסיאָנעלער סאַבסטראַט־איבערפֿלאַך אָדער אינעווייניק פֿון סובסטאַנצן ווי גראַפֿיט. ערשט אין 2004 האָבן אַנדרע געים און זײַן סטודענט קאָנסטאַנטין נאָוואָסעלאָוו אַרויסגענומען אַן איינציקע שיכט גראַפֿין פֿון גראַפֿיט דורך עקספּערימענטן, אַז די פֿאָרשונג וועגן גראַפֿין האָט דערגרייכט אַ נײַע אַנטוויקלונג.

ביידע פולערען (לינקס) און קארבאן נאנאטוב (מיטן) קענען באטראכט ווערן ווי צוזאמענגעראלט דורך איין שיכט פון גראַפֿען אויף א געוויסן אופן, בשעת גראַפֿיט (רעכטס) איז געשטאַפּלט דורך קייפל שיכטן פון גראַפֿען דורך דער פֿאַרבינדונג פון וואן דער וואַלס קראַפט.

היינטצוטאג קען מען באקומען גראַפען אויף פארשידענע וועגן, און פארשידענע מעטאָדן האבן זייערע אייגענע מעלות און חסרונות. גיים און נאוואָסעלאָוו האבן באקומען גראַפען אויף א פשוטן וועג. ניצנדיק דורכזעענדיקע טייפּ וואָס איז פאַראַן אין סופּערמאַרקס, האבן זיי אַרויסגענומען גראַפען, א גראַפעט בויגן מיט בלויז איין שיכט פון קאַרבאָן אַטאָמען דיק, פון א שטיק הויך-אָרדענונג פּיראָליטישער גראַפעט. דאָס איז באַקוועם, אָבער די קאָנטראָלירבאַרקייט איז נישט אַזוי גוט, און מען קען באַקומען גראַפען מיט א גרייס פון ווייניקער ווי 100 מיקראָן (איין צענטל פון א מילימעטער) נאָר וואָס מען קען נוצן פאר עקספּערימענטן, אָבער עס איז שווער צו נוצן פאר פּראַקטישע אַפּליקאַציעס. כעמישע פארע דעפּאָזיציע קען וואַקסן גראַפען מוסטערן מיט דער גרייס פון צענדליקער סענטימעטער אויף דער מעטאַל ייבערפלאַך. כאָטש די שטח מיט קאָנסיסטענט אָריענטאַציע איז בלויז 100 מיקראָן [3,4], איז עס געווען פּאַסיק פאר די פּראָדוקציע באדערפענישן פון עטלעכע אַפּליקאַציעס. אן אנדער געוויינטלעכער מעטאָד איז צו הייצן דעם סיליקאָן קאַרבייד (SIC) קריסטאַל צו מער ווי 1100 ℃ אין וואַקוום, אַזוי אַז די סיליקאָן אַטאָמען לעבן דער ייבערפלאַך פארדאַמפּפן, און די איבעריקע קאַרבאָן אַטאָמען ווערן איבערגעשטעלט, וואָס קען אויך באַקומען גראַפען מוסטערן מיט גוטע אייגנשאַפטן.

גראַפֿין איז אַ נײַ מאַטעריאַל מיט אײַנציקאַרטיקע אייגנשאַפֿטן: זײַן עלעקטרישע קאַנדאַקטיוויטעט איז אַזוי גוט ווי קופּער, און זײַן טערמישע קאַנדאַקטיוויטעט איז בעסער ווי יעדן באַקאַנטן מאַטעריאַל. עס איז זייער טראַנספּאַרענט. נאָר אַ קליינער טייל (2.3%) פֿון דעם ווערטיקאַלן אײַנפֿאַלנדיקן זיכטבאַרן ליכט וועט ווערן אַבזאָרבירט דורך גראַפֿין, און רובֿ פֿון דעם ליכט וועט דורכגיין. עס איז אַזוי געדיכט אַז אפילו העליום אַטאָמען (די קלענסטע גאַז מאַלעקולן) קענען נישט דורכגיין. די מאַגישע אייגנשאַפֿטן זענען נישט גלייך געירשנט פֿון גראַפֿיט, נאָר פֿון קוואַנטום מעכאַניק. זײַנע אײַנציקאַרטיקע עלעקטרישע און אָפּטישע אייגנשאַפֿטן באַשטימען אַז עס האט ברייטע אַפּליקאַציע פּראָספּעקטן.

כאָטש גראַפֿען איז ערשט דערשינען פֿאַר ווייניקער ווי צען יאָר, האָט עס געוויזן אַ סך טעכנישע אַפּליקאַציעס, וואָס איז זייער זעלטן אין די פֿעלדער פֿון פֿיזיק און מאַטעריאַל וויסנשאַפֿט. עס נעמט מער ווי צען יאָר אָדער אפילו יאָרצענדליקער פֿאַר אַלגעמיינע מאַטעריאַלן צו גיין פֿון לאַבאָראַטאָריע צו פאַקטיש לעבן. וואָס איז די נוצן פֿון גראַפֿען? לאָמיר קוקן אויף צוויי ביישפּילן.

ווייכע טראַנספּאַרענטע עלעקטראָד
אין פילע עלעקטרישע אפאראטן, דארף מען ניצן דורכזעענדיקע קאנדוקטיוו מאטעריאלן אלס עלעקטראדן. עלעקטראנישע זייגערס, קאלקולאטארן, טעלעוויזיעס, פליסיגע קריסטאל דיספלעיס, טאטש סקרינס, זונ פאנעלן און פילע אנדערע דעווייסעס קענען נישט פארלאזן די עקזיסטענץ פון דורכזעענדיקע עלעקטראדן. דער טראדיציאנעלער דורכזעענדיקער עלעקטראד ניצט אינדיום צין אקסייד (ITO). צוליב דעם הויכן פרייז און באגרענעצטן צושטעל פון אינדיום, איז דער מאטעריאל שוואך און פעלט בייגיקייט, און דער עלעקטראד דארף ווערן אפגעלייגט אין דער מיטלערער שיכט פון וואקיום, און דער פרייז איז רעלאטיוו הויך. פאר א לאנגע צייט האבן וויסנשאפטלער פרובירט צו געפינען אן אנדער ברירה. אין צוגאב צו די באדערפענישן פון דורכזעיקייט, גוטע קאנדוקטיוויטעט און גרינגע צוגרייטונג, אויב די בייגיקייט פון דעם מאטעריאל אליין איז גוט, וועט עס זיין פאסיג פארן מאכן "עלעקטראניש פאפיר" אדער אנדערע צוזאמענפאלטענדע דיספלעי דעווייסעס. דעריבער, איז בייגיקייט אויך א זייער וויכטיגער אספעקט. גראפען איז אזא מאטעריאל, וואס איז זייער פאסיג פאר דורכזעענדיקע עלעקטראדן.

פארשער פון Samsung און טשענגדזשונגואן אוניווערסיטעט אין דרום קארעע האבן באקומען גראפען מיט א דיאגאנאלע לענג פון 30 אינטשעס דורך כעמישע פארע דעפאזיציע און עס איבערגעפירט צו א 188 מיקראן דיקן פאליעטילען טעראפטאלאט (PET) פילם צו פראדוצירן א גראפען באזירטן טאטש סקרין [4]. ווי געוויזן אין דער בילד אונטן, ווערט דער גראפען וואס וואקסט אויף דער קופער שטער ערשט פארבונדן מיט דער טערמישער סטריפינג טייפ (בלויער טראנספארענטער טייל), דערנאך ווערט די קופער שטער אויפגעלייזט דורך א כעמישע מעטאד, און צום סוף ווערט דער גראפען איבערגעפירט צום PET פילם דורך הייצן.

נייַ פאָטאָעלעקטרישע אינדוקציע עקוויפּמענט
גראַפֿען האט זייער אייגענאַרטיקע אָפּטישע אייגנשאַפֿטן. כאָטש עס איז נאָר דאָ איין שיכט אַטאָמען, קען עס אַבזאָרבירן 2.3% פֿון דעם אויסגעלאָזטן ליכט אין דער גאַנצער כוואַליע־שפּאַן פֿון זעבאר ליכט ביז אינפֿראַרויט. די צאָל האט גאָרנישט צו טאָן מיט אַנדערע מאַטעריאַל־פּאַראַמעטערס פֿון גראַפֿען און ווערט באַשטימט דורך קוואַנטום־עלעקטראָדינאַמיק [6]. דאָס אַבזאָרבירטע ליכט וועט פֿירן צו דער דזשענעראַציע פֿון טרעגער (עלעקטראָנען און לעכער). די דזשענעראַציע און טראַנספּאָרט פֿון טרעגער אין גראַפֿען זענען זייער אַנדערש פֿון יענע אין טראַדיציאָנעלע האַלב־קאָנדוקטאָרן. דאָס מאַכט גראַפֿען זייער פּאַסיק פֿאַר אולטראַ־שנעלע פֿאָטאָ־עלעקטרישע אינדוקציע־עקוויפּמענט. מען שאַצט אַז אַזאַ פֿאָטאָ־עלעקטרישע אינדוקציע־עקוויפּמענט קען אַרבעטן אויף דער פֿרעקווענץ פֿון 500 גיגאַהערץ. אויב מען ניצט עס פֿאַר סיגנאַל־טראַנסמיסיע, קען עס טראַנסמיטירן 500 ביליאָן נולן אָדער איינסן פּער סעקונדע, און פֿאַרענדיקן די טראַנסמיסיע פֿון דעם אינהאַלט פֿון צוויי בלו־רעי־דיסקן אין איין סעקונדע.

עקספּערטן פֿון IBM Thomas J. Watson Research Centre אין די פֿאַראייניקטע שטאַטן האָבן גענוצט גראַפֿען צו פּראָדוצירן פֿאָטאָ-עלעקטרישע אינדוקציע דעווײַסעס וואָס קענען אַרבעטן בײַ 10GHz פֿרעקווענץ [8]. ערשטנס, גראַפֿען פֿלעקן זענען צוגעגרייט געוואָרן אויף אַ סיליקאָן סאַבסטראַט באדעקט מיט 300 נם דיק סיליקאַ דורך "טייפּ טיערינג מעטאָד", און דערנאָך פּאַלאַדיום גאָלד אָדער טיטאַניום גאָלד עלעקטראָדן מיט אַן אינטערוואַל פֿון 1 מיקראָן און אַ ברייט פֿון 250 נם זענען געמאַכט געוואָרן אויף אים. אויף דעם אופֿן, באַקומט מען אַ גראַפֿען-באַזירט פֿאָטאָ-עלעקטריש אינדוקציע דעווײַס.

סכעמאטישע דיאַגראַמע פון ​​גראַפֿין פֿאָטאָ-עלעקטרישע אינדוקציע עקוויפּמענט און סקאַנינג עלעקטראָן מיקראָסקאָפּ (SEM) פאָטאָס פון פאַקטישע מוסטערן. די שוואַרצע קורצע ליניע אין דער פיגור קאָרעספּאָנדירט צו 5 מיקראָנס, און די דיסטאַנץ צווישן מעטאַל ליניעס איז איין מיקראָן.

דורך עקספּערימענטן, האָבן די פֿאָרשער געפֿונען אַז דאָס מעטאַל גראַפֿין מעטאַל סטרוקטור פֿאָטאָעלעקטרישע אינדוקציע מיטל קען דערגרייכן די אַרבעט פֿרעקווענץ פֿון 16 גיגאַהערץ אין מײַסטן, און קען אַרבעטן מיט אַ הויכער גיכקײַט אין דער כוואַליע לענג פֿון 300 נאַנאָמעטער (נאָענט צו אולטראַוויאָלעט) ביז 6 מיקראָנען (אינפֿראַרויט), בשעת די טראַדיציאָנעלע פֿאָטאָעלעקטרישע אינדוקציע רער קען נישט רעאַגירן צו אינפֿראַרויט ליכט מיט אַ לענגערער כוואַליע לענג. די אַרבעט פֿרעקווענץ פֿון גראַפֿין פֿאָטאָעלעקטרישע אינדוקציע עקוויפּמענט האָט נאָך אַ גרויסן פּלאַץ פֿאַר פֿאַרבעסערונג. איר העכערע פאָרשטעלונג מאַכט עס האָבן אַ ברייטע קייט פֿון אַפּליקאַציע פּראַספּעקטן, אַרײַנגערעכנט קאָמוניקאַציע, ווײַט קאָנטראָל און סביבה מאָניטאָרינג.

אלס א נייער מאטעריאל מיט אייגנארטיגע אייגנשאפטן, קומט ארויס די פארשונג איבער די אנווענדונג פון גראפען איינס נאכן אנדערן. עס איז שווער פאר אונז זיי דא אויסצורעכענען. אין דער צוקונפט קען מען אפשר האבן פעלד-עפעקט רערן געמאכט פון גראפען, מאלעקולארע סוויטשעס געמאכט פון גראפען און מאלעקולארע דעטעקטארן געמאכט פון גראפען אין טעגליכן לעבן... גראפען וואס וועט ביסלעכווייז ארויסקומען פון לאבאראטאריע וועט שיינען אין טעגליכן לעבן.

מיר קענען ערוואַרטן אַז אַ גרויסע צאָל עלעקטראָנישע פּראָדוקטן וואָס נוצן גראַפֿען וועלן דערשייַנען אין דער נאָענטער צוקונפֿט. טראַכט ווי אינטערעסאַנט עס וואָלט געווען אויב אונדזערע סמאַרטפאָונז און נעטבוקס קענען זיין איינגעראָלט, צוגעקלעפּט צו אונדזערע אויערן, אַרײַנגעשטופּט אין אונדזערע קעשענעס, אָדער אַרומגעוויקלט אַרום אונדזערע האַנטגעלענק ווען זיי זענען נישט אין באַנוץ!