Vuonna 2010 Geim ja Novoselov voittivat fysiikan Nobel -palkinnon Grafeenin työstään. Palkinto on jättänyt syvän vaikutelman monille ihmisille. Loppujen lopuksi jokainen Nobel-palkinnon kokeellinen työkalu ei ole yhtä yleinen kuin liimateippi, eikä jokainen tutkimusobjekti ole yhtä maaginen ja helppo ymmärtää kuin "kaksiulotteinen kite" grafeenia. Vuonna 2004 tehty työ voidaan palkita vuonna 2010, mikä on harvinaista Nobel -palkinnon ennätyksessä viime vuosina.
Grafeeni on eräänlainen aine, joka koostuu yhdestä hiiliatomien kerroksesta, joka on tiiviisti järjestetty kaksiulotteiseen hunajakennoon kuusikulmainen hila. Kuten timantti, grafiitti, fullereeni, hiilinanoputket ja amorfinen hiili, se on aine (yksinkertainen aine), joka koostuu hiilielementeistä. Kuten alla olevassa kuvassa esitetään, fullereenit ja hiilinanoputket voidaan nähdä rullattuna jollain tavalla yhdestä grafeenikerroksesta, joka on pinottu monilla grafeenikerroksilla. Grafeenin käyttöä koskeva teoreettinen tutkimus erilaisten hiili-yksinkertaisten aineiden (grafiitti, hiilinanoputkien ja grafeenin) ominaisuuksien kuvaamiseksi on kestänyt lähes 60 vuotta, mutta yleisesti uskotaan, että tällaisia kaksiulotteisia materiaaleja on vaikea olla stabiilisti yksin, yksin, yksin kiinnitetty vain kolmiulotteiseen substraatin pintaan tai sisäisiin aineisiin, kuten grafiittiin. Vasta vuonna 2004 Andre Geim ja hänen opiskelijansa Konstantin Novoselov riisuttivat grafiitista yhden kerron grafeenista kokeiden avulla, kun grafeenia koskeva tutkimus saavutti uuden kehityksen.
Sekä fullereeniä (vasen) että hiilinanoputkia (keskimmäinen) voidaan pitää jollain tavalla yhdellä grafeenikerroksella rullattuna, kun taas grafiittia (oikea) pinottuu useilla grafeenikerroksilla van der Waals -voiman liittämisen kautta.
Nykyään grafeenia voidaan saada monin tavoin, ja eri menetelmillä on omat edut ja haitat. Geim ja Novoselov saivat grafeenin yksinkertaisella tavalla. Käyttämällä supermarketeissa saatavana olevaa läpinäkyvää nauhaa, ne strivoivat grafeenin, grafiittiarkin, jonka paksuus on vain yksi kerros hiiliatomeja korkean asteen pyrolyyttisen grafiitin kappaleesta. Tämä on kätevää, mutta hallittavuus ei ole niin hyvä, ja grafeenia, jonka koko on alle 100 mikronia (yksi kymmenesosa millimetriä), voidaan saada vain kokeisiin, mutta sitä on vaikea käyttää käytännölle sovellukset. Kemiallinen höyryn laskeutuminen voi kasvattaa grafeeninäytteitä, joiden koko on kymmenien senttimetrien koko metallin pinnalla. Vaikka jatkuvaa suuntausta on vain 100 mikronia [3,4], se on ollut sopiva joidenkin sovellusten tuotantotarpeisiin. Toinen yleinen menetelmä on lämmittää piikarbidi (sic) kide yli 1100 ℃ tyhjiössä, niin että pinnan lähellä olevat piitatomit haihtuvat ja jäljellä olevat hiiliatomit järjestetään uudelleen, mikä voi myös saada grafeeninäytteitä, joilla on hyvät ominaisuudet.
Grafeeni on uusi materiaali, jolla on ainutlaatuiset ominaisuudet: sen sähkönjohtavuus on yhtä erinomainen kuin kupari, ja sen lämmönjohtavuus on parempi kuin mikään tunnettu materiaali. Se on erittäin läpinäkyvä. Grafeeni absorboi vain pieni osa (2,3%) pystysuorasta tapahtumasta näkyvästä valosta, ja suurin osa valosta kulkee läpi. Se on niin tiheää, että jopa helium -atomit (pienimmät kaasumolekyylit) eivät voi kulkea läpi. Nämä maagiset ominaisuudet eivät ole suoraan peritty grafiitista, vaan kvanttimekaniikasta. Sen ainutlaatuiset sähkö- ja optiset ominaisuudet määrittävät, että sillä on laajat sovellusnäkymät.
Vaikka grafeeni on ilmestynyt vain alle kymmenen vuoden ajan, se on osoittanut monia teknisiä sovelluksia, mikä on hyvin harvinaista fysiikan ja materiaalitieteen aloilla. Yleiset materiaalit siirtyvät laboratoriosta tosielämään yli kymmenen vuotta tai jopa vuosikymmeniä. Mikä on grafeenin käyttö? Katsotaanpa kahta esimerkkiä.
Pehmeä läpinäkyvä elektrodi
Monissa sähkölaitteissa elektrodina on käytettävä läpinäkyviä johtavia materiaaleja. Elektroniset kellot, laskimet, televisiot, nestekidenäytöt, kosketusnäytöt, aurinkopaneelit ja monet muut laitteet eivät voi jättää läpinäkyvien elektrodien olemassaoloa. Perinteinen läpinäkyvä elektrodi käyttää indium -tinoksidia (ITO). Korkean hinnan ja indiumin rajoitetun tarjonnan vuoksi materiaali on hauras ja joustavuuden puute, ja elektrodi on talletettava tyhjiön keskikerrokseen, ja kustannukset ovat suhteellisen korkeat. Tutkijat ovat pitkään yrittäneet löytää sen korvikkeen. Läpinäkyvyyden, hyvän johtavuuden ja helpon valmistelun vaatimusten lisäksi, jos materiaalin joustavuus on hyvä, se sopii ”elektronisen paperin” tai muiden taitettavien näyttölaitteiden valmistukseen. Siksi joustavuus on myös erittäin tärkeä näkökohta. Grafeeni on sellainen materiaali, joka soveltuu hyvin läpinäkyviin elektrodeihin.
Samsungin ja Chengjunguanin yliopiston Etelä -Korean tutkijat saivat grafeenin, jonka diagonaalipituus oli 30 tuumaa kemiallisella höyryn laskeutumisella ja siirsivät sen 188 mikronin paksuiseen polyeteenitereftalaatti (PET) -kalvoon grafeenipohjaisen kosketusnäytön tuottamiseksi [4]. Kuten alla olevassa kuviossa on esitetty, kuparikalvossa kasvatettu grafeeni on ensin sidottu lämpönauhan (sininen läpinäkyvä osa) kanssa, kuparikalvo liuotetaan kemiallisella menetelmällä ja lopulta grafeeni siirretään PET -kalvoon lämmittämällä lämmittämällä .
Uudet fotoelektriset induktiolaitteet
Grafeenilla on erittäin ainutlaatuiset optiset ominaisuudet. Vaikka atomeja on vain yksi kerros, se voi absorboida 2,3% emittoituista valosta koko aallonpituusalueella näkyvästä valosta infrapuna. Tällä numerolla ei ole mitään tekemistä grafeenin muiden materiaalien parametrien kanssa, ja se määritetään kvanttielektrodynamiikan avulla [6]. Imeytynyt valo johtaa kantajien (elektronien ja reikien) muodostumiseen. Kantajien sukupolvi ja kuljetus grafeenissa ovat hyvin erilaisia kuin perinteisissä puolijohteissa. Tämä tekee grafeenista erittäin sopivan ultraopea valosähköinen induktiolaite. On arvioitu, että tällainen valosähköiset induktiolaitteet voivat toimia 500 GHz: n taajuudella. Jos sitä käytetään signaalin lähettämiseen, se voi siirtää 500 miljardia nollaa tai niitä sekunnissa ja suorittaa kahden Blu Ray -levyn sisällön siirron sekunnissa.
IBM Thomas J. Watson -tutkimuskeskuksen asiantuntijat Yhdysvalloissa ovat käyttäneet grafeenia valosähköisten induktiolaitteiden valmistukseen, jotka voivat toimia 10 GHz: n taajuudella [8]. Ensinnäkin, grafeenihiutaleet valmistettiin pii -substraatilla, joka oli peitetty 300 nm: llä paksulla piidioksidilla “nauhan repimismenetelmällä”, ja sitten palladiumkultaa tai titaanikultaelektrodit, joiden aikaväli oli 1 mikronia ja leveys 250 nm. Tällä tavoin saadaan grafeenipohjainen fotoelektrinen induktiolaite.
Kaavio grafeeniselähköisistä induktiolaitteista ja skannaavien elektronimikroskoopien (SEM) valokuvista todellisista näytteistä. Kuvan musta lyhyt viiva vastaa 5 mikronia, ja etäisyys metallilinjojen välillä on yksi mikron.
Kokeilujen avulla tutkijat havaitsivat, että tämä metalligrafeenimetallirakenne fotoelektrinen induktiolaite voi saavuttaa korkeintaan 16 GHz: n työtaajuuden ja voi toimia suurella nopeudella aallonpituuden alueella 300 nm (lähellä ultraviolettia) 6 mikroniin (infraared), kun Perinteinen valosähköinen induktioputki ei voi reagoida infrapunavaloon pidemmällä aallonpituudella. Grafeeniselähköisten induktiolaitteiden työtiheydellä on edelleen suuri parannustila. Sen ylivoimainen suorituskyky tekee siitä laajan valikoiman sovellusnäkymiä, mukaan lukien viestintä, kaukosäädin ja ympäristön seuranta.
Uutena materiaalina, jolla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, grafeenin soveltamista koskeva tutkimus on syntymässä peräkkäin. Meillä on vaikea luetella niitä täällä. Tulevaisuudessa voi olla grafeenista valmistettuja kenttävaikutusputkia, grafeenista valmistettuja molekyylikytkimiä ja grafeenista valmistettuja molekyyliilmaisimia arjen elämässä… grafeeni, joka vähitellen tulee ulos laboratoriosta, loistaa jokapäiväisessä elämässä.
Voimme odottaa, että suuri määrä grafeenia käyttäviä elektronisia tuotteita ilmestyy lähitulevaisuudessa. Ajattele, kuinka mielenkiintoista olisi, jos älypuhelimemme ja netbooksimme voitaisiin rullata, kiinnittyä korviin, täytetty taskuihimme tai kääriä ranteidemme ympärille, kun niitä ei käytetä!
Viestin aika: Mar-09-2022