Vuonna 2010 Geim ja Novoselov voittivat fysiikan Nobelin grafeenityöstään.Tämä palkinto on jättänyt syvän vaikutuksen moniin ihmisiin.Loppujen lopuksi jokainen Nobel-palkinnon kokeellinen työkalu ei ole yhtä yleinen kuin teippi, eivätkä kaikki tutkimuskohteet ole yhtä maagisia ja helposti ymmärrettäviä kuin "kaksiulotteinen kristalli" -grafeeni.Vuoden 2004 teos voidaan myöntää vuonna 2010, mikä on harvinaista viime vuosien Nobel-palkinnon ennätyksissä.
Grafeeni on eräänlainen aine, joka koostuu yhdestä kerroksesta hiiliatomeja, jotka ovat tiiviisti järjestetty kaksiulotteiseksi hunajakennoksi kuusikulmaiseksi hilaksi.Kuten timantti, grafiitti, fullereeni, hiilinanoputket ja amorfinen hiili, se on aine (yksinkertainen aine), joka koostuu hiilielementeistä.Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, fullereenit ja hiilinanoputket voidaan nähdä jollain tavalla rullautuneena yhdestä grafeenikerroksesta, joka on pinottu monien grafeenikerrosten päälle.Teoreettinen tutkimus grafeenin käytöstä erilaisten hiiliyksinkertaisten aineiden (grafiitti, hiilinanoputket ja grafeeni) ominaisuuksien kuvaamiseen on kestänyt lähes 60 vuotta, mutta yleisesti uskotaan, että tällaisia kaksiulotteisia materiaaleja on vaikea stabiilisti olla olemassa yksinään. kiinnitetty vain kolmiulotteisen alustan pintaan tai aineiden, kuten grafiitin, sisään.Vasta 2004, kun Andre Geim ja hänen oppilaansa Konstantin Novoselov irrottivat yhden kerroksen grafeenia grafiitista kokeiden avulla, grafeenitutkimuksessa saavutettiin uutta kehitystä.
Sekä fullereenin (vasemmalla) että hiilinanoputken (keskellä) voidaan katsoa olevan yhdellä grafeenikerroksella jollain tavalla rullattuina, kun taas grafiitti (oikealla) on pinottu useilla grafeenikerroksilla van der Waalsin voiman avulla.
Nykyään grafeenia voidaan saada monella tapaa, ja erilaisilla menetelmillä on omat etunsa ja haittansa.Geim ja Novoselov saivat grafeenia yksinkertaisella tavalla.Supermarketeista saatavan läpinäkyvän teipin avulla he irrottivat grafeenin, grafiittilevyn, jossa oli vain yksi kerros hiiliatomeja, korkealuokkaisesta pyrolyyttisesta grafiitista.Tämä on kätevää, mutta ohjattavuus ei ole niin hyvä, ja alle 100 mikronin (yksi millimetrin kymmenesosa) kokoista grafeenia voidaan saada vain, jota voidaan käyttää kokeisiin, mutta sitä on vaikea käyttää käytännön tarkoituksiin. sovellukset.Kemiallinen höyrypinnoitus voi kasvattaa metallipinnalle kymmenien senttimetrien kokoisia grafeeninäytteitä.Vaikka tasaisen suuntauksen alue on vain 100 mikronia [3,4], se on soveltunut joidenkin sovellusten tuotantotarpeisiin.Toinen yleinen menetelmä on lämmittää piikarbidin (SIC) kide yli 1100 ℃:seen tyhjiössä, jolloin pinnan lähellä olevat piiatomit haihtuvat ja loput hiiliatomit järjestäytyvät uudelleen, jolloin voidaan saada myös hyvien ominaisuuksien omaavia grafeeninäytteitä.
Grafeeni on uusi materiaali, jolla on ainutlaatuiset ominaisuudet: sen sähkönjohtavuus on yhtä hyvä kuin kupari ja sen lämmönjohtavuus on parempi kuin minkään tunnetun materiaalin.Se on hyvin läpinäkyvää.Vain pieni osa (2,3 %) pystysuorasta tulevasta näkyvästä valosta absorboituu grafeeniin, ja suurin osa valosta kulkee läpi.Se on niin tiheä, että edes heliumatomit (pienimmät kaasumolekyylit) eivät pääse läpi.Nämä maagiset ominaisuudet eivät ole suoraan periytyneet grafiitista, vaan kvanttimekaniikasta.Sen ainutlaatuiset sähköiset ja optiset ominaisuudet määräävät, että sillä on laajat sovellusmahdollisuudet.
Vaikka grafeenia on esiintynyt vasta alle kymmenen vuoden ajan, se on osoittanut monia teknisiä sovelluksia, mikä on erittäin harvinaista fysiikan ja materiaalitieteen aloilla.Yleisten materiaalien siirtyminen laboratoriosta tosielämään kestää yli kymmenen vuotta tai jopa vuosikymmeniä.Mitä hyötyä grafeenista on?Katsotaanpa kahta esimerkkiä.
Pehmeä läpinäkyvä elektrodi
Monissa sähkölaitteissa elektrodeina on käytettävä läpinäkyviä johtavia materiaaleja.Elektroniset kellot, laskimet, televisiot, nestekidenäytöt, kosketusnäytöt, aurinkopaneelit ja monet muut laitteet eivät voi jättää läpinäkyviä elektrodeja.Perinteisessä läpinäkyvässä elektrodissa käytetään indiumtinaoksidia (ITO).Indiumin korkean hinnan ja rajallisen tarjonnan vuoksi materiaali on hauras ja joustavuuden puute, ja elektrodi on asetettava tyhjiön keskikerrokseen, ja kustannukset ovat suhteellisen korkeat.Tiedemiehet ovat jo pitkään yrittäneet löytää sen korvikkeen.Läpinäkyvyyden, hyvän johtavuuden ja helpon valmistuksen vaatimuksen lisäksi se soveltuu myös ”elektronisen paperin” tai muun taitettavan näyttölaitteen valmistukseen, jos materiaalin itse joustavuus on hyvä.Siksi joustavuus on myös erittäin tärkeä näkökohta.Grafeeni on sellainen materiaali, joka sopii erittäin hyvin läpinäkyviin elektrodeihin.
Samsungin ja Etelä-Korean Chengjunguanin yliopiston tutkijat saivat 30 tuuman diagonaalin pituisen grafeenin kemiallisella höyrypinnoituksella ja siirsivät sen 188 mikronia paksulle polyeteenitereftalaattikalvolle (PET) grafeenipohjaisen kosketusnäytön valmistamiseksi [4].Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, kuparikalvolle kasvatettu grafeeni sidotaan ensin lämpökuorinauhalla (sininen läpinäkyvä osa), sitten kuparifolio liuotetaan kemiallisella menetelmällä ja lopuksi grafeeni siirretään PET-kalvolle kuumentamalla. .
Uusi valosähköinen induktiolaitteisto
Grafeenilla on erittäin ainutlaatuiset optiset ominaisuudet.Vaikka atomeja on vain yksi kerros, se pystyy absorboimaan 2,3 % emittoidusta valosta koko aallonpituusalueella näkyvästä valosta infrapunaan.Tällä luvulla ei ole mitään tekemistä muiden grafeenin materiaaliparametrien kanssa, ja se määräytyy kvanttielektrodynamiikan avulla [6].Absorboitunut valo johtaa kantoaaltojen (elektronien ja reikien) syntymiseen.Grafeenin kantoaineiden syntyminen ja kuljetus eroavat suuresti perinteisistä puolijohteista.Tämä tekee grafeenista erittäin sopivan ultranopeisiin valosähköisiin induktiolaitteisiin.On arvioitu, että tällaiset valosähköiset induktiolaitteet voivat toimia 500 GHz:n taajuudella.Jos sitä käytetään signaalin siirtoon, se voi lähettää 500 miljardia nollaa tai ykköstä sekunnissa ja suorittaa kahden Blu-ray-levyn sisällön siirron yhdessä sekunnissa.
Asiantuntijat IBM Thomas J. Watson Research Centeristä Yhdysvalloista ovat käyttäneet grafeenia valosähköisten induktiolaitteiden valmistukseen, jotka voivat toimia 10 GHz:n taajuudella [8].Ensin valmistettiin grafeenihiutaleita piisubstraatille, joka oli päällystetty 300 nm:n paksuisella piidioksidilla "teippirepäisymenetelmällä", ja sitten palladiumkulta- tai titaanikultaelektrodit 1 mikronin välein ja 250 nm:n leveydellä.Tällä tavalla saadaan grafeenipohjainen valosähköinen induktiolaite.
Kaaviokaavio grafeenin valosähköisistä induktiolaitteistoista ja pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) valokuvista todellisista näytteistä.Kuvan musta lyhyt viiva vastaa 5 mikronia ja metalliviivojen välinen etäisyys on yksi mikroni.
Kokeiden avulla tutkijat havaitsivat, että tämä metalligrafeenimetallirakenteen valosähköinen induktiolaite voi saavuttaa enintään 16 GHz:n toimintataajuuden ja se voi toimia suurella nopeudella aallonpituusalueella 300 nm (lähes ultravioletti) 6 mikroniin (infrapuna). perinteinen valosähköinen induktioputki ei pysty reagoimaan pidemmän aallonpituuden infrapunavaloon.Grafeenin valosähköisten induktiolaitteiden toimintataajuudessa on vielä paljon parantamisen varaa.Sen ylivoimainen suorituskyky tekee siitä laajan valikoiman sovelluksia, mukaan lukien viestintä, kauko-ohjaus ja ympäristön valvonta.
Uutena materiaalina, jolla on ainutlaatuiset ominaisuudet, grafeenin käyttötutkimus on nousemassa yksi toisensa jälkeen.Meidän on vaikea luetella niitä tässä.Tulevaisuudessa jokapäiväisessä elämässä saattaa olla grafeenista valmistettuja kenttätehosteputkia, grafeenista valmistettuja molekyylikytkimiä ja grafeenista valmistettuja molekyyliilmaisimia... Laboratoriosta vähitellen poistuva grafeeni loistaa jokapäiväisessä elämässä.
Voimme odottaa, että lähitulevaisuudessa ilmestyy suuri määrä grafeenia käyttäviä elektroniikkatuotteita.Ajattele kuinka mielenkiintoista olisi, jos älypuhelimemme ja netbookimme voitaisiin kääriä ylös, kiinnittää korviin, pakata taskuihin tai kääriä ranteiden ympärille, kun niitä ei käytetä!
Postitusaika: 09.03.2022