У 2010 році Гейм і Новосьолов отримали Нобелівську премію з фізики за роботу над графеном.Ця нагорода справила глибоке враження на багатьох людей.Зрештою, не кожен експериментальний інструмент, удостоєний Нобелівської премії, такий поширений, як липка стрічка, і не кожен дослідницький об’єкт такий магічний і простий для розуміння, як «двовимірний кристал» графену.Робота 2004 року може бути присуджена в 2010 році, що є рідкістю в списку Нобелівських премій останніх років.
Графен — це різновид речовини, яка складається з одного шару атомів вуглецю, тісно розташованих у двовимірній стільниковій гексагональній решітці.Як і алмаз, графіт, фулерен, вуглецеві нанотрубки та аморфний вуглець, це речовина (проста речовина), що складається з вуглецевих елементів.Як показано на малюнку нижче, фулерени та вуглецеві нанотрубки можна побачити як згорнуті певним чином з одного шару графену, який складається з багатьох шарів графену.Теоретичні дослідження щодо використання графену для опису властивостей різних вуглецевих простих речовин (графіту, вуглецевих нанотрубок і графену) тривали майже 60 років, але загалом вважається, що такі двовимірні матеріали важко стабільно існувати поодинці, лише прикріплені до тривимірної поверхні підкладки або всередині таких речовин, як графіт.Лише в 2004 році Андре Гейм і його учень Костянтин Новосьолов шляхом експериментів зняли один шар графену з графіту, і дослідження графену отримали новий розвиток.
Як фулерен (ліворуч), так і вуглецеву нанотрубку (посередині) можна розглядати як згорнуті одним шаром графену певним чином, тоді як графіт (праворуч) складено кількома шарами графену завдяки з’єднанню сили Ван-дер-Ваальса.
Зараз графен можна отримати різними 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 із товщиною лише в один шар атомів вуглецю, зі шматка піролітичного графіту високого рівня.Це зручно, але керованість не така хороша, і графен розміром менше 100 мікрон (одна десята міліметра) можна отримати тільки для експериментів, але важко для практичного використання. програми.Хімічним осадженням з парової фази можна виростити на поверхні металу зразки графену розміром у десятки сантиметрів.Хоча площа з узгодженою орієнтацією становить лише 100 мікрон [3,4], вона була придатною для виробничих потреб деяких застосувань.Іншим поширеним методом є нагрівання кристала карбіду кремнію (SIC) до температури понад 1100 ℃ у вакуумі, щоб атоми кремнію поблизу поверхні випаровувалися, а атоми вуглецю, що залишилися, перегруповувались, що також може отримати зразки графену з хорошими властивостями.
Графен є новим матеріалом з унікальними властивостями: його електропровідність така ж чудова, як і мідь, а теплопровідність краща, ніж будь-який відомий матеріал.Це дуже прозоро.Лише невелика частина (2,3%) вертикального падаючого видимого світла буде поглинатися графеном, і більша частина світла пройде крізь нього.Він настільки щільний, що навіть атоми гелію (найменші молекули газу) не можуть пройти через нього.Ці магічні властивості успадковані не безпосередньо від графіту, а від квантової механіки.Його унікальні електричні та оптичні властивості визначають широкі перспективи його застосування.
Хоча графен з’явився лише менше ніж за десять років, він знайшов багато технічних застосувань, що дуже рідко трапляється в галузях фізики та матеріалознавства.Потрібно більше десяти років або навіть десятиліть, щоб звичайні матеріали перейшли з лабораторії в реальне життя.Яка користь від графену?Давайте розглянемо два приклади.
М'який прозорий електрод
У багатьох електроприладах в якості електродів необхідно використовувати прозорі провідні матеріали.Електронні годинники, калькулятори, телевізори, рідкокристалічні дисплеї, сенсорні екрани, сонячні панелі та багато інших пристроїв не можуть залишити існування прозорих електродів.Традиційний прозорий електрод використовує оксид індію та олова (ITO).Через високу ціну та обмежену пропозицію індію матеріал є крихким і недостатньою гнучкістю, і електрод потрібно осаджувати в середньому шарі вакууму, а вартість відносно висока.Довгий час вчені намагалися знайти йому заміну.На додаток до вимог щодо прозорості, хорошої провідності та легкої підготовки, якщо гнучкість самого матеріалу хороша, він підійде для виготовлення «електронного паперу» або інших складних пристроїв відображення.Тому гнучкість також є дуже важливим аспектом.Графен - це такий матеріал, який дуже підходить для прозорих електродів.
Дослідники з Samsung і Chengjunguan University в Південній Кореї отримали графен з діагоналлю 30 дюймів шляхом хімічного осадження з парової фази і перенесли його на плівку з поліетилентерефталату (PET) товщиною 188 мікрон для створення сенсорного екрану на основі графену [4].Як показано на малюнку нижче, графен, вирощений на мідній фользі, спочатку скріплюється термознімальною стрічкою (блакитна 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 існує 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 і визначається квантовою електродинамікою [6].Поглинене світло призведе до генерації носіїв (електронів і дірок).Генерація та транспортування носіїв у графені дуже відрізняються від утворення в традиційних напівпровідниках.Це робить графен дуже придатним для надшвидкого фотоелектричного індукційного обладнання.Підраховано, що таке фотоелектричне індукційне обладнання може працювати на частоті 500 ГГц.Якщо він використовується для передачі сигналу, він може передавати 500 мільярдів нулів або одиниць за секунду та завершити передачу вмісту двох дисків Blu-ray за одну секунду.
Фахівці з дослідницького центру IBM Thomas J. Watson у США використали графен для виготовлення фотоелектричних індукційних пристроїв, які можуть працювати на частоті 10 ГГц [8].Спочатку на кремнієвій підкладці, покритій кремнеземом товщиною 300 нм, «методом розриву стрічки» готували пластівці графену, а потім на ній виготовляли паладієві золоті або титанові золоті електроди з інтервалом 1 мікрон і шириною 250 нм.Таким чином виходить фотоелектричний індукційний пристрій на основі графену.
Принципова схема графенового фотоелектричного індукційного обладнання та фотографій реальних зразків скануючого електронного мікроскопа (SEM).Чорна коротка лінія на малюнку відповідає 5 мікронам, а відстань між металевими лініями - одному мікрону.
За допомогою експериментів дослідники виявили, що фотоелектричний індукційний пристрій із металевою графеновою металевою структурою може досягати робочої частоти не більше 16 ГГц і працювати на високій швидкості в діапазоні довжин хвиль від 300 нм (близько ультрафіолетового) до 6 мікрон (інфрачервоне). традиційна фотоелектрична індукційна трубка не може реагувати на інфрачервоне світло з більшою довжиною хвилі.Робоча частота графенового фотоелектричного індукційного обладнання все ще має багато можливостей для вдосконалення.Його чудова продуктивність робить його широким спектром перспектив застосування, 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 їх тут перелічити.У майбутньому в повсякденному житті можуть з’явитися трубки з ефектом поля, виготовлені з графену, молекулярні перемикачі з графену та молекулярні детектори з графену… Графен, який поступово виходить із лабораторії, засяє у повсякденному житті.
Можна очікувати, що найближчим часом з’явиться велика кількість електронних продуктів, які використовують графен.Подумайте про те, як було б цікаво, якби наші смартфони та нетбуки можна було згортати, затискати на вуха, запихати в кишені або обертати навколо зап’ястя, коли вони не використовуються!
Час публікації: 09 березня 2022 р