У 2010 році Гейм та Новоселов отримали Нобелівську премію з фізики за свою роботу над графеном. Ця нагорода залишила глибоке враження на багатьох людей. Зрештою, не кожен експериментальний інструмент Нобелівської премії такий же поширений, як адгезивна стрічка, і не кожен об'єкт дослідження настільки ж магічний і простий для розуміння, як «двовимірний кристал» графен. Робота в 2004 році може бути нагороджена в 2010 році, що рідко в рекорді Нобелівської премії в останні роки.
Графен-це своєрідна речовина, яка складається з одного шару атомів вуглецю, тісно розташованих у двовимірну герфтау з стропою. 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 розглядати як згорнуті якимось чином від одного шару графену, який укладається багатьма шарами графена. Теоретичні дослідження використання графену для опису властивостей різних простих речовин вуглецю (графіт, вуглецеві нанотрубки та графен) тривають майже 60 років, але, як правило, вважається, що такі двовимірні матеріали важко існувати поодинці, поодинці, самостійно, самостійно існують, поодинці, Прикріплений лише до тривимірної поверхні підкладки або внутрішніх речовин, таких як графіт. Лише в 2004 році Андре Гейм та його студент Костянтин Новоселов позбавили один шар графену з графіту за допомогою експериментів, що дослідження графену досягли нового розвитку.
І Fullerene (зліва), і вуглецева нанотрубка (середина) можна вважати певним чином одним шаром графену, тоді як графіт (праворуч) складається з декількома шарами графена через з'єднання сили van der Waals.
Сьогодні графен можна отримати багатьма способами, а різні методи мають власні переваги та недоліки. Гейм та Новоселов отримали графен простим способом. Використовуючи прозору стрічку, доступну в супермаркетах, вони позбавляли графен, графітовий аркуш із товщиною лише один шар вуглецевих атомів, з шматка піролітичного графіту високого порядку. Це зручно, але керованість не така хороша, і графен розміром менше 100 мкм (одна десята міліметра) може бути отримана лише, яку можна використовувати для експериментів, але його важко використовувати для практичного Заявки. Хімічне осадження пари може вирощувати зразки графену з розміром десятків сантиметрів на поверхні металу. Хоча площа з послідовною орієнтацією становить лише 100 мкм [3,4], вона була придатною для виробничих потреб деяких застосувань. Ще одним поширеним методом є нагрівання кристала карбіду кремнію (sic) до понад 1100 ℃ у вакуумі, так що атоми кремнію поблизу поверхні випаровуються, а решта атомів вуглецю переставляються, які також можуть отримати зразки графену з хорошими властивостями.
Графен - це новий матеріал з унікальними властивостями: його електропровідність така ж відмінна, як мідь, а його теплопровідність краща, ніж будь -який відомий матеріал. Це дуже прозоро. Лише невелика частина (2,3%) вертикального падаючого видимого світла буде поглинена графеном, і більша частина світла пройде. Він настільки щільний, що навіть атоми гелію (найменші молекули газу) не можуть пройти. Ці магічні властивості не безпосередньо успадковуються від графіту, а від квантової механіки. Його унікальні електричні та оптичні властивості визначають, що він має широкі перспективи застосування.
Хоча графен з'явився лише менше десяти років, він показав багато технічних застосувань, що дуже рідко в галузі фізики та матеріалознавства. Для переходу з лабораторії до реального життя потрібно більше десяти років, а то й десятиліть. Яке використання графену? Давайте подивимось на два приклади.
М'який прозорий електрод
У багатьох електричних приладах прозорі електропровідні матеріали потрібно використовувати як електроди. Електронні годинники, калькулятори, телевізори, рідкі кристалічні дисплеї, сенсорні екрани, сонячні батареї та багато інших пристроїв не можуть залишати існування прозорих електродів. Традиційний прозорий електрод використовує оксид олова Індію (ITO). Через високу ціну та обмежену пропозицію індію матеріал є крихким і відсутністю гнучкості, а електрод потрібно здати в середній шар вакууму, а вартість відносно висока. Довгий час вчені намагаються знайти свою заміну. Окрім вимог прозорості, хорошої провідності та легкої підготовки, якщо гнучкість самого матеріалу хороша, він буде придатним для виготовлення «електронного паперу» або інших складних пристроїв дисплея. Тому гнучкість також є дуже важливим аспектом. Графен - це такий матеріал, який дуже підходить для прозорих електродів.
Дослідники з Samsung та Chengjunguan University в Південній Кореї отримали графен з діагональною довжиною 30 дюймів шляхом хімічного осадження пари та перенесли його на плівку з поліетилен -терефталату товщиною 188 мкм для створення сенсорного екрану на основі графену [4]. Як показано на малюнку нижче, графен, вирощений на мідній фользі, спочатку пов'язана з тепловою стрічкою (синя прозора частина), потім мідна фольга розчиняється хімічним методом, і нарешті графен переноситься на пет .
Нове фотоелектричне індукційне обладнання
Graphene має дуже унікальні оптичні властивості. Хоча є лише один шар атомів, він може поглинати 2,3% випромінюваного світла в цілому діапазоні довжин хвиль від видимого світла до інфрачервоного. Це число не має нічого спільного з іншими параметрами матеріалу графена і визначається квантовою електродинамікою [6]. Поглинене світло призведе до генерації носіїв (електронів та отворів). Покоління та транспортування носіїв у графені сильно відрізняються від традиційних напівпровідників. Це робить графен дуже придатним для надшвидкого фотоелектричного індукційного обладнання. За оцінками, таке фотоелектричне індукційне обладнання може працювати з частотою 500 ГГц. Якщо він використовується для передачі сигналу, він може передавати 500 мільярдів нулів або одного в секунду, а також завершити передачу вмісту двох дисків Blu Ray за одну секунду.
Експерти дослідницького центру IBM Thomas J. Watson у Сполучених Штатах використовували графен для виготовлення фотоелектричних індукційних пристроїв, які можуть працювати на частоті 10 ГГц [8]. По -перше, графенові пластівці готували на кремнієвій підкладці, покритої кремнію товщиною 300 нм, «методом розриву стрічки», а потім на ньому були виготовлені золоті електроди з титановим золотом з 1 мкм і шириною 250 нм. Таким чином отримується пристрій фотоелектричного індукційного пристрою на основі графену.
Схематична схема обладнання для фотоелектричного індукції графена та скануюча електронна мікроскоп (SEM) Фотографії фактичних зразків. Чорна коротка лінія на малюнку відповідає 5 мкм, а відстань між металевими лініями - один мікророн.
За допомогою експериментів дослідники виявили, що цей металевий пристрій фотоелектричного індукційного приладу може досягти робочої частоти щонайбільше 16 ГГц і може працювати з великою швидкістю в діапазоні довжин хвиль від 300 нм (поблизу ультрафіолету) до 6 мкм (інфрачервоний), а в той час як Традиційна фотоелектрична індукційна трубка не може реагувати на інфрачервоне світло з довшою довжиною хвилі. Робоча частота фотоелектричного індукційного обладнання для графену все ще має чудове місце для вдосконалення. Його чудова продуктивність змушує його мати широкий спектр перспектив застосування, включаючи зв'язок, дистанційний контроль та моніторинг навколишнього середовища.
Як новий матеріал з унікальними властивостями, дослідження застосування графену з'являється один за одним. Нам важко перелічити їх тут. Надалі можуть бути польові ефектні трубки, виготовлені з графену, молекулярні вимикачі, виготовлені з графену та молекулярних детекторів, виготовлених з графену в повсякденному житті… графен, який поступово виходить з лабораторії, буде світити в повсякденному житті.
Ми можемо очікувати, що велика кількість електронних продуктів, що використовують графен, з’явиться найближчим часом. Подумайте, як цікаво було б, якби наші смартфони та нетбуки могли бути згорнуті, затиснуті на вухах, набиті в кишені або обмотуються навколо зап’ястя, коли не використовуються!
Час посади: 09-2022 рр.