V roce 2010 získaly Geim a Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za práci na grafenu. Toto ocenění zanechalo na mnoha lidech hluboký dojem. Koneckonců, ne každý experimentální nástroj Nobelovy ceny je stejně běžný jako lepicí páska a ne každý výzkumný objekt je tak magický a snadno pochopitelný jako „dvourozměrný krystalový“ grafen. Práce v roce 2004 může být udělena v roce 2010, což je v posledních letech v rekordu Nobelovy ceny vzácné.
Grafen je druh látky, která se skládá z jediné vrstvy atomů uhlíku úzce uspořádané do dvourozměrné plástevní hexagonální mříže. Stejně jako diamant, grafit, fullerene, uhlíkové nanotrubice a amorfní uhlík je to látka (jednoduchá látka) složená z uhlíkových prvků. Jak je znázorněno na obrázku níže, fullereny a uhlíkové nanotrubice lze vnímat jako nějakým způsobem z jedné vrstvy grafenu, která je naskládána mnoha vrstvami grafenu. Teoretický výzkum použití grafenu k popisu vlastností různých uhlíkových jednoduchých látek (grafitu, uhlíkových nanotrubic a grafenu) trval téměř 60 let, ale obecně se předpokládá, že takové dvourozměrné materiály jsou obtížné stabilně existovat samostatně. připojeno pouze k trojrozměrnému povrchu substrátu nebo vnitřní látky, jako je grafit. Teprve v roce 2004 Andre Geim a jeho student Konstantin Novoselov svlékl jednu vrstvu grafenu z grafitu prostřednictvím experimentů, že výzkum grafenu dosáhl nového vývoje.
Jak Fullerene (vlevo), tak uhlíková nanotrubice (uprostřed) lze považovat za jednu vrstvu grafenu nějakým způsobem, zatímco grafit (vpravo) je naskládán více vrstvami grafenu prostřednictvím připojení van der Waalsovy síly.
V dnešní době lze grafen získat mnoha způsoby a různé metody mají své vlastní výhody a nevýhody. Geim a Novoselov získali grafen jednoduchým způsobem. Pomocí průhledné pásky dostupné v supermarketech svlékli grafen, grafitový list s jednou vrstvou atomů uhlíku, z kusu pyrolytického grafitu vysokého řádu. To je pohodlné, ale kontrola není tak dobrá a grafen s velikostí méně než 100 mikronů (jedna desetina milimetru) lze získat pouze, což lze použít pro experimenty, ale je obtížné být použity pro praktické Aplikace. Chemická depozice páry může pěstovat vzorky grafenu s velikostí desítek centimetrů na kovovém povrchu. Ačkoli oblast s konzistentní orientací je pouze 100 mikronů [3,4], byla vhodná pro výrobní potřeby některých aplikací. Další běžnou metodou je zahřívání krystalu křemíkového karbidu (SIC) na více než 1100 ℃ ve vakuu, takže atomy křemíku poblíž povrchu se odpařují a zbývající atomy uhlíku jsou přeuspořádány, což může také získat vzorky grafenu s dobrými vlastnostmi.
Grafen je nový materiál s jedinečnými vlastnostmi: jeho elektrická vodivost je stejně vynikající jako měď a jeho tepelná vodivost je lepší než jakýkoli známý materiál. Je to velmi transparentní. Graphenem bude absorbována pouze malá část (2,3%) vertikálního dopadajícího viditelného světla a většina světla projde. Je tak husté, že ani atomy helia (nejmenší molekuly plynu) nemohou projít. Tyto magické vlastnosti nejsou přímo zděděny z grafitu, ale z kvantové mechaniky. Její jedinečné elektrické a optické vlastnosti určují, že má široké vyhlídky na aplikaci.
Přestože se grafen objevil pouze méně než deset let, ukázal mnoho technických aplikací, což je v oblasti fyziky a materiální vědy velmi vzácné. Obecné materiály se přesunou z laboratoře do skutečného života trvá déle než deset let nebo dokonce desetiletí. Jaké je použití grafenu? Podívejme se na dva příklady.
Měkká průhledná elektroda
V mnoha elektrických zařízeních je třeba jako elektrody použít průhledné vodivé materiály. Elektronické hodinky, kalkulačky, televizory, kapalné krystalové displeje, dotykové obrazovky, solární panely a mnoho dalších zařízení nemohou zanechat existenci průhledných elektrod. Tradiční transparentní elektroda používá oxid cínu india (ITO). Vzhledem k vysoké ceně a omezené zásobování india je materiál křehký a nedostatek flexibility a elektrodu musí být uložena ve střední vrstvě vakua a náklady jsou relativně vysoké. Vědci se po dlouhou dobu snaží najít svou náhradu. Kromě požadavků transparentnosti, dobré vodivosti a snadné přípravy, pokud je flexibilita samotného materiálu dobrá, bude vhodná pro výrobu „elektronického papíru“ nebo jiných skládacích zobrazovacích zařízení. Flexibilita je proto také velmi důležitým aspektem. Grafen je takový materiál, který je velmi vhodný pro průhledné elektrody.
Vědci z Samsungu a Chengjunguanské univerzity v Jižní Koreji získali grafen s diagonální délkou 30 palců chemickou depozicí par a přenesli jej na 188 mikron tlustý polyethylen tereftalát (PET) za vzniku dotykové obrazovky na bázi grafenu [4]. Jak je znázorněno na obrázku níže, grafen pěstovaný na měděné fólii je nejprve spojen s tepelnou odizolovací páskou (modrá průhledná část), pak je měděná fólie rozpuštěna chemickou metodou a nakonec je grafen přenesen do filmu PET vytápěním natáčením .
Nové fotoelektrické indukční zařízení
Graphene má velmi jedinečné optické vlastnosti. Přestože existuje pouze jedna vrstva atomů, může absorbovat 2,3% emitovaného světla v celé vlnové délce od viditelného světla po infračervené. Toto číslo nemá nic společného s jinými materiálovými parametry grafenu a je určováno kvantovou elektrodynamikou [6]. Absorbované světlo povede k tvorbě nosičů (elektrony a otvory). Generování a transport nosičů v grafenu se velmi liší od přepravy v tradičních polovodičích. Díky tomu je grafen velmi vhodný pro ultrarychlé fotoelektrické indukční zařízení. Odhaduje se, že takové fotoelektrické indukční zařízení může fungovat na frekvenci 500 GHz. Pokud se používá pro přenos signálu, může přenášet 500 miliard nul nebo ty za sekundu a dokončit přenos obsahu dvou disků Blu Ray za jednu sekundu.
Odborníci z IBM Thomas J. Watson Research Center ve Spojených státech použili grafen k výrobě fotoelektrických indukčních zařízení, která mohou fungovat při frekvenci 10 GHz [8]. Za prvé, grafenové vločky byly připraveny na křemíkový substrát pokrytý 300 nm tlustým oxidem křemičitým pomocí „metody trhání pásky“ a poté byly vyrobeny palladium zlato nebo titanové zlaté elektrody s intervalem 1 mikronu a šířkou 250 nm. Tímto způsobem se získá fotoelektrické indukční zařízení založené na grafenu.
Schematický diagram grafenových fotoelektrických indukčních zařízení a fotografií skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) skutečných vzorků. Černá krátká čára na obrázku odpovídá 5 mikronů a vzdálenost mezi kovovými liniemi je jeden mikron.
Prostřednictvím experimentů vědci zjistili, že toto fotoelektrické indukční zařízení kovové kovové kovové struktury může dosáhnout pracovní frekvence 16 GHz a může pracovat vysokou rychlostí v vlnové délce od 300 nm (poblíž ultrafialu) do 6 mikronů (infračervené), zatímco Tradiční fotoelektrická indukční trubice nemůže reagovat na infračervené světlo s delší vlnovou délkou. Pracovní frekvence grafenového fotoelektrického indukčního zařízení má stále velký prostor pro zlepšení. Jeho vynikající výkon způsobuje, že má širokou škálu vyhlídek na aplikace, včetně komunikace, dálkového ovládání a monitorování životního prostředí.
Jako nový materiál s jedinečnými vlastnostmi se výzkum aplikace grafenu objevuje jeden po druhém. Je pro nás obtížné je zde vyjmenovat. V budoucnu mohou existovat trubky z polního účinku vyrobené z grafenu, molekulárních přepínačů vyrobených z grafenu a molekulárních detektorů vyrobených z grafenu v každodenním životě ... grafen, který postupně vychází z laboratoře, bude v každodenním životě svítit.
Můžeme očekávat, že v blízké budoucnosti se objeví velké množství elektronických produktů pomocí grafenu. Přemýšlejte o tom, jak zajímavé by to bylo, kdyby se naše smartphony a netbooky mohly svrhnout, sevřené na uších, plněné v našich kapsách nebo omotané kolem našich zápěstí, když se nepoužívají!
Čas příspěvku: Mar-09-2022