V roce 2010 získali Geim a Novoselov Nobelovu cenu za fyziku za práci na grafenu.Toto ocenění zanechalo v mnoha lidech hluboký dojem.Koneckonců, ne každý experimentální nástroj Nobelovy ceny je tak běžný jako lepicí páska a ne každý výzkumný objekt je tak kouzelný a snadno pochopitelný jako „dvourozměrný krystal“ grafen.Práce v roce 2004 může být oceněna v roce 2010, což je v záznamech o udělení Nobelovy ceny v posledních letech vzácností.
Grafen je druh látky, která se skládá z jediné vrstvy atomů uhlíku těsně uspořádaných do dvourozměrné voštinové šestihranné mřížky.Stejně jako diamant, grafit, fulleren, uhlíkové nanotrubice a amorfní uhlík jde o látku (prostou látku) složenou z uhlíkových prvků.Jak je znázorněno na obrázku níže, fullereny a uhlíkové nanotrubice lze vidět jako svinuté nějakým způsobem z jedné vrstvy grafenu, která je naskládána mnoha vrstvami grafenu.Teoretický výzkum využití grafenu k popisu vlastností různých uhlíkových jednoduchých látek (grafit, uhlíkové nanotrubice a grafen) trvá téměř 60 let, ale obecně se má za to, že takové dvourozměrné materiály je obtížné stabilně existovat samostatně. připojeny pouze k trojrozměrnému povrchu substrátu nebo uvnitř látek, jako je grafit.Teprve v roce 2004 Andre Geim a jeho student Konstantin Novoselov pomocí experimentů odstranili jedinou vrstvu grafenu z grafitu a výzkum grafenu dosáhl nového vývoje.
Fulleren (vlevo) i uhlíkové nanotrubice (uprostřed) mohou být považovány za svinuté jednou vrstvou grafenu, zatímco grafit (vpravo) je naskládán více vrstvami grafenu prostřednictvím spojení van der Waalsovy síly.
V dnešní době lze grafen získat mnoha způsoby a různé způsoby mají své výhody i nevýhody.Geim a Novoselov získali grafen jednoduchým způsobem.Pomocí průhledné pásky dostupné v supermarketech odřízli grafen, grafitový list s tloušťkou pouze jedné vrstvy atomů uhlíku, z kusu vysoce kvalitního pyrolytického grafitu.To je pohodlné, ale ovladatelnost není tak dobrá a lze získat pouze grafen o velikosti menší než 100 mikronů (jedna desetina milimetru), který lze použít pro experimenty, ale pro praktické použití je obtížné aplikací.Chemickou depozicí z plynné fáze lze na povrchu kovu pěstovat vzorky grafenu o velikosti desítek centimetrů.Přestože oblast s konzistentní orientací je pouze 100 mikronů [3,4], byla vhodná pro výrobní potřeby některých aplikací.Další běžnou metodou je zahřát krystal karbidu křemíku (SIC) na více než 1100 ℃ ve vakuu, takže se atomy křemíku v blízkosti povrchu odpaří a zbývající atomy uhlíku se přeskupí, 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 velmi transparentní.Pouze malá část (2,3 %) vertikálního dopadajícího viditelného světla bude absorbována grafenem a většina světla projde skrz.Je tak hustá, že jím neprojdou ani atomy helia (nejmenší molekuly plynu).Tyto magické vlastnosti nejsou zděděny přímo z grafitu, ale z kvantové mechaniky.Jeho jedinečné elektrické a optické vlastnosti určují, že má široké uplatnění.
Přestože se grafen objevil teprve necelých deset let, ukázal mnoho technických aplikací, což je v oblasti fyziky a materiálových věd velmi vzácné.Než se obecné materiály přesunou z laboratoře do reálného života, trvá to více než deset let nebo dokonce desetiletí.Jaké je použití grafenu?Podívejme se na dva příklady.
Měkká průhledná elektroda
V mnoha elektrických spotřebičích musí být jako elektrody použity průhledné vodivé materiály.Elektronické hodinky, kalkulačky, televize, displeje z tekutých krystalů, dotykové obrazovky, solární panely a mnoho dalších zařízení nemůže opustit existenci průhledných elektrod.Tradiční transparentní elektroda používá oxid indium-cín (ITO).Vzhledem k vysoké ceně a omezené dodávce india je materiál křehký a nedostatečná pružnost a elektroda musí být uložena ve střední vrstvě vakua a cena je relativně vysoká.Dlouho se vědci snažili najít jeho náhradu.Kromě požadavků na průhlednost, dobrou vodivost a snadnou přípravu, pokud je flexibilita samotného materiálu dobrá, bude vhodný pro výrobu „elektronického papíru“ nebo jiných skládacích zobrazovacích zařízení.Flexibilita je proto také velmi důležitým aspektem.Takovým materiálem je grafen, který je velmi vhodný pro transparentní elektrody.
Výzkumníci ze Samsungu a Chengjunguan University v Jižní Koreji získali grafen o délce úhlopříčky 30 palců chemickou depozicí z par a přenesli jej na 188 mikrometrů tlustý polyethylentereftalátový (PET) film, aby vytvořili dotykovou obrazovku na bázi grafenu [4].Jak je znázorněno na obrázku níže, grafen narostlý na měděné fólii je nejprve spojen tepelnou stripovací páskou (modrá průhledná část), poté je měděná fólie rozpuštěna chemickou metodou a nakonec je grafen přenesen na PET film zahřátím. .
Nové fotoelektrické indukční zařízení
Grafen má velmi unikátní optické vlastnosti.Přestože je zde pouze jedna vrstva atomů, dokáže absorbovat 2,3 % vyzařovaného světla v celém rozsahu vlnových délek od viditelného světla po infračervené.Toto číslo nemá nic společného s ostatními materiálovými parametry grafenu a je určeno kvantovou elektrodynamikou [6].Absorbované světlo povede ke generování nosičů (elektronů a děr).Generování a transport nosičů v grafenu se velmi liší od těch v tradičních polovodičích.Díky tomu je grafen velmi vhodný pro ultrarychlá fotoelektrická indukční zařízení.Odhaduje se, že takové fotoelektrické indukční zařízení může pracovat na frekvenci 500 GHz.Pokud se používá pro přenos signálu, dokáže přenést 500 miliard nul nebo jedniček za sekundu a dokončit přenos obsahu dvou Blu-ray disků za jednu sekundu.
Odborníci z IBM Thomas J. Watson Research Center ve Spojených státech použili grafen k výrobě fotoelektrických indukčních zařízení, která mohou pracovat na frekvenci 10 GHz [8].Nejprve byly připraveny grafenové vločky na křemíkovém substrátu pokrytém 300 nm silnou silikou „metodou trhání pásky“ a následně na něm byly vyrobeny elektrody z palladiového zlata nebo titanového zlata o intervalu 1 mikron a šířce 250 nm.Tímto způsobem se získá fotoelektrické indukční zařízení na bázi grafenu.
Schematické schéma grafenového fotoelektrického indukčního zařízení a fotografie skutečných vzorků rastrovacím elektronovým mikroskopem (SEM).Černá krátká čára na obrázku odpovídá 5 mikrometrům a vzdálenost mezi kovovými čarami je jeden mikron.
Prostřednictvím experimentů vědci zjistili, že toto fotoelektrické indukční zařízení s kovovou grafenovou kovovou strukturou může dosáhnout pracovní frekvence nejvýše 16 GHz a může pracovat vysokou rychlostí v rozsahu vlnových délek od 300 nm (blízko ultrafialové) do 6 mikronů (infračervené). tradiční fotoelektrická indukční trubice nemůže reagovat na infračervené světlo s delší vlnovou délkou.Pracovní frekvence grafenových fotoelektrických indukčních zařízení má stále velký prostor pro zlepšení.Díky svému vynikajícímu výkonu má širokou škálu aplikací, včetně komunikace, dálkového ovládání a monitorování prostředí.
Jako nový materiál s unikátními vlastnostmi se jeden po druhém objevuje výzkum aplikace grafenu.Je pro nás těžké je zde vyjmenovat.V budoucnu mohou být v každodenním životě trubice s efektem pole vyrobené z grafenu, molekulární spínače vyrobené z grafenu a molekulární detektory vyrobené z grafenu... Grafen, který postupně vyjde z laboratoře, bude zářit v každodenním životě.
Můžeme očekávat, že se v blízké budoucnosti objeví velké množství elektronických produktů využívajících grafen.Přemýšlejte o tom, jak zajímavé by bylo, kdyby se naše smartphony a netbooky daly srolovat, připevnit na uši, nacpat do kapes nebo omotat kolem zápěstí, když je nepoužíváme!
Čas odeslání: březen-09-2022