2010-ben Geim és Novoselov elnyerte a fizikai Nobel-díjat a grafénnal kapcsolatos munkájukért.Ez a díj sok emberben mély nyomot hagyott.Végül is nem minden Nobel-díjas kísérleti eszköz olyan elterjedt, mint a ragasztószalag, és nem minden kutatási tárgy olyan varázslatos és könnyen érthető, mint a „kétdimenziós kristály” grafén.A 2004-ben készült alkotást 2010-ben ítélhetik oda, ami ritka az elmúlt évek Nobel-díjas listáján.
A grafén egy olyan anyag, amely egyetlen réteg szénatomból áll, amelyek szorosan egy kétdimenziós méhsejt-hatszögletű rácsban helyezkednek el.A gyémánthoz, grafithoz, fullerénhez, szén nanocsövekhez és az amorf szénhez hasonlóan szénelemekből álló anyag (egyszerű anyag).Amint az alábbi ábrán látható, a fullerének és a szén nanocsövek egyetlen grafénrétegből valamilyen módon feltekeredve láthatók, amelyet sok grafénréteg rak össze.A grafén felhasználásával a különféle szénegyszerű anyagok (grafit, szén nanocsövek és grafén) tulajdonságainak leírására irányuló elméleti kutatások közel 60 éve tartanak, de az általános vélekedés szerint az ilyen kétdimenziós anyagokat nehéz stabilan egyedül létezni. csak a háromdimenziós hordozófelülethez vagy olyan anyagok belsejébe rögzítve, mint a grafit.2004-ig Andre Geim és tanítványa, Konstantin Novoselov kísérletekkel egyetlen grafénréteget távolítottak el a grafitból, és a grafénkutatás új fejleményt ért el.
Mind a fullerént (balra), mind a szén nanocsövet (középen) úgy tekinthetjük, mintha egyetlen grafénréteg valamilyen módon feltekerné, míg a grafitot (jobbra) több grafénréteg rakja egymásra a van der Waals-erő összekapcsolása révén.
Manapság a grafént sokféleképpen lehet beszerezni, és a különböző módszereknek megvannak a maga előnyei és hátrányai.Geim és Novoselov egyszerű módon szerezték be a grafént.A szupermarketekben kapható átlátszó szalag segítségével leválasztották a grafént, egy mindössze egy réteg szénatom vastagságú grafitlemezt egy darab magasrendű pirolitikus grafitból.Ez kényelmes, de a szabályozhatóság nem olyan jó, és csak 100 mikronnál (egy tized milliméternél) kisebb méretű grafén nyerhető, amivel kísérletezni lehet, de gyakorlati célra nehezen használható. alkalmazások.A kémiai gőzleválasztással több tíz centiméteres grafénmintákat lehet növeszteni a fémfelületen.Bár az egyenletes tájolású terület mindössze 100 mikron [3,4], bizonyos alkalmazások gyártási igényeinek kielégítésére alkalmas volt.Egy másik elterjedt módszer a szilícium-karbid (SIC) kristály vákuumban 1100 ℃ fölé melegítése, így a felület közelében lévő szilícium atomok elpárolognak, a fennmaradó szénatomok pedig átrendeződnek, így jó tulajdonságú grafénmintákat is kaphatunk.
A grafén új anyag, egyedülálló tulajdonságokkal: elektromos vezetőképessége olyan kiváló, mint a réz, hővezető képessége pedig minden ismert anyagnál jobb.Nagyon átlátszó.A függőlegesen beeső látható fénynek csak egy kis részét (2,3%) nyeli el a grafén, és a fény nagy része áthalad.Olyan sűrű, hogy még a hélium atomok (a legkisebb gázmolekulák) sem tudnak átjutni rajta.Ezek a mágikus tulajdonságok nem közvetlenül a grafittól, hanem a kvantummechanikától származnak.Egyedülálló elektromos és optikai tulajdonságai határozzák meg, hogy széles körű alkalmazási lehetőségei vannak.
Bár a grafén alig tíz éve jelent meg, számos technikai alkalmazást mutatott be, ami nagyon ritka a fizika és az anyagtudomány területén.Több mint tíz évbe vagy akár évtizedekbe telik, amíg az általános anyagok laboratóriumból a való életbe kerülhetnek.Mire jó a grafén?Nézzünk két példát.
Puha átlátszó elektróda
Sok elektromos készülékben átlátszó, vezetőképes anyagokat kell használni elektródaként.Az elektronikus órák, számológépek, televíziók, folyadékkristályos kijelzők, érintőképernyők, napelemek és sok más eszköz nem hagyhatja el az átlátszó elektródák létezését.A hagyományos átlátszó elektróda indium-ón-oxidot (ITO) használ.Az indium magas ára és korlátozott kínálata miatt az anyag törékeny és nem rugalmas, és az elektródát a vákuum középső rétegében kell lerakni, és a költségek viszonylag magasak.A tudósok hosszú ideje próbálják megtalálni a helyettesítőjét.Az átlátszóság, a jó vezetőképesség és az egyszerű előkészítés követelményei mellett, ha magának az anyagnak a rugalmassága jó, akkor alkalmas lesz „elektronikus papír” vagy egyéb összehajtható megjelenítő eszközök készítésére.Ezért a rugalmasság is nagyon fontos szempont.A grafén egy ilyen anyag, amely nagyon alkalmas átlátszó elektródákhoz.
A Samsung és a dél-koreai Chengjunguan Egyetem kutatói kémiai gőzfázisú leválasztással 30 hüvelyk átlós grafént állítottak elő, és 188 mikron vastag polietilén-tereftalát (PET) fóliára vitték át grafén alapú érintőképernyő előállításához [4].Ahogy az alábbi ábrán is látható, a rézfóliára növesztett grafént először a hőlehúzó szalaggal (kék átlátszó rész) kötik össze, majd a rézfóliát kémiai módszerrel feloldják, végül a grafént hevítéssel a PET fóliára visszük át. .
Új fotoelektromos indukciós berendezés
A grafén nagyon egyedi optikai tulajdonságokkal rendelkezik.Bár csak egy atomréteg van, a látható fénytől az infravörösig terjedő teljes hullámhossz-tartományban a kibocsátott fény 2,3%-át képes elnyelni.Ennek a számnak semmi köze a grafén egyéb anyagparamétereihez, és a kvantumelektrodinamika határozza meg [6].Az elnyelt fény hordozók (elektronok és lyukak) keletkezéséhez vezet.A hordozók előállítása és szállítása a grafénben nagyon különbözik a hagyományos félvezetőkétől.Emiatt a grafén nagyon alkalmas ultragyors fotoelektromos indukciós berendezésekhez.Becslések szerint az ilyen fotoelektromos indukciós berendezések 500 GHz-es frekvencián működhetnek.Ha jelátvitelre használják, akkor másodpercenként 500 milliárd nullát vagy egyest tud továbbítani, és egy másodperc alatt két Blu ray lemez tartalmának átvitelét teljesíti.
Az egyesült államokbeli IBM Thomas J. Watson Kutatóközpont szakértői grafént használtak fotoelektromos indukciós eszközök gyártására, amelyek 10 GHz-es frekvencián működnek [8].Először 300 nm vastag szilícium-dioxiddal bevont szilícium hordozóra grafén pelyheket készítettek „szalagtépő módszerrel”, majd 1 mikron intervallumú, 250 nm szélességű palládium arany vagy titán arany elektródákat készítettek.Ily módon egy grafén alapú fotoelektromos indukciós eszközt kapunk.
Grafén fotoelektromos indukciós berendezés sematikus diagramja és tényleges minták pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) fényképei.Az ábrán látható fekete rövid vonal 5 mikronnak felel meg, a fémvonalak közötti távolság pedig egy mikron.
A kutatók kísérletekkel megállapították, hogy ez a fém grafén fémszerkezetű fotoelektromos indukciós eszköz legfeljebb 16 GHz-es működési frekvenciát érhet el, és nagy sebességgel tud működni a 300 nm-től (közel ultraibolya sugárzás) 6 mikronig (infravörös) terjedő hullámhossz-tartományban. a hagyományos fotoelektromos indukciós cső nem tud reagálni a hosszabb hullámhosszú infravörös fényre.A grafén fotoelektromos indukciós berendezések működési frekvenciáján még mindig van mit javítani.Kiváló teljesítményének köszönhetően számos alkalmazási lehetőséget kínál, beleértve a kommunikációt, a távvezérlést és a környezetfelügyeletet.
Egyedülálló tulajdonságokkal rendelkező új anyagként sorra kerülnek elő a grafén alkalmazásának kutatásai.Nehéz itt felsorolni őket.A jövőben a mindennapi életben megjelenhetnek térhatású graféncsövek, grafénből készült molekuláris kapcsolók és grafénból készült molekuláris detektorok… A laboratóriumból fokozatosan kikerülő grafén ragyogni fog a mindennapi életben.
Számíthatunk arra, hogy a közeljövőben nagyszámú grafént használó elektronikai termék fog megjelenni.Gondoljunk csak bele, milyen érdekes lenne, ha okostelefonjainkat és netbookjainkat fel lehetne csavarni, a fülünkre szorítani, a zsebünkbe tömni, vagy a csuklónk köré tekerni, ha nem használjuk!
Feladás időpontja: 2022-09-09