2010 m. Geimas ir Novoselovas gavo Nobelio fizikos premiją už darbą su grafenu.Šis apdovanojimas paliko gilų įspūdį daugeliui žmonių.Juk ne kiekvienas Nobelio premijos eksperimentinis įrankis yra toks įprastas kaip lipni juosta, o ne kiekvienas tyrimo objektas yra toks magiškas ir lengvai suprantamas kaip „dvimatis krištolinis“ grafenas.2004 m. darbas gali būti apdovanotas 2010 m., o tai reta pastarųjų metų Nobelio premijos įraše.
Grafenas yra tam tikra medžiaga, kurią sudaro vienas anglies atomų sluoksnis, glaudžiai išdėstytas į dvimatę šešiakampę gardelę.Kaip ir deimantas, grafitas, fullerenas, anglies nanovamzdeliai ir amorfinė anglis, tai medžiaga (paprasta medžiaga), sudaryta iš anglies elementų.Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, fulerenai ir anglies nanovamzdeliai gali būti matomi kaip tam tikru būdu susukti iš vieno grafeno sluoksnio, kuris yra sukrautas daugybe grafeno sluoksnių.Teoriniai grafeno panaudojimo įvairių anglies junginių (grafito, anglies nanovamzdelių ir grafeno) savybėms aprašyti tyrimai tęsiasi beveik 60 metų, tačiau visuotinai manoma, kad tokioms dvimatėms medžiagoms sunku stabiliai egzistuoti pavieniui. tvirtinami tik prie trimačio pagrindo paviršiaus arba medžiagų, tokių kaip grafitas, viduje.Tik 2004 m., kai Andre Geim ir jo mokinys Konstantinas Novoselovas eksperimentais pašalino vieną grafeno sluoksnį iš grafito, grafeno tyrimai pasiekė naują plėtrą.
Tiek fullerenas (kairėje), tiek anglies nanovamzdelis (viduryje) gali būti laikomi vienu grafeno sluoksniu tam tikru būdu suvyniotais, o grafitas (dešinėje) yra sukrautas keliais grafeno sluoksniais dėl van der Waals jėgos ryšio.
Šiais laikais grafeną galima gauti įvairiais būdais, o skirtingi metodai turi savų privalumų ir trūkumų.Geimas ir Novoselovas grafeną gavo paprastu būdu.Naudodami prekybos centruose esančią skaidrią juostą, jie nuplėšė grafeną – grafito lakštą, kurio storis tik vienas anglies atomų sluoksnis, iš aukštos kokybės pirolitinio grafito gabalo.Tai patogu, bet valdomumas nėra toks geras, o mažesnio nei 100 mikronų (vienos dešimtosios milimetro) dydžio grafeną galima gauti tik eksperimentams, tačiau praktiškai jį naudoti sunku. programos.Cheminis garų nusodinimas gali išauginti grafeno mėginius, kurių dydis yra dešimtys centimetrų ant metalinio paviršiaus.Nors nuoseklios orientacijos plotas yra tik 100 mikronų [3,4], jis buvo tinkamas kai kurių programų gamybos poreikiams.Kitas įprastas metodas yra silicio karbido (SIC) kristalo kaitinimas iki daugiau nei 1100 ℃ vakuume, kad šalia paviršiaus esantys silicio atomai išgaruotų, o likę anglies atomai būtų pertvarkyti, taip pat galima gauti gerų savybių grafeno pavyzdžius.
Grafenas yra nauja medžiaga, turinti unikalių savybių: jo elektrinis laidumas yra toks pat puikus kaip varis, o šilumos laidumas geresnis nei bet kurios žinomos medžiagos.Tai labai skaidrus.Tik nedidelę dalį (2,3 %) vertikaliai krentančios matomos šviesos sugers grafenas, o didžioji dalis šviesos praeis.Jis toks tankus, kad negali prasiskverbti net helio atomai (mažiausios dujų molekulės).Šios magiškos savybės yra paveldėtos ne tiesiogiai iš grafito, o iš kvantinės mechanikos.Dėl unikalių elektrinių ir optinių savybių jis turi platų pritaikymo perspektyvą.
Nors grafenas pasirodė tik mažiau nei dešimt metų, jis parodė daugybę techninių pritaikymų, o tai labai reta fizikos ir medžiagų mokslo srityse.Prireikia daugiau nei dešimties metų ar net dešimtmečių, kol bendrosios medžiagos iš laboratorijos pereis į realų gyvenimą.Kuo naudingas grafenas?Pažvelkime į du pavyzdžius.
Minkštas skaidrus elektrodas
Daugelyje elektros prietaisų kaip elektrodus reikia naudoti skaidrias laidžias medžiagas.Elektroniniai laikrodžiai, skaičiuotuvai, televizoriai, skystųjų kristalų ekranai, jutikliniai ekranai, saulės baterijos ir daugelis kitų prietaisų negali palikti skaidrių elektrodų.Tradiciniame skaidriame elektrode naudojamas indžio alavo oksidas (ITO).Dėl didelės kainos ir ribotos indžio pasiūlos medžiaga yra trapi ir nelanksti, o elektrodą reikia nusodinti į vidurinį vakuumo sluoksnį, o kaina yra gana didelė.Ilgą laiką mokslininkai bandė rasti jo pakaitalą.Be skaidrumo, gero laidumo ir lengvo paruošimo reikalavimų, jei pačios medžiagos lankstumas geras, ji tiks „elektroniniam popieriui“ ar kitiems sulankstomiems ekranams gaminti.Todėl lankstumas taip pat yra labai svarbus aspektas.Grafenas yra tokia medžiaga, kuri labai tinka skaidriems elektrodams.
Tyrėjai iš Samsung ir Chengjunguan universiteto Pietų Korėjoje cheminio garų nusodinimo būdu gavo 30 colių įstrižainės grafeną ir perkėlė jį į 188 mikronų storio polietileno tereftalato (PET) plėvelę, kad pagamintų grafeno pagrindo jutiklinį ekraną [4].Kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje, ant varinės folijos išaugintas grafenas pirmiausia suklijuojamas terminio nuplėšimo juosta (mėlyna permatoma dalis), tada vario folija ištirpinama cheminiu būdu ir galiausiai grafenas kaitinant perkeliamas į PET plėvelę. .
Nauja fotoelektrinė indukcinė įranga
Grafenas turi labai unikalių optinių savybių.Nors yra tik vienas atomų sluoksnis, jis gali sugerti 2,3% skleidžiamos šviesos visame bangos ilgio diapazone nuo matomos šviesos iki infraraudonųjų spindulių.Šis skaičius neturi nieko bendra su kitais grafeno medžiagų parametrais ir yra nulemtas kvantinės elektrodinamikos [6].Sugerta šviesa generuos nešiklius (elektronus ir skyles).Nešiklių generavimas ir transportavimas grafene labai skiriasi nuo tradicinių puslaidininkių.Dėl to grafenas labai tinka itin sparčiai fotoelektrinei indukcijos įrangai.Apskaičiuota, kad tokia fotoelektrinė indukcinė įranga gali veikti 500 GHz dažniu.Jei jis naudojamas signalo perdavimui, jis gali perduoti 500 milijardų nulių arba vienetų per sekundę ir per vieną sekundę užbaigti dviejų „Blu-ray“ diskų turinio perdavimą.
IBM Thomas J. Watson tyrimų centro JAV ekspertai grafeną panaudojo fotoelektrinės indukcinės įrangos, galinčios veikti 10 GHz dažniu, gamybai [8].Pirmiausia grafeno dribsniai buvo paruošti ant silicio substrato, padengto 300 nm storio silicio dioksidu „juostos plyšimo metodu“, o po to ant jo buvo pagaminti paladžio aukso arba titano aukso elektrodai su 1 mikrono intervalu ir 250 nm pločiu.Tokiu būdu gaunamas grafeno pagrindu pagamintas fotoelektrinės indukcijos įrenginys.
Grafeno fotoelektrinės indukcijos įrangos ir faktinių mėginių skenuojančio elektroninio mikroskopo (SEM) nuotraukų schema.Juoda trumpa linija paveiksle atitinka 5 mikronus, o atstumas tarp metalinių linijų yra vienas mikronas.
Eksperimentų metu mokslininkai nustatė, kad šis metalinės grafeno metalinės konstrukcijos fotoelektrinės indukcijos įtaisas gali pasiekti daugiausiai 16 GHz darbinį dažnį ir gali veikti dideliu greičiu bangos ilgių diapazone nuo 300 nm (arti ultravioletinių spindulių) iki 6 mikronų (infraraudonųjų spindulių). tradicinis fotoelektrinis indukcinis vamzdis negali reaguoti į ilgesnės bangos infraraudonąją šviesą.Grafeno fotoelektrinės indukcinės įrangos darbo dažnis vis dar turi daug galimybių tobulinti.Dėl puikaus našumo jis turi platų pritaikymo galimybių spektrą, įskaitant ryšį, nuotolinį valdymą ir aplinkos stebėjimą.
Kaip nauja medžiaga, turinti unikalių savybių, vienas po kito atsiranda grafeno taikymo tyrimai.Mums sunku juos čia išvardyti.Ateityje kasdieniame gyvenime gali atsirasti lauko efekto vamzdeliai iš grafeno, molekuliniai jungikliai iš grafeno ir molekuliniai detektoriai iš grafeno... Grafenas, kuris palaipsniui išeis iš laboratorijos, spindės kasdieniame gyvenime.
Galime tikėtis, kad artimiausiu metu atsiras daugybė elektroninių gaminių, kuriuose naudojamas grafenas.Pagalvokite, kaip būtų įdomu, jei mūsų išmanieji telefonai ir nešiojamieji kompiuteriai būtų susukti, prispausti prie ausų, įkišti į kišenes arba apvynioti aplink riešus, kai jie nenaudojami!
Paskelbimo laikas: 2022-09-09