I 2010 vant Geim og Novoselov Nobelprisen i fysikk for arbeidet med grafen.Denne prisen har etterlatt et dypt inntrykk på mange mennesker.Tross alt er ikke alle eksperimentelle Nobelprisverktøy like vanlig som teip, og ikke alle forskningsobjekter er like magiske og enkle å forstå som "to-dimensjonal krystall" grafen.Verket i 2004 kan tildeles i 2010, noe som er sjeldent i rekorden for Nobelprisen de siste årene.
Grafen er et slags stoff som består av et enkelt lag med karbonatomer tett arrangert i et todimensjonalt sekskantet bikakegitter.I likhet med diamant, grafitt, fulleren, karbon nanorør og amorft karbon, er det et stoff (enkelt stoff) sammensatt av karbonelementer.Som vist i figuren nedenfor, kan fullerener og karbon-nanorør sees som rullet sammen på en eller annen måte fra et enkelt lag med grafen, som er stablet av mange lag med grafen.Den teoretiske forskningen på bruken av grafen for å beskrive egenskapene til ulike karbon-enkle stoffer (grafitt, karbon-nanorør og grafen) har vart i nesten 60 år, men det antas generelt at slike todimensjonale materialer er vanskelige å stabilt eksistere alene. bare festet til den tredimensjonale substratoverflaten eller inne i stoffer som grafitt.Det var først i 2004 at Andre Geim og hans elev Konstantin Novoselov fjernet et enkelt lag med grafen fra grafitt gjennom eksperimenter at forskningen på grafen oppnådde ny utvikling.
Både fulleren (venstre) og karbon-nanorør (midt) kan betraktes som å være rullet opp av et enkelt lag med grafen på en eller annen måte, mens grafitt (til høyre) er stablet av flere lag med grafen gjennom tilkoblingen av van der Waals-kraft.
I dag kan grafen fås på mange måter, og ulike metoder har sine fordeler og ulemper.Geim og Novoselov skaffet grafen på en enkel måte.Ved å bruke gjennomsiktig tape som er tilgjengelig i supermarkeder, strippet de grafen, et grafittark med bare ett lag med karbonatomer tykt, fra et stykke høyordens pyrolytisk grafitt.Dette er praktisk, men kontrollerbarheten er ikke så god, og grafen med en størrelse på mindre enn 100 mikron (en tidel millimeter) kan bare oppnås, som kan brukes til eksperimenter, men det er vanskelig å brukes til praktisk applikasjoner.Kjemisk dampavsetning kan vokse grafenprøver med en størrelse på titalls centimeter på metalloverflaten.Selv om området med konsistent orientering bare er 100 mikron [3,4], har det vært egnet for produksjonsbehovene til noen applikasjoner.En annen vanlig metode er å varme opp silisiumkarbidkrystallen (SIC) til mer enn 1100 ℃ i vakuum, slik at silisiumatomene nær overflaten fordamper, og de gjenværende karbonatomene omorganiseres, noe som også kan få grafenprøver med gode egenskaper.
Grafen er et nytt materiale med unike egenskaper: dets elektriske ledningsevne er like utmerket som kobber, og dets varmeledningsevne er bedre enn noe kjent materiale.Den er veldig gjennomsiktig.Bare en liten del (2,3 %) av det vertikale innfallende synlige lyset vil bli absorbert av grafen, og det meste av lyset vil passere gjennom.Det er så tett at selv heliumatomer (de minste gassmolekylene) ikke kan passere gjennom.Disse magiske egenskapene er ikke direkte arvet fra grafitt, men fra kvantemekanikk.Dens unike elektriske og optiske egenskaper bestemmer at den har brede bruksmuligheter.
Selv om grafen bare har dukket opp i mindre enn ti år, har det vist mange tekniske anvendelser, noe som er svært sjeldent innen fysikk og materialvitenskap.Det tar mer enn ti år eller tiår før generelle materialer flyttes fra laboratoriet til det virkelige liv.Hva er bruken av grafen?La oss se på to eksempler.
Myk gjennomsiktig elektrode
I mange elektriske apparater må gjennomsiktige ledende materialer brukes som elektroder.Elektroniske klokker, kalkulatorer, fjernsyn, flytende krystallskjermer, berøringsskjermer, solcellepaneler og mange andre enheter kan ikke forlate eksistensen av gjennomsiktige elektroder.Den tradisjonelle gjennomsiktige elektroden bruker indium tinnoksid (ITO).På grunn av den høye prisen og begrenset tilførsel av indium, er materialet sprøtt og mangel på fleksibilitet, og elektroden må avsettes i det midtre vakuumlaget, og kostnadene er relativt høye.I lang tid har forskere forsøkt å finne dens erstatning.I tillegg til kravene til gjennomsiktighet, god ledningsevne og enkel forberedelse, hvis fleksibiliteten til selve materialet er god, vil det være egnet for å lage "elektronisk papir" eller andre sammenleggbare displayenheter.Derfor er fleksibilitet også et svært viktig aspekt.Grafen er et slikt materiale, som er veldig egnet for gjennomsiktige elektroder.
Forskere fra Samsung og chengjunguan University i Sør-Korea oppnådde grafen med en diagonal lengde på 30 tommer ved kjemisk dampavsetning og overførte den til en 188 mikron tykk polyetylentereftalat (PET) film for å produsere en grafenbasert berøringsskjerm [4].Som vist i figuren nedenfor, bindes grafenet som dyrkes på kobberfolien først med termisk strippetape (blå gjennomsiktig del), deretter løses kobberfolien opp ved kjemisk metode, og til slutt overføres grafenet til PET-filmen ved oppvarming. .
Nytt fotoelektrisk induksjonsutstyr
Grafen har veldig unike optiske egenskaper.Selv om det bare er ett lag med atomer, kan det absorbere 2,3 % av det utsendte lyset i hele bølgelengdeområdet fra synlig lys til infrarødt.Dette tallet har ingenting å gjøre med andre materialparametre for grafen og bestemmes av kvanteelektrodynamikk [6].Det absorberte lyset vil føre til generering av bærere (elektroner og hull).Generering og transport av bærere i grafen er svært forskjellig fra de i tradisjonelle halvledere.Dette gjør grafen svært egnet for ultrarask fotoelektrisk induksjonsutstyr.Det er anslått at slikt fotoelektrisk induksjonsutstyr kan fungere ved frekvensen 500ghz.Hvis den brukes til signaloverføring, kan den overføre 500 milliarder nuller eller enere per sekund, og fullføre overføringen av innholdet på to Blu-ray-plater på ett sekund.
Eksperter fra IBM Thomas J. Watson Research Center i USA har brukt grafen til å produsere fotoelektriske induksjonsenheter som kan fungere ved 10GHz frekvens [8].Først ble grafenflak fremstilt på et silisiumsubstrat dekket med 300 nm tykt silika ved "tape-tearing method", og deretter ble det laget palladiumgull- eller titanium-gullelektroder med et intervall på 1 mikron og en bredde på 250 nm.På denne måten oppnås en grafenbasert fotoelektrisk induksjonsenhet.
Skjematisk diagram av grafen fotoelektrisk induksjonsutstyr og scanning elektronmikroskop (SEM) bilder av faktiske prøver.Den svarte korte linjen i figuren tilsvarer 5 mikron, og avstanden mellom metalllinjer er en mikron.
Gjennom eksperimenter fant forskerne at denne fotoelektriske induksjonsanordningen med metallgrafen-metallstruktur kan nå arbeidsfrekvensen på 16ghz på det meste, og kan arbeide med høy hastighet i bølgelengdeområdet fra 300 nm (nær ultrafiolett) til 6 mikron (infrarødt), mens det tradisjonelle fotoelektriske induksjonsrøret kan ikke reagere på infrarødt lys med lengre bølgelengde.Arbeidsfrekvensen til grafen fotoelektrisk induksjonsutstyr har fortsatt stort rom for forbedring.Dens overlegne ytelse gjør at den har et bredt spekter av bruksmuligheter, inkludert kommunikasjon, fjernkontroll og miljøovervåking.
Som et nytt materiale med unike egenskaper dukker forskningen på anvendelsen av grafen opp etter hverandre.Det er vanskelig for oss å regne dem opp her.I fremtiden kan det være felteffektrør laget av grafen, molekylære brytere laget av grafen og molekylære detektorer laget av grafen i dagliglivet... Grafen som gradvis kommer ut av laboratoriet vil skinne i dagliglivet.
Vi kan forvente at et stort antall elektroniske produkter som bruker grafen vil dukke opp i nær fremtid.Tenk på hvor interessant det ville vært hvis smarttelefonene og nettbøkene våre kunne rulles sammen, klemmes på ørene, stappes i lommene eller vikles rundt håndleddene når de ikke er i bruk!
Innleggstid: Mar-09-2022