2010. gadā Geims un Novoselovs ieguva Nobela prēmiju fizikā par darbu pie grafēna.Šī balva ir atstājusi dziļu iespaidu uz daudziem cilvēkiem.Galu galā ne katrs Nobela prēmijas eksperimentālais rīks ir tik izplatīts kā līmlente, un ne katrs izpētes objekts ir tik maģisks un viegli saprotams kā “divdimensiju kristāla” grafēns.2004. gada darbs var tikt apbalvots 2010. gadā, kas pēdējo gadu Nobela prēmijas ierakstā ir retums.
Grafēns ir sava veida viela, kas sastāv no viena oglekļa atomu slāņa, kas ir cieši sakārtoti divdimensiju šūnveida sešstūra režģī.Tāpat kā dimants, grafīts, fullerēns, oglekļa nanocaurules un amorfais ogleklis, tā ir viela (vienkārša viela), kas sastāv no oglekļa elementiem.Kā parādīts zemāk esošajā attēlā, fullerēnus un oglekļa nanocaurules var redzēt kā kaut kādā veidā sarullētas no viena grafēna slāņa, kas ir sakrauts ar daudziem grafēna slāņiem.Teorētiskie pētījumi par grafēna izmantošanu dažādu oglekli vienkāršu vielu (grafīta, oglekļa nanocaurules un grafēna) īpašību aprakstīšanai ilgst jau gandrīz 60 gadus, taču parasti tiek uzskatīts, ka šādus divdimensiju materiālus ir grūti stabili pastāvēt atsevišķi. tikai piestiprināts pie trīsdimensiju substrāta virsmas vai tādu vielu iekšpusē kā grafīts.Tikai 2004. gadā Andrē Geims un viņa students Konstantīns Novoselovs eksperimentu laikā noņēma vienu grafēna slāni no grafīta, un grafēna pētījumi panāca jaunu attīstību.
Var uzskatīt, ka gan fullerēnu (pa kreisi), gan oglekļa nanocauruli (vidū) kaut kādā veidā sarullē viens grafēna slānis, savukārt grafīts (pa labi) ir sakrauts ar vairākiem grafēna slāņiem, izmantojot van der Vālsa spēku.
Mūsdienās grafēnu var iegūt dažādos veidos, un dažādām metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi.Geims un Novoselovs ieguva grafēnu vienkāršā veidā.Izmantojot lielveikalos pieejamo caurspīdīgo lenti, viņi no augstas kārtas pirolītiskā grafīta gabala noņēma grafēnu, grafīta loksni, kuras biezums bija tikai viens oglekļa atomu slānis.Tas ir ērti, bet vadāmība nav tik laba, un var iegūt tikai grafēnu, kura izmērs ir mazāks par 100 mikroniem (viena milimetra desmitā daļa), ko var izmantot eksperimentiem, taču to ir grūti izmantot praktiskiem. lietojumprogrammas.Ķīmiskā tvaiku nogulsnēšana uz metāla virsmas var izaudzēt grafēna paraugus, kuru izmērs ir desmitiem centimetru.Lai gan platība ar konsekventu orientāciju ir tikai 100 mikroni [3,4], tā ir bijusi piemērota dažu lietojumu ražošanas vajadzībām.Vēl viena izplatīta metode ir silīcija karbīda (SIC) kristāla karsēšana līdz vairāk nekā 1100 ℃ vakuumā, lai silīcija atomi virsmas tuvumā iztvaikotu un atlikušie oglekļa atomi tiktu pārkārtoti, tādējādi var iegūt arī grafēna paraugus ar labām īpašībām.
Grafēns ir jauns materiāls ar unikālām īpašībām: tā elektrovadītspēja ir tikpat lieliska kā varš, un tā siltumvadītspēja ir labāka nekā jebkuram zināmam materiālam.Tas ir ļoti caurspīdīgs.Grafēns absorbēs tikai nelielu daļu (2,3%) no vertikālās krītošās redzamās gaismas, un lielākā daļa gaismas izies cauri.Tas ir tik blīvs, ka pat hēlija atomi (mazākās gāzes molekulas) nevar iziet cauri.Šīs maģiskās īpašības nav tieši mantotas no grafīta, bet gan no kvantu mehānikas.Tā unikālās elektriskās un optiskās īpašības nosaka, ka tam ir plašas pielietojuma iespējas.
Lai gan grafēns ir parādījies tikai nepilnus desmit gadus, tas ir parādījis daudzus tehniskus pielietojumus, kas fizikas un materiālu zinātnes jomās ir ļoti reti.Ir vajadzīgi vairāk nekā desmit gadi vai pat gadu desmiti, lai vispārīgie materiāli pārvietotos no laboratorijas uz reālo dzīvi.Kāda ir grafēna izmantošana?Apskatīsim divus piemērus.
Mīksts caurspīdīgs elektrods
Daudzās elektroierīcēs kā elektrodi ir jāizmanto caurspīdīgi vadoši materiāli.Elektroniskie pulksteņi, kalkulatori, televizori, šķidro kristālu displeji, skārienekrāni, saules paneļi un daudzas citas ierīces nevar atstāt caurspīdīgu elektrodu esamību.Tradicionālais caurspīdīgais elektrods izmanto indija alvas oksīdu (ITO).Augstās cenas un ierobežotā indija piedāvājuma dēļ materiāls ir trausls un tam nav elastības, un elektrods ir jānovieto vidējā vakuuma slānī, un izmaksas ir salīdzinoši augstas.Zinātnieki jau ilgu laiku ir mēģinājuši atrast tā aizstājēju.Papildus caurspīdīguma, labas vadītspējas un vieglas sagatavošanas prasībām, ja paša materiāla elastība ir laba, tas būs piemērots “elektroniskā papīra” vai citu salokāmu displeja ierīču izgatavošanai.Tāpēc arī elastība ir ļoti svarīgs aspekts.Grafēns ir šāds materiāls, kas ir ļoti piemērots caurspīdīgiem elektrodiem.
Pētnieki no Samsung un Chengjunguan Universitātes Dienvidkorejā ieguva grafēnu, kura diagonāles garums bija 30 collas, izmantojot ķīmisko tvaiku nogulsnēšanos, un pārnesa to uz 188 mikronus biezu polietilēntereftalāta (PET) plēvi, lai iegūtu skārienekrānu uz grafēna bāzes [4].Kā parādīts zemāk esošajā attēlā, uz vara folijas izaudzētais grafēns vispirms tiek savienots ar termisko noņemšanas lenti (zilu caurspīdīgu daļu), pēc tam vara foliju izšķīdina ar ķīmisku metodi, un visbeidzot grafēnu karsējot pārnes uz PET plēvi. .
Jauna fotoelektriskā indukcijas iekārta
Grafēnam ir ļoti unikālas optiskās īpašības.Lai gan ir tikai viens atomu slānis, tas var absorbēt 2,3% no izstarotās gaismas visā viļņu garuma diapazonā no redzamās gaismas līdz infrasarkanajam.Šim skaitlim nav nekāda sakara ar citiem grafēna materiāla parametriem, un to nosaka kvantu elektrodinamika [6].Absorbētā gaisma izraisīs nesēju (elektronu un caurumu) veidošanos.Nesēju ģenerēšana un transportēšana grafēnā ļoti atšķiras no tradicionālajiem pusvadītājiem.Tas padara grafēnu ļoti piemērotu īpaši ātrām fotoelektriskajām indukcijas iekārtām.Tiek lēsts, ka šādas fotoelektriskās indukcijas iekārtas var darboties ar frekvenci 500 GHz.Ja to izmanto signālu pārraidei, tas var pārraidīt 500 miljardus nulles vai vieninieku sekundē un vienā sekundē pabeigt divu Blu ray disku satura pārraidi.
Eksperti no IBM Thomas J. Watson Research Center Amerikas Savienotajās Valstīs ir izmantojuši grafēnu, lai ražotu fotoelektriskās indukcijas ierīces, kas var darboties 10 GHz frekvencē [8].Pirmkārt, uz silīcija substrāta, kas pārklāts ar 300 nm biezu silīcija dioksīdu, tika sagatavotas grafēna pārslas ar “lentes plīsšanas metodi”, un pēc tam uz tā tika izgatavoti pallādija zelta vai titāna zelta elektrodi ar intervālu 1 mikronu un platumu 250 nm.Tādā veidā tiek iegūta fotoelektriskā indukcijas ierīce uz grafēna bāzes.
Grafēna fotoelektriskās indukcijas iekārtu un faktisko paraugu skenējošo elektronu mikroskopa (SEM) fotoattēlu shematiskā diagramma.Melnā īsā līnija attēlā atbilst 5 mikroniem, un attālums starp metāla līnijām ir viens mikrons.
Veicot eksperimentus, pētnieki atklāja, ka šī metāla grafēna metāla konstrukcijas fotoelektriskās indukcijas ierīce var sasniegt ne vairāk kā 16 GHz darba frekvenci un var darboties lielā ātrumā viļņu garuma diapazonā no 300 nm (tuvu ultravioleto staru) līdz 6 mikroniem (infrasarkanais), savukārt tradicionālā fotoelektriskā indukcijas caurule nevar reaģēt uz infrasarkano gaismu ar garāku viļņa garumu.Grafēna fotoelektriskās indukcijas iekārtu darba frekvencei joprojām ir daudz iespēju uzlabot.Tā izcilā veiktspēja nodrošina plašu pielietojuma iespēju klāstu, tostarp saziņu, tālvadību un vides uzraudzību.
Kā jauns materiāls ar unikālām īpašībām viens pēc otra parādās pētījumi par grafēna pielietojumu.Mums ir grūti tos šeit uzskaitīt.Nākotnē ikdienas dzīvē var būt lauka efektu lampas, kas izgatavotas no grafēna, molekulārie slēdži no grafēna un molekulārie detektori, kas izgatavoti no grafēna... Grafēns, kas pakāpeniski iznāks no laboratorijas, spīdēs ikdienas dzīvē.
Mēs varam sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē parādīsies liels skaits elektronisku produktu, kuros izmanto grafēnu.Padomājiet par to, cik interesanti būtu, ja mūsu viedtālruņus un netbook datorus varētu sarullēt, piestiprināt pie ausīm, iebāzt kabatās vai aptīt ap plaukstas locītavām, kad tos neizmantojat!
Publicēšanas laiks: 09.03.2022