2010. gadā Geims un Novoselovs ieguva Nobela prēmiju fizikā par viņu darbu pie grafēna. Šī balva ir atstājusi dziļu iespaidu uz daudziem cilvēkiem. Galu galā ne katrs Nobela prēmijas eksperimentālais rīks ir tikpat izplatīts kā līmlente, un ne katrs pētījuma objekts ir tik maģisks un viegli saprotams kā “divdimensiju kristāls” grafēns. Darbu 2004. gadā var piešķirt 2010. gadā, kas pēdējos gados ir reti sastopams Nobela prēmijas ierakstā.
Grafēns ir sava veida viela, kas sastāv no viena oglekļa atomu slāņa, kas cieši sakārtots divdimensiju šūnveida sešstūra režģī. Tāpat kā dimants, grafīts, fullerēns, oglekļa nanocaurules un amorfs ogleklis, tā ir viela (vienkārša viela), kas sastāv no oglekļa elementiem. Kā parādīts zemāk redzamajā attēlā, Fullerenes un oglekļa nanocaurules var uzskatīt par kaut kādā veidā sarullētām no viena grafēna slāņa, kuru sakrauj daudzi grafēna slāņi. Teorētiskie pētījumi par grafēna izmantošanu, lai aprakstītu dažādu oglekļa vienkāršu vielu (grafīta, oglekļa nanocaurules un grafēna) īpašības, ir ilgst gandrīz 60 gadus, taču parasti tiek uzskatīts, ka šādiem divdimensiju materiāliem ir grūti stabili pastāvēt atsevišķi, kas ir atsevišķi, Piestiprināts tikai ar trīsdimensiju substrāta virsmu vai iekšējām vielām, piemēram, grafītu. Tikai 2004. gadā Andrejs Geims un viņa students Konstantīns Novoselovs ar eksperimentu laikā no grafēna slāni no grafēna tika noņemts, kad grafēna pētījums sasniedza jaunu attīstību.
Gan Fullerene (pa kreisi), gan oglekļa nanocaurulīti (vidū) var uzskatīt par tādiem, kas kaut kādā veidā tiek sarullēti ar vienu grafēna slāni, savukārt grafītu (labajā pusē) sakrauj vairāki grafēna slāņi, savienojot van der Waals spēku.
Mūsdienās grafēnu var iegūt daudzos veidos, un dažādām metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi. Geims un Novoselovs vienkāršā veidā ieguva grafēnu. Izmantojot lielveikalos pieejamo caurspīdīgo lenti, no augstas kārtas pirolītiskā grafīta gabala noņēma grafēnu-grafīta lapu ar tikai vienu oglekļa atomu slāni. Tas ir ērti, bet vadāmība nav tik laba, un grafēns, kura izmērs ir mazāks par 100 mikroniem (vienu desmitdaļu no milimetra) var iegūt tikai tikai eksperimentos, bet to ir grūti izmantot praktiskam pieteikumi. Ķīmiskā tvaika nogulsnēšanās var audzēt grafēna paraugus ar desmitiem centimetru lielumu uz metāla virsmas. Lai arī laukums ar konsekventu orientāciju ir tikai 100 mikroni [3,4], tas ir bijis piemērots dažu lietojumprogrammu ražošanas vajadzībām. Vēl viena izplatīta metode ir silīcija karbīda (sic) kristāla karsēšana līdz vairāk nekā 1100 ℃ vakuumā, lai silīcija atomi netālu no virsmas iztvaikotu, un atlikušie oglekļa atomi tiek pārkārtoti, kas var arī iegūt grafēna paraugus ar labām īpašībām.
Grafēns ir jauns materiāls ar unikālām īpašībām: tā elektriskā vadītspēja ir tikpat lieliska kā varš, un tā siltumvadītspēja ir labāka nekā jebkurš zināmais materiāls. Tas ir ļoti caurspīdīgs. Grafēns absorbēs tikai nelielu daļu (2,3%) vertikālā krītošā redzamā 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. Tās unikālās elektriskās un optiskās īpašības nosaka, ka tai ir plašas lietojumprogrammu izredzes.
Lai arī grafēns ir parādījies tikai mazāk nekā desmit gadus, tas ir parādījis daudzus tehniskus pielietojumus, kas ir ļoti reti sastopami fizikas un materiālās zinātnes jomā. Vairāk nekā desmit gadi vai pat gadu desmiti prasa, lai vispārējie materiāli pārietu no laboratorijas uz reālo dzīvi. Kāda ir grafēna izmantošana? Apskatīsim divus piemērus.
Mīksts caurspīdīgs elektrods
Daudzās elektriskās ierīcēs kā elektrodi jāizmanto caurspīdīgi vadoši materiāli. Elektroniskie pulksteņi, kalkulatori, televizori, šķidrā kristāla displeji, skārienekrāni, saules paneļi un daudzas citas ierīces nevar atstāt caurspīdīgu elektrodu esamību. Tradicionālais caurspīdīgais elektrods izmanto indija alvas oksīdu (ITO). Sakarā ar augsto cenu un ierobežoto indija piegādi, materiāls ir trausls un elastības trūkums, un elektrods ir jāatstāj vakuuma vidējā slānī, un izmaksas ir salīdzinoši augstas. Ilgu laiku zinātnieki ir mēģinājuši atrast tā aizstājēju. Papildus caurspīdīguma, labas vadītspējas un vieglas sagatavošanas prasībām, ja paša materiāla elastība ir laba, tā būs piemērota “elektroniskā papīra” vai citu salokāmu displeja ierīču izgatavošanai. Tāpēc elastība ir arī ļoti svarīgs aspekts. Grafēns ir tāds materiāls, kas ir ļoti piemērots caurspīdīgiem elektrodiem.
Pētnieki no Samsung un Chengjunguan universitātes Dienvidkorejā ieguva grafēnu ar diagonālu garumu 30 collas ar ķīmisku tvaiku nogulsnēšanos un pārnesa to uz 188 mikronu biezu polietilēntereftalāta (PET) plēvi, lai iegūtu uz grafēna balstītu skārienekrānu [4]. Kā parādīts zemāk redzamajā attēlā, uz vara folijas audzētais grafēns vispirms tiek savienots ar termiskās noņemšanas lenti (zilā caurspīdīgā daļa), tad vara foliju izšķīdina ar ķīmisku metodi, un visbeidzot grafēns tiek pārnests uz mājdzīvnieka plēvi, sildot Apvidū
Jauns fotoelektriskās indukcijas aprīkojums
Grafēnam ir ļoti unikālas optiskās īpašības. Lai arī ir tikai viens atomu slānis, tas var absorbēt 2,3% no izstarotās gaismas visā viļņa garumā, sākot no redzamās gaismas līdz infrasarkanai. Šim skaitam nav nekā kopīga ar citiem grafēna materiāla parametriem, un to nosaka ar kvantu elektrodinamiku [6]. Absorbētā gaisma novedīs pie pārvadātāju (elektronu un caurumu) ģenerēšanas. Pārvadātāju ģenerēšana un pārvadāšana grafēnā ļoti atšķiras no tradicionālajiem pusvadītājiem. Tas padara grafēnu ļoti piemērotu īpaši ātru fotoelektrisko indukcijas aprīkojumam. Tiek lēsts, ka šāds fotoelektriskās indukcijas aprīkojums var darboties ar 500 GHz frekvenci. Ja to izmanto signāla pārraidei, tas var pārsūtīt 500 miljardus nulles vai tos sekundē un vienā sekundē pabeigt divu Blu Ray disku satura pārraidi.
Eksperti no IBM Thomas J. Watson pētījumu centra Amerikas Savienotajās Valstīs ir izmantojuši grafēnu, lai ražotu fotoelektriskās indukcijas ierīces, kas var darboties 10 GHz frekvencē [8]. Pirmkārt, grafēna pārslas tika sagatavotas uz silīcija substrāta, kas pārklāts ar 300 nm biezu silīcija dioksīdu, izmantojot “lentes noplēšanas metodi”, un pēc tam pallādija zelta vai titāna zelta elektrodus ar intervālu 1 mikrons un platums 250 nm. Tādā veidā tiek iegūta uz grafēnu balstīta fotoelektriskās indukcijas ierīce.
Grafēna fotoelektrisko indukcijas aprīkojuma un skenējošā elektronu mikroskopa (SEM) fotoattēlu shematiska diagramma. Melnā īsā līnija attēlā atbilst 5 mikroniem, un attālums starp metāla līnijām ir viens mikrons.
Through experiments, the researchers found that this metal graphene metal structure photoelectric induction device can reach the working frequency of 16ghz at most, and can work at high speed in the wavelength range from 300 nm (near ultraviolet) to 6 microns (infrared), while Tradicionālā fotoelektriskās indukcijas caurule nevar reaģēt uz infrasarkano gaismu ar garāku viļņa garumu. Grafēna fotoelektrisko indukcijas aprīkojuma darba biežumam joprojām ir lieliska vieta uzlabošanai. Tās augstākā veiktspēja padara to par plašu lietojumprogrammu perspektīvu klāstu, ieskaitot komunikāciju, tālvadības pulti un vides uzraudzību.
Kā jauns materiāls ar unikālām īpašībām, pētījums par grafēna pielietojumu parādās viens pēc otra. Mums ir grūti viņus uzskaitīt šeit. Nākotnē var būt lauka efekta caurules, kas izgatavotas no grafēna, molekulārie slēdži, kas izgatavoti no grafēna un molekulārie detektori, kas izgatavoti no grafēna ikdienas dzīvē… grafēns, kas pakāpeniski iznāk no laboratorijas, spīdēs ikdienas dzīvē.
Mēs varam sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē parādīsies liels skaits elektronisko produktu, izmantojot grafēnu. Padomājiet par to, cik interesanti būtu, ja mūsu viedtālruņus un netbooks varētu sarullēt, saspiest uz ausīm, pildīt mūsu kabatās vai ietīt ap plaukstas locītavām, kad to nelieto!
Pasta laiks: Mar-09-2022