In 2010 het Geim en Novoselov die Nobelprys vir fisika gewen vir hul werk aan grafeen. Hierdie toekenning het 'n diep indruk op baie mense gelaat. Per slot van rekening is nie elke Nobelprys-eksperimentele instrument so algemeen soos kleefband nie, en nie elke navorsingsvoorwerp is net so magies en maklik om te verstaan as 'tweedimensionele kristal' grafeen nie. Die werk in 2004 kan in 2010 toegeken word, wat die afgelope paar jaar skaars is in die rekord van die Nobelprys.
Grafeen is 'n soort stof wat bestaan uit 'n enkele laag koolstofatome wat nou in 'n tweedimensionele heuningkoek-seskantige rooster gerangskik is. Soos diamant, grafiet, fullerene, koolstof nanobuise en amorfe koolstof, is dit 'n stof (eenvoudige stof) wat bestaan uit koolstofelemente. Soos getoon in die onderstaande figuur, kan Fullerenes en koolstofnanobuise gesien word as op 'n manier opgerol van 'n enkele laag grafeen, wat deur baie lae grafeen opgestapel word. Die teoretiese navorsing oor die gebruik van grafeen om die eienskappe van verskillende koolstof-eenvoudige stowwe (grafiet, koolstofnanobuise en grafeen) te beskryf, duur al byna 60 jaar, maar daar word algemeen geglo dat sulke tweedimensionele materiale moeilik bestaan om alleen te bestaan, alleen bestaan, bestaan Slegs aan die driedimensionele substraatoppervlak of binne-stowwe soos grafiet geheg. Dit was eers in 2004 dat Andre Geim en sy student Konstantin Novoselov 'n enkele laag grafeen van grafiet gestroop het deur eksperimente wat die navorsing oor grafeen nuwe ontwikkeling bereik het.
Beide fullerene (links) en koolstof nanobuis (middel) kan op een of ander manier deur 'n enkele laag grafeen opgerol word, terwyl grafiet (regs) deur verskeie lae grafeen opgestapel word deur die verbinding van van der Waals -krag.
Deesdae kan grafeen op baie maniere verkry word, en verskillende metodes het hul eie voor- en nadele. Geim en Novoselov het grafeen op 'n eenvoudige manier verkry. Met behulp van deursigtige band wat in supermarkte beskikbaar is, het hulle grafeen, 'n grafietplaat met slegs een laag koolstofatome dik, van 'n stuk hoë-orde pirolitiese grafiet gestroop. Dit is gerieflik, maar die beheerbaarheid is nie so goed nie, en grafeen met 'n grootte van minder as 100 mikron (een tiende van 'n millimeter) kan slegs verkry word, wat vir eksperimente gebruik kan word, maar dit is moeilik om vir prakties gebruik te word aansoeke. Chemiese dampafsetting kan grafeenmonsters kweek met die grootte van tien sentimeter op die metaaloppervlak. Alhoewel die gebied met konsekwente oriëntasie slegs 100 mikron [3,4] is, was dit geskik vir die produksiebehoeftes van sommige toepassings. 'N Ander algemene metode is om die silikonkarbied (sic) kristal tot meer as 1100 ℃ in vakuum te verhit, sodat die silikonatome naby die oppervlak verdamp, en die oorblywende koolstofatome herrangskik word, wat ook grafeenmonsters met goeie eienskappe kan verkry.
Grafeen is 'n nuwe materiaal met unieke eienskappe: die elektriese geleidingsvermoë daarvan is net so uitstekend soos koper, en die termiese geleidingsvermoë daarvan is beter as enige bekende materiaal. Dit is baie deursigtig. Slegs 'n klein deel (2,3%) van die vertikale voorval sigbare lig sal deur grafeen opgeneem word, en die meeste van die lig sal deurgaan. Dit is so dig dat selfs heliumatome (die kleinste gasmolekules) nie kan deurgaan nie. Hierdie magiese eienskappe word nie direk van grafiet geërf nie, maar van kwantummeganika. Die unieke elektriese en optiese eienskappe bepaal dat dit breë toepassingsvooruitsigte het.
Alhoewel grafeen slegs minder as tien jaar verskyn het, het dit baie tegniese toepassings getoon, wat baie skaars is op die gebied van fisika en materiële wetenskap. Dit neem meer as tien jaar of selfs dekades voordat algemene materiale van laboratorium na die werklike lewe beweeg. Wat is die nut van grafeen? Kom ons kyk na twee voorbeelde.
Sagte deursigtige elektrode
In baie elektriese toestelle moet deursigtige geleidende materiale as elektrodes gebruik word. Elektroniese horlosies, sakrekenaars, televisies, vloeibare kristalvertonings, aanraakskerms, sonpanele en baie ander toestelle kan nie die bestaan van deursigtige elektrodes verlaat nie. Die tradisionele deursigtige elektrode gebruik Indium Tin Oxide (ITO). As gevolg van die hoë prys en beperkte indiumaanbod, is die materiaal bros en 'n gebrek aan buigsaamheid, en die elektrode moet in die middelste vakuumlaag neergesit word, en die koste is relatief hoog. Wetenskaplikes probeer al lank die plaasvervanger vind. Benewens die vereistes van deursigtigheid, goeie geleidingsvermoë en maklike voorbereiding, as die buigsaamheid van die materiaal self goed is, sal dit geskik wees om 'elektroniese papier' of ander opvoubare vertoontoestelle te maak. Daarom is buigsaamheid ook 'n baie belangrike aspek. Grafeen is so 'n materiaal wat baie geskik is vir deursigtige elektrodes.
Navorsers van die Samsung en Chengjunguan Universiteit in Suid -Korea het grafeen met 'n skuins lengte van 30 duim verkry deur chemiese dampneerslag en dit oorgedra na 'n 188 mikron dik poliëtileentereftalaat (PET) film om 'n grafeengebaseerde aanraakskerm te produseer [4]. Soos getoon in die onderstaande figuur, word die grafeen wat op die koperfoelie gekweek word, eers met die termiese stroopband (blou deursigtige deel) gebind, dan word die koperfoelie volgens die chemiese metode opgelos, en uiteindelik word die grafeen na die PET -film oorgedra deur te verhit .
Nuwe foto -elektriese induksietoerusting
Grafeen het baie unieke optiese eienskappe. Alhoewel daar slegs een laag atome is, kan dit 2,3% van die vrygestelde lig in die hele golflengte opneem, wissel van sigbare lig tot infrarooi. Hierdie nommer het niks met ander materiaalparameters van grafeen te doen nie en word bepaal deur kwantumelektrodinamika [6]. Die geabsorbeerde lig sal lei tot die opwekking van draers (elektrone en gate). Die opwekking en vervoer van draers in grafeen verskil baie van dié in tradisionele halfgeleiers. Dit maak grafeen baie geskik vir ultra -vinnige foto -elektriese induksietoerusting. Na raming kan sulke foto -elektriese induksietoerusting op die frekwensie van 500 GHz werk. As dit vir seintransmissie gebruik word, kan dit 500 miljard nulle of per sekonde oordra en die oordrag van die inhoud van twee Blu -straalskyfies binne een sekonde voltooi.
Kenners van IBM Thomas J. Watson Research Centre in die Verenigde State het grafeen gebruik om foto -elektriese induksietoestelle te vervaardig wat teen 10 GHz frekwensie kan werk [8]. Eerstens is grafeenvlokkies berei op 'n silikon -substraat bedek met 300 nm dik silika deur 'bandskeuringsmetode', en dan palladiumgoud of titaniumgoudelektrodes met 'n interval van 1 mikron en 'n breedte van 250 nm daarop. Op hierdie manier word 'n grafeen -gebaseerde foto -elektriese induksietoestel verkry.
Skematiese diagram van grafeenfoto -elektriese induksietoerusting en skande -elektronmikroskoop (SEM) foto's van werklike monsters. Die swart kort lyn in die figuur stem ooreen met 5 mikron, en die afstand tussen metaallyne is een mikron.
Deur eksperimente het die navorsers bevind dat hierdie metaal -elektriese induksietoestel van die metaalgrafeenmetaal hoogstens die werkfrekwensie van 16GHz kan bereik, en dat dit teen 'n hoë snelheid kan werk in die golflengte -reeks van 300 nm (naby ultraviolet) tot 6 mikron (infrarooi), terwyl Die tradisionele foto -elektriese induksiebuis kan nie met langer golflengte op infrarooi lig reageer nie. Die werkfrekwensie van grafeenfoto -elektriese induksietoerusting het nog steeds 'n uitstekende ruimte vir verbetering. Die voortreflike prestasie daarvan maak dat dit 'n wye verskeidenheid toepassingsvooruitsigte het, insluitend kommunikasie, afstandbeheer en omgewingsmonitering.
As 'n nuwe materiaal met unieke eienskappe, verskyn die navorsing oor die toepassing van grafeen die een na die ander. Dit is vir ons moeilik om hulle hier op te tel. In die toekoms kan daar veldeffekbuise wees van grafeen, molekulêre skakelaars van grafeen en molekulêre detektors van grafeen in die daaglikse lewe ... grafeen wat geleidelik uit die laboratorium kom, sal in die daaglikse lewe skyn.
Ons kan verwag dat 'n groot aantal elektroniese produkte wat met grafeen gebruik word, in die nabye toekoms sal verskyn. Dink aan hoe interessant dit sou wees as ons slimfone en netbooks opgerol kan word, op ons ore vasgeklem, in ons sakke gevul is, of om ons polse toegedraai kan word as dit nie gebruik word nie!
Postyd: Mar-09-2022