In 2010 het Geim en Novoselov die Nobelprys in fisika gewen vir hul werk oor grafeen.Hierdie toekenning het 'n diep indruk op baie mense gelaat.Na alles, nie elke Nobelprys eksperimentele instrument is so algemeen soos kleefband nie, en nie elke navorsingsvoorwerp is so magies en maklik om te verstaan soos "tweedimensionele kristal" grafeen.Die werk in 2004 kan in 2010 bekroon word, wat skaars is in die rekord van die Nobelprys die afgelope jare.
Grafeen is 'n soort stof wat bestaan uit 'n enkele laag koolstofatome wat nou gerangskik is in 'n tweedimensionele heuningkoek seskantige rooster.Soos diamant, grafiet, fullereen, koolstofnanobuise en amorfe koolstof, is dit 'n stof (eenvoudige stof) wat uit koolstofelemente bestaan.Soos in die figuur hieronder getoon, kan fullerene en koolstofnanobuise gesien word as op een of ander manier opgerol vanaf 'n enkele laag grafeen, wat deur baie lae grafeen gestapel word.Die teoretiese navorsing oor die gebruik van grafeen om die eienskappe van verskillende koolstof-eenvoudige stowwe (grafiet, koolstofnanobuise en grafeen) te beskryf, duur byna 60 jaar, maar daar word algemeen geglo dat sulke tweedimensionele materiale moeilik is om alleen stabiel te bestaan, slegs geheg aan die driedimensionele substraatoppervlak of binne stowwe soos grafiet.Eers in 2004 het Andre Geim en sy student Konstantin Novoselov 'n enkele laag grafeen van grafiet gestroop deur eksperimente dat die navorsing oor grafeen nuwe ontwikkeling bereik het.
Beide fullereen (links) en koolstofnanobuis (middel) kan op een of ander manier deur 'n enkele laag grafeen opgerol word, terwyl grafiet (regs) deur veelvuldige lae grafeen gestapel 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 bekom.Met deursigtige band wat in supermarkte beskikbaar is, het hulle grafeen, 'n grafietvel met net 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 toepassings.Chemiese dampneerslag kan grafeenmonsters met die grootte van tien sentimeters op die metaaloppervlak laat groei.Alhoewel die area met konsekwente oriëntasie slegs 100 mikron [3,4] is, was dit geskik vir die produksiebehoeftes van sommige toepassings.Nog 'n 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: sy elektriese geleidingsvermoë is so uitstekend soos koper, en sy termiese geleidingsvermoë is beter as enige bekende materiaal.Dit is baie deursigtig.Slegs 'n klein deel (2,3%) van die vertikale invallende sigbare lig sal deur grafeen geabsorbeer 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.Sy unieke elektriese en optiese eienskappe bepaal dat dit wye toepassingsvooruitsigte het.
Alhoewel grafeen net minder as tien jaar verskyn het, het dit baie tegniese toepassings getoon, wat baie skaars is in die velde van fisika en materiaalwetenskap.Dit neem meer as tien jaar of selfs dekades vir algemene materiaal om van laboratorium na werklike lewe te 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 kristalskerms, raakskerms, sonpanele en baie ander toestelle kan nie die bestaan van deursigtige elektrodes verlaat nie.Die tradisionele deursigtige elektrode gebruik indium tinoksied (ITO).As gevolg van die hoë prys en beperkte aanbod van indium, is die materiaal bros en 'n gebrek aan buigsaamheid, en die elektrode moet in die middelste laag van vakuum gedeponeer word, en die koste is relatief hoog.Vir 'n lang tyd het wetenskaplikes probeer om die plaasvervanger daarvan te vind.Benewens die vereistes van deursigtigheid, goeie geleidingsvermoë en maklike voorbereiding, as die buigsaamheid van die materiaal self goed is, sal dit geskik wees vir die maak van "elektroniese papier" of ander opvoubare vertoontoestelle.Daarom is buigsaamheid ook 'n baie belangrike aspek.Grafeen is so 'n materiaal wat baie geskik is vir deursigtige elektrodes.
Navorsers van Samsung en chengjunguan Universiteit in Suid-Korea het grafeen met 'n diagonale lengte van 30 duim deur chemiese dampneerlegging verkry en dit na 'n 188 mikron dik poliëtileentereftalaat (PET) film oorgedra om 'n grafeengebaseerde raakskerm te vervaardig [4].Soos in die figuur hieronder getoon, word die grafeen wat op die koperfoelie gekweek word eers met die termiese stropingsband (blou deursigtige deel) gebind, dan word die koperfoelie opgelos deur chemiese metode, en uiteindelik word die grafeen na die PET-film oorgedra deur verhitting .
Nuwe foto-elektriese induksie toerusting
Grafeen het baie unieke optiese eienskappe.Alhoewel daar net een laag atome is, kan dit 2,3% van die uitgestraalde lig absorbeer in die hele golflengtereeks van sigbare lig tot infrarooi.Hierdie getal het niks te doen met ander materiaalparameters van grafeen nie en word bepaal deur kwantumelektrodinamika [6].Die geabsorbeerde lig sal lei tot die opwekking van draers (elektrone en gate).Die generering en vervoer van draers in grafeen verskil baie van dié in tradisionele halfgeleiers.Dit maak grafeen baie geskik vir ultravinnige foto-elektriese induksietoerusting.Daar word beraam dat sulke foto-elektriese induksietoerusting teen die frekwensie van 500ghz kan werk.As dit vir seinoordrag gebruik word, kan dit 500 biljoen nulle of ene per sekonde uitstuur, en die oordrag van die inhoud van twee Blu-ray-skywe in een sekonde voltooi.
Kenners van IBM Thomas J. Watson Navorsingsentrum in die Verenigde State het grafeen gebruik om foto-elektriese induksietoestelle te vervaardig wat teen 10GHz frekwensie kan werk [8].Eerstens is grafeenvlokkies voorberei op 'n silikonsubstraat bedek met 300 nm dik silika deur middel van "tape tearing method", en daarna is palladiumgoud of titaniumgoudelektrodes met 'n interval van 1 mikron en 'n breedte van 250 nm daarop gemaak.Op hierdie manier word 'n grafeengebaseerde foto-elektriese induksietoestel verkry.
Skematiese diagram van grafeen foto-elektriese induksietoerusting en skandeerelektronmikroskoop (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 metaalgrafeen-metaalstruktuur foto-elektriese induksietoestel die werkfrekwensie van hoogstens 16ghz kan bereik, en teen hoë spoed in die golflengtereeks van 300 nm (naby ultraviolet) tot 6 mikron (infrarooi) kan werk, terwyl die tradisionele foto-elektriese induksiebuis kan nie reageer op infrarooi lig met langer golflengte nie.Die werkfrekwensie van grafeen foto-elektriese induksietoerusting het nog groot ruimte vir verbetering.Sy voortreflike werkverrigting maak dat dit 'n wye reeks toepassingsvooruitsigte het, insluitend kommunikasie, afstandbeheer en omgewingsmonitering.
As 'n nuwe materiaal met unieke eienskappe kom die navorsing oor die toepassing van grafeen een na die ander na vore.Dit is vir ons moeilik om hulle hier op te som.In die toekoms kan daar veldeffekbuise van grafeen wees, molekulêre skakelaars gemaak van grafeen en molekulêre detektors gemaak 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 grafeen gebruik in die nabye toekoms sal verskyn.Dink aan hoe interessant dit sou wees as ons slimfone en netboeke opgerol, aan ons ore vasgeklem, in ons sakke gestop of om ons polse gedraai kan word wanneer dit nie gebruik word nie!
Postyd: Mrt-09-2022