Pada tahun 2010, Geim dan Novoselov memenangi Hadiah Nobel dalam fizik atas hasil kerja mereka mengenai grafena. Anugerah ini telah meninggalkan kesan yang mendalam kepada ramai orang. Lagipun, tidak semua alat eksperimen Hadiah Nobel adalah sebiasa pita pelekat, dan tidak semua objek penyelidikan adalah seajaib dan mudah difahami seperti grafena "kristal dua dimensi". Hasil kerja pada tahun 2004 boleh dianugerahkan pada tahun 2010, yang jarang berlaku dalam rekod Hadiah Nobel dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
Grafena ialah sejenis bahan yang terdiri daripada satu lapisan atom karbon yang tersusun rapat menjadi kekisi heksagon sarang lebah dua dimensi. Seperti berlian, grafit, fullerena, nanotube karbon dan karbon amorfus, ia merupakan bahan (bahan ringkas) yang terdiri daripada unsur karbon. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, fullerena dan nanotube karbon boleh dilihat seperti digulung dalam beberapa cara daripada satu lapisan grafen, yang disusun oleh banyak lapisan grafen. Penyelidikan teori mengenai penggunaan grafen untuk menggambarkan sifat-sifat pelbagai bahan ringkas karbon (grafit, nanotube karbon dan grafen) telah berlangsung selama hampir 60 tahun, tetapi secara amnya dipercayai bahawa bahan dua dimensi sedemikian sukar untuk wujud secara stabil bersendirian, hanya dilekatkan pada permukaan substrat tiga dimensi atau di dalam bahan seperti grafit. Hanya pada tahun 2004 Andre Geim dan pelajarnya Konstantin Novoselov menanggalkan satu lapisan grafen daripada grafit melalui eksperimen barulah penyelidikan mengenai grafen mencapai perkembangan baharu.
Kedua-dua fullerene (kiri) dan nanotube karbon (tengah) boleh dianggap digulung oleh satu lapisan grafena dalam beberapa cara, manakala grafit (kanan) disusun oleh berbilang lapisan grafena melalui sambungan daya van der Waals.
Pada masa kini, grafena boleh diperoleh dalam pelbagai cara, dan kaedah yang berbeza mempunyai kelebihan dan kekurangannya sendiri. Geim dan Novoselov memperoleh grafena dengan cara yang mudah. Menggunakan pita lutsinar yang terdapat di pasar raya, mereka menanggalkan grafena, kepingan grafit dengan hanya satu lapisan atom karbon setebal, daripada sekeping grafit pirolitik tertib tinggi. Ini mudah, tetapi kebolehkawalannya tidak begitu baik, dan grafena dengan saiz kurang daripada 100 mikron (satu persepuluh milimeter) hanya boleh diperoleh, yang boleh digunakan untuk eksperimen, tetapi sukar untuk digunakan untuk aplikasi praktikal. Pemendapan wap kimia boleh menumbuhkan sampel grafena dengan saiz puluhan sentimeter pada permukaan logam. Walaupun kawasan dengan orientasi yang konsisten hanya 100 mikron [3,4], ia telah sesuai untuk keperluan pengeluaran beberapa aplikasi. Kaedah biasa yang lain adalah memanaskan kristal silikon karbida (SIC) kepada lebih daripada 1100 ℃ dalam vakum, supaya atom silikon berhampiran permukaan tersejat, dan atom karbon yang tinggal disusun semula, yang juga boleh mendapatkan sampel grafena dengan sifat yang baik.
Grafena merupakan bahan baharu dengan sifat unik: kekonduksian elektriknya sama baiknya dengan kuprum, dan kekonduksian termanya lebih baik daripada mana-mana bahan yang diketahui. Ia sangat lutsinar. Hanya sebahagian kecil (2.3%) daripada cahaya nampak menegak yang akan diserap oleh grafena, dan kebanyakan cahaya akan melaluinya. Ia begitu tumpat sehingga atom helium (molekul gas terkecil) pun tidak dapat melaluinya. Sifat-sifat ajaib ini tidak diwarisi secara langsung daripada grafit, tetapi daripada mekanik kuantum. Sifat elektrik dan optiknya yang unik menentukan bahawa ia mempunyai prospek aplikasi yang luas.
Walaupun grafena hanya muncul selama kurang daripada sepuluh tahun, ia telah menunjukkan banyak aplikasi teknikal, yang sangat jarang berlaku dalam bidang fizik dan sains bahan. Bahan umum mengambil masa lebih daripada sepuluh tahun atau bahkan beberapa dekad untuk beralih dari makmal ke kehidupan sebenar. Apakah kegunaan grafena? Mari kita lihat dua contoh.
Elektrod lutsinar lembut
Dalam banyak peralatan elektrik, bahan konduktif lutsinar perlu digunakan sebagai elektrod. Jam tangan elektronik, kalkulator, televisyen, paparan kristal cecair, skrin sentuh, panel solar dan banyak peranti lain tidak boleh meninggalkan kewujudan elektrod lutsinar. Elektrod lutsinar tradisional menggunakan indium timah oksida (ITO). Disebabkan harga yang tinggi dan bekalan indium yang terhad, bahan tersebut rapuh dan kurang fleksibiliti, dan elektrod perlu dimendapkan di lapisan tengah vakum, dan kosnya agak tinggi. Untuk masa yang lama, saintis telah cuba mencari penggantinya. Selain keperluan ketelusan, kekonduksian yang baik dan penyediaan yang mudah, jika fleksibiliti bahan itu sendiri baik, ia akan sesuai untuk membuat "kertas elektronik" atau peranti paparan boleh lipat yang lain. Oleh itu, fleksibiliti juga merupakan aspek yang sangat penting. Grafena adalah bahan sedemikian, yang sangat sesuai untuk elektrod lutsinar.
Penyelidik dari Samsung dan Universiti Chengjunguan di Korea Selatan memperoleh grafena dengan panjang pepenjuru 30 inci melalui pemendapan wap kimia dan memindahkannya ke filem polietilena tereftalat (PET) setebal 188 mikron untuk menghasilkan skrin sentuh berasaskan grafena [4]. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, grafena yang tumbuh pada kerajang tembaga pertama kali dilekatkan dengan pita pelucutan haba (bahagian biru lutsinar), kemudian kerajang tembaga dilarutkan melalui kaedah kimia, dan akhirnya grafena dipindahkan ke filem PET melalui pemanasan.
Peralatan induksi fotoelektrik baharu
Grafena mempunyai sifat optik yang sangat unik. Walaupun hanya terdapat satu lapisan atom, ia boleh menyerap 2.3% cahaya yang dipancarkan dalam keseluruhan julat panjang gelombang daripada cahaya nampak hingga inframerah. Nombor ini tidak ada kena mengena dengan parameter bahan lain dalam grafen dan ditentukan oleh elektrodinamik kuantum [6]. Cahaya yang diserap akan membawa kepada penjanaan pembawa (elektron dan lubang). Penjanaan dan pengangkutan pembawa dalam grafen sangat berbeza daripada yang terdapat dalam semikonduktor tradisional. Ini menjadikan grafen sangat sesuai untuk peralatan induksi fotoelektrik ultra pantas. Dianggarkan bahawa peralatan induksi fotoelektrik sedemikian boleh berfungsi pada frekuensi 500ghz. Jika ia digunakan untuk penghantaran isyarat, ia boleh menghantar 500 bilion sifar atau satu sesaat, dan melengkapkan penghantaran kandungan dua cakera Blu-ray dalam satu saat.
Pakar dari Pusat Penyelidikan IBM Thomas J. Watson di Amerika Syarikat telah menggunakan grafena untuk mengeluarkan peranti aruhan fotoelektrik yang boleh berfungsi pada frekuensi 10GHz [8]. Pertama, kepingan grafena disediakan pada substrat silikon yang disalut dengan silika setebal 300 nm melalui "kaedah pengoyakan pita", dan kemudian elektrod emas paladium atau emas titanium dengan selang 1 mikron dan lebar 250 nm dibuat di atasnya. Dengan cara ini, peranti aruhan fotoelektrik berasaskan grafena diperoleh.
Gambarajah skematik peralatan aruhan fotoelektrik grafena dan gambar mikroskop elektron imbasan (SEM) sampel sebenar. Garis pendek hitam dalam rajah sepadan dengan 5 mikron, dan jarak antara garisan logam ialah satu mikron.
Melalui eksperimen, para penyelidik mendapati bahawa peranti aruhan fotoelektrik struktur logam grafena ini boleh mencapai frekuensi kerja paling tinggi 16ghz, dan boleh berfungsi pada kelajuan tinggi dalam julat panjang gelombang dari 300 nm (hampir ultraungu) hingga 6 mikron (inframerah), manakala tiub aruhan fotoelektrik tradisional tidak dapat bertindak balas terhadap cahaya inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Frekuensi kerja peralatan aruhan fotoelektrik grafena masih mempunyai ruang yang besar untuk penambahbaikan. Prestasi unggulnya menjadikannya mempunyai pelbagai prospek aplikasi, termasuk komunikasi, kawalan jauh dan pemantauan alam sekitar.
Sebagai bahan baharu dengan ciri-ciri unik, kajian tentang aplikasi grafena sedang muncul satu demi satu. Sukar untuk kita senaraikan di sini. Pada masa hadapan, mungkin terdapat tiub kesan medan yang diperbuat daripada grafena, suis molekul yang diperbuat daripada grafena dan pengesan molekul yang diperbuat daripada grafena dalam kehidupan seharian… Grafena yang secara beransur-ansur keluar dari makmal akan bersinar dalam kehidupan seharian.
Kita boleh menjangkakan bahawa sebilangan besar produk elektronik yang menggunakan graphene akan muncul dalam masa terdekat. Bayangkan betapa menariknya jika telefon pintar dan netbook kita boleh digulung, diapit di telinga, disumbat ke dalam poket atau dililit di pergelangan tangan apabila tidak digunakan!
Masa siaran: 9 Mac 2022