Pada tahun 2010, Geim dan Novoselov memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik untuk kerja mereka di Graphene. Anugerah ini telah memberi kesan yang mendalam kepada ramai orang. Lagipun, tidak setiap alat eksperimen Hadiah Nobel adalah sama seperti pita pelekat, dan tidak setiap objek penyelidikan adalah ajaib dan mudah difahami sebagai graphene "kristal dua dimensi". Kerja pada tahun 2004 boleh diberikan pada tahun 2010, yang jarang berlaku dalam rekod Hadiah Nobel dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
Graphene adalah sejenis bahan yang terdiri daripada satu lapisan atom karbon yang diatur rapat ke dalam kekisi heksagon sarang lebah dua dimensi. Seperti berlian, grafit, fullerene, nanotube karbon dan karbon amorf, ia adalah bahan (bahan mudah) yang terdiri daripada elemen karbon. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, fullerenes dan nanotube karbon dapat dilihat sebagai dilancarkan dalam beberapa cara dari satu lapisan graphene, yang disusun oleh banyak lapisan graphene. Penyelidikan teoretikal mengenai penggunaan graphene untuk menggambarkan sifat-sifat pelbagai bahan mudah karbon (grafit, nanotube karbon dan graphene) telah berlangsung selama hampir 60 tahun, tetapi secara amnya dipercayai bahawa bahan-bahan dua dimensi yang sukar untuk stabil sahaja, Hanya dilampirkan pada permukaan substrat tiga dimensi atau bahan di dalam seperti grafit. Tidak sampai tahun 2004 bahawa Andre Geim dan pelajarnya Konstantin Novoselov melucutkan satu lapisan graphene dari grafit melalui eksperimen yang penyelidikan mengenai graphene mencapai perkembangan baru.
Kedua -dua fullerene (kiri) dan nanotube karbon (tengah) boleh dianggap sebagai dilancarkan oleh satu lapisan graphene dalam beberapa cara, manakala grafit (kanan) disusun oleh pelbagai lapisan graphene melalui sambungan daya van der Waals.
Pada masa kini, graphene boleh diperolehi dalam pelbagai cara, dan kaedah yang berbeza mempunyai kelebihan dan kekurangan mereka sendiri. Geim dan Novoselov memperoleh graphene dengan cara yang mudah. Menggunakan pita telus yang terdapat di pasar raya, mereka dilucutkan graphene, lembaran grafit dengan hanya satu lapisan atom karbon tebal, dari sekeping grafit pyrolytic pesanan tinggi. Ini mudah, tetapi kawalannya tidak begitu baik, dan graphene dengan saiz kurang daripada 100 mikron (sepersepuluh milimeter) hanya boleh diperolehi, yang boleh digunakan untuk eksperimen, tetapi sukar untuk digunakan untuk praktikal aplikasi. Pemendapan wap kimia boleh tumbuh sampel graphene dengan saiz puluhan sentimeter pada permukaan logam. Walaupun kawasan dengan orientasi yang konsisten hanya 100 mikron [3,4], ia sesuai untuk keperluan pengeluaran beberapa aplikasi. Satu lagi kaedah yang biasa ialah memanaskan kristal karbida (sic) silikon ke lebih daripada 1100 ℃ dalam vakum, supaya atom silikon berhampiran permukaan menguap, dan atom karbon yang tersisa disusun semula, yang juga boleh mendapatkan sampel graphene dengan sifat yang baik.
Graphene adalah bahan baru dengan sifat unik: kekonduksian elektriknya adalah sangat baik seperti tembaga, dan kekonduksian terma lebih baik daripada bahan yang diketahui. Ia sangat telus. Hanya sebahagian kecil (2.3%) cahaya yang kelihatan menegak akan diserap oleh graphene, dan kebanyakan cahaya akan melalui. Ia sangat padat sehingga atom helium (molekul gas terkecil) tidak dapat dilalui. Ciri -ciri ajaib ini tidak diwarisi secara langsung dari grafit, tetapi dari mekanik kuantum. Ciri -ciri elektrik dan optik yang unik menentukan bahawa ia mempunyai prospek aplikasi yang luas.
Walaupun graphene hanya muncul selama kurang dari sepuluh tahun, ia telah menunjukkan banyak aplikasi teknikal, yang sangat jarang berlaku dalam bidang fizik dan sains bahan. Ia mengambil masa lebih dari sepuluh tahun atau bahkan dekad untuk bahan umum untuk bergerak dari makmal ke kehidupan sebenar. Apa gunanya graphene? Mari lihat dua contoh.
Elektrod telus lembut
Dalam banyak peralatan elektrik, bahan konduktif telus perlu digunakan sebagai elektrod. Jam tangan elektronik, kalkulator, televisyen, paparan kristal cecair, skrin sentuh, panel solar dan banyak peranti lain tidak dapat meninggalkan kewujudan elektrod telus. Elektrod telus tradisional menggunakan indium tim oksida (ITO). Oleh kerana harga yang tinggi dan bekalan indium terhad, bahan itu rapuh dan kekurangan fleksibiliti, dan elektrod perlu disimpan di lapisan tengah vakum, dan kosnya agak tinggi. Untuk masa yang lama, saintis telah cuba mencari pengganti. Sebagai tambahan kepada keperluan ketelusan, kekonduksian yang baik dan penyediaan mudah, jika fleksibiliti bahan itu sendiri baik, ia akan sesuai untuk membuat "kertas elektronik" atau peranti paparan lain yang boleh dilipat. Oleh itu, fleksibiliti juga merupakan aspek yang sangat penting. Graphene adalah bahan sedemikian, yang sangat sesuai untuk elektrod telus.
Penyelidik dari Universiti Samsung dan Chengjunguan di Korea Selatan memperoleh graphene dengan panjang pepenjuru 30 inci oleh pemendapan wap kimia dan memindahkannya ke filem polietilena tebal 188 mikron terephthalate (PET) untuk menghasilkan skrin sentuhan berasaskan graphene [4]. Seperti yang ditunjukkan dalam angka di bawah, graphene yang ditanam pada foil tembaga pertama kali terikat dengan pita pelucutan terma (bahagian telus biru), maka foil tembaga dibubarkan oleh kaedah kimia, dan akhirnya graphene dipindahkan ke filem haiwan kesayangan dengan pemanasan .
Peralatan induksi fotoelektrik baru
Graphene mempunyai sifat optik yang sangat unik. Walaupun terdapat hanya satu lapisan atom, ia dapat menyerap 2.3% cahaya yang dipancarkan di seluruh panjang gelombang dari cahaya yang kelihatan hingga inframerah. Nombor ini tidak ada kaitan dengan parameter bahan graphene yang lain dan ditentukan oleh elektrodinamik kuantum [6]. Cahaya yang diserap akan membawa kepada penjanaan pembawa (elektron dan lubang). Penjanaan dan pengangkutan pembawa dalam graphene sangat berbeza daripada mereka yang berada dalam semikonduktor tradisional. Ini menjadikan graphene sangat sesuai untuk peralatan induksi fotoelektrik ultrafast. Dianggarkan bahawa peralatan induksi fotoelektrik sedemikian boleh berfungsi pada kekerapan 500GHz. Jika ia digunakan untuk penghantaran isyarat, ia boleh menghantar 500 bilion sifar atau yang sesaat, dan melengkapkan penghantaran kandungan dua cakera ray blu dalam satu saat.
Pakar dari IBM Thomas J. Watson Research Centre di Amerika Syarikat telah menggunakan graphene untuk mengeluarkan peranti induksi fotoelektrik yang boleh berfungsi pada kekerapan 10GHz [8]. Pertama, serpihan graphene disediakan pada substrat silikon yang ditutup dengan silika tebal 300 nm dengan "kaedah pemotongan pita", dan kemudian elektrod emas atau elektrod emas titanium dengan selang 1 mikron dan lebar 250 nm dibuat di atasnya. Dengan cara ini, peranti induksi fotoelektrik berasaskan graphene diperolehi.
Gambarajah skematik peralatan induksi fotoelektrik graphene dan pengimbasan mikroskop elektron (SEM) gambar sampel sebenar. Garis pendek hitam dalam angka sepadan dengan 5 mikron, dan jarak antara garis logam adalah satu mikron.
Melalui eksperimen, para penyelidik mendapati bahawa peranti induksi fotoelektrik logam logam ini dapat mencapai kekerapan kerja 16GHz paling banyak, dan boleh berfungsi pada kelajuan tinggi dalam jarak panjang gelombang dari 300 nm (berhampiran ultraviolet) hingga 6 mikron (inframerah), sementara Tiub induksi fotoelektrik tradisional tidak dapat bertindak balas terhadap cahaya inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Kekerapan kerja peralatan induksi fotoelektrik graphene masih mempunyai ruang yang besar untuk penambahbaikan. Prestasi unggulnya menjadikannya mempunyai pelbagai prospek aplikasi, termasuk komunikasi, kawalan jauh dan pemantauan alam sekitar.
Sebagai bahan baru dengan sifat unik, penyelidikan mengenai aplikasi graphene muncul satu demi satu. Adalah sukar bagi kita untuk menghitung mereka di sini. Pada masa akan datang, mungkin terdapat tiub kesan medan yang diperbuat daripada graphene, suis molekul yang diperbuat daripada graphene dan pengesan molekul yang diperbuat daripada graphene dalam kehidupan seharian ... graphene yang secara beransur -ansur keluar dari makmal akan bersinar dalam kehidupan seharian.
Kita boleh menjangkakan bahawa sebilangan besar produk elektronik menggunakan graphene akan muncul dalam masa terdekat. Fikirkan betapa menariknya jika telefon pintar dan netbook kami dapat digulung, diapit di telinga kami, disumbat di dalam kantong kami, atau dibalut pergelangan tangan kami apabila tidak digunakan!
Masa Post: Mar-09-2022