Pada tahun 2010, Geim dan Novoselov memenangi Hadiah Nobel dalam fizik untuk kerja mereka pada graphene.Anugerah ini telah meninggalkan kesan mendalam kepada ramai orang.Lagipun, bukan setiap alat eksperimen Hadiah Nobel adalah biasa seperti pita pelekat, dan tidak setiap objek penyelidikan adalah ajaib dan mudah difahami sebagai graphene "kristal dua dimensi".Karya pada tahun 2004 boleh dianugerahkan pada tahun 2010, yang jarang berlaku dalam rekod Hadiah Nobel dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
Graphene ialah sejenis bahan yang terdiri daripada satu lapisan atom karbon yang disusun rapat menjadi kekisi heksagon sarang lebah dua dimensi.Seperti berlian, grafit, fullerene, karbon nanotube dan karbon amorf, ia adalah bahan (bahan mudah) yang terdiri daripada unsur karbon.Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, fullerene dan nanotube karbon boleh dilihat sebagai digulung dalam beberapa cara daripada satu lapisan graphene, yang disusun oleh banyak lapisan graphene.Penyelidikan teori tentang penggunaan graphene untuk menerangkan sifat pelbagai bahan mudah karbon (grafit, tiub nano karbon dan graphene) telah berlangsung selama hampir 60 tahun, tetapi secara amnya dipercayai bahawa bahan dua dimensi sedemikian sukar untuk wujud secara stabil secara bersendirian, hanya melekat pada permukaan substrat tiga dimensi atau dalam bahan seperti grafit.Hanya pada tahun 2004 Andre Geim dan pelajarnya Konstantin Novoselov menanggalkan satu lapisan graphene daripada grafit melalui eksperimen bahawa penyelidikan mengenai graphene mencapai perkembangan baharu.
Kedua-dua fullerene (kiri) dan nanotube karbon (tengah) boleh dianggap sebagai digulung oleh satu lapisan graphene dalam beberapa cara, manakala grafit (kanan) disusun oleh berbilang 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 lutsinar yang terdapat di pasar raya, mereka menanggalkan graphene, lembaran grafit dengan hanya satu lapisan atom karbon tebal, daripada sekeping grafit pirolitik tertib tinggi.Ini mudah, tetapi kebolehkawalannya tidak begitu baik, dan graphene dengan saiz kurang daripada 100 mikron (satu persepuluh milimeter) hanya boleh diperoleh, yang boleh digunakan untuk eksperimen, tetapi sukar untuk digunakan untuk praktikal. aplikasi.Pemendapan wap kimia boleh menumbuhkan sampel graphene dengan saiz berpuluh-puluh sentimeter pada permukaan logam.Walaupun kawasan dengan orientasi yang konsisten hanya 100 mikron [3,4], ia telah sesuai untuk keperluan pengeluaran beberapa aplikasi.Satu lagi kaedah biasa ialah memanaskan kristal silikon karbida (SIC) kepada lebih daripada 1100 ℃ dalam vakum, supaya atom silikon berhampiran permukaan menguap, dan atom karbon yang tinggal disusun semula, yang juga boleh mendapatkan sampel graphene dengan sifat yang baik.
Graphene ialah bahan baharu dengan sifat unik: kekonduksian elektriknya adalah sangat baik seperti tembaga, dan kekonduksian termanya lebih baik daripada bahan yang diketahui.Ia sangat telus.Hanya sebahagian kecil (2.3%) cahaya boleh dilihat kejadian menegak akan diserap oleh graphene, dan kebanyakan cahaya akan melaluinya.Ia sangat padat sehinggakan walaupun atom helium (molekul gas terkecil) tidak dapat melaluinya.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 graphene hanya muncul kurang daripada sepuluh tahun, ia telah menunjukkan banyak aplikasi teknikal, yang sangat jarang berlaku dalam bidang fizik dan sains bahan.Ia mengambil masa lebih daripada sepuluh tahun atau bahkan beberapa dekad untuk bahan am untuk bergerak dari makmal ke kehidupan sebenar.Apakah kegunaan graphene?Mari kita lihat dua contoh.
Elektrod telus lembut
Dalam kebanyakan peralatan elektrik, bahan pengalir 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 tin oksida (ITO).Oleh kerana harga yang tinggi dan bekalan indium yang terhad, bahan itu rapuh dan kekurangan fleksibiliti, dan elektrod perlu didepositkan di lapisan tengah vakum, dan kosnya agak tinggi.Untuk masa yang lama, saintis telah cuba mencari penggantinya.Sebagai tambahan kepada keperluan ketelusan, kekonduksian yang baik dan penyediaan yang mudah, jika fleksibiliti bahan itu sendiri adalah baik, ia akan sesuai untuk membuat "kertas elektronik" atau peranti paparan boleh lipat lain.Oleh itu, fleksibiliti juga merupakan aspek yang sangat penting.Graphene adalah bahan sedemikian, yang sangat sesuai untuk elektrod telus.
Penyelidik dari Samsung dan Universiti chengjunguan di Korea Selatan memperoleh graphene dengan panjang pepenjuru 30 inci dengan pemendapan wap kimia dan memindahkannya ke filem polietilena tereftalat (PET) tebal 188 mikron untuk menghasilkan skrin sentuh berasaskan graphene [4].Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, graphene yang ditanam pada kerajang tembaga mula-mula diikat dengan pita pelucutan haba (bahagian telus biru), kemudian kerajang kuprum dibubarkan dengan kaedah kimia, dan akhirnya graphene dipindahkan ke filem PET dengan memanaskan. .
Peralatan aruhan fotoelektrik baharu
Graphene mempunyai sifat optik yang sangat unik.Walaupun hanya terdapat satu lapisan atom, ia boleh menyerap 2.3% cahaya yang dipancarkan dalam julat panjang gelombang keseluruhan daripada cahaya boleh dilihat kepada inframerah.Nombor ini tiada kaitan dengan parameter bahan lain graphene 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 yang terdapat dalam semikonduktor tradisional.Ini menjadikan graphene sangat sesuai untuk peralatan aruhan fotoelektrik ultrafast.Dianggarkan bahawa peralatan aruhan fotoelektrik tersebut 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 sinar Blu dalam satu saat.
Pakar dari Pusat Penyelidikan IBM Thomas J. Watson di Amerika Syarikat telah menggunakan graphene untuk mengeluarkan peranti aruhan fotoelektrik yang boleh berfungsi pada frekuensi 10GHz [8].Pertama, kepingan graphene disediakan pada substrat silikon yang ditutup dengan silika tebal 300 nm dengan "kaedah koyak pita", dan kemudian elektrod emas paladium atau titanium dengan selang 1 mikron dan lebar 250 nm dibuat di atasnya.Dengan cara ini, peranti aruhan fotoelektrik berasaskan graphene diperolehi.
Gambarajah skematik peralatan aruhan fotoelektrik graphene dan gambar mikroskop elektron imbasan (SEM) sampel sebenar.Garis pendek hitam dalam rajah sepadan dengan 5 mikron, dan jarak antara garis logam ialah satu mikron.
Melalui eksperimen, penyelidik mendapati bahawa peranti aruhan fotoelektrik struktur logam graphene logam ini boleh mencapai frekuensi kerja paling banyak 16ghz, dan boleh berfungsi pada kelajuan tinggi dalam julat panjang gelombang dari 300 nm (berhampiran ultraviolet) hingga 6 mikron (inframerah), manakala tiub aruhan fotoelektrik tradisional tidak boleh bertindak balas kepada cahaya inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang.Kekerapan kerja peralatan aruhan fotoelektrik graphene masih mempunyai ruang yang besar untuk penambahbaikan.Prestasi unggul menjadikan ia mempunyai pelbagai prospek aplikasi, termasuk komunikasi, alat kawalan jauh dan pemantauan alam sekitar.
Sebagai bahan baharu dengan sifat unik, penyelidikan mengenai aplikasi graphene muncul satu demi satu.Sukar untuk kita menghitung mereka di sini.Pada masa hadapan, 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 keluar secara beransur-ansur dari makmal akan bersinar dalam kehidupan seharian.
Kita boleh menjangkakan bahawa sejumlah besar produk elektronik menggunakan graphene akan muncul dalam masa terdekat.Fikirkan betapa menariknya jika telefon pintar dan netbook kita boleh digulung, diikat pada telinga kita, disumbat ke dalam poket kita atau dililitkan pada pergelangan tangan kita apabila tidak digunakan!
Masa siaran: Mac-09-2022