Yn 2010 wûnen Geim en Novoselov de Nobelpriis foar natuerkunde foar harren wurk oan grafeen. Dizze priis hat in djippe yndruk efterlitten op in protte minsken. Net elk eksperiminteel ark fan 'e Nobelpriis is ommers sa gewoan as plakband, en net elk ûndersyksobjekt is sa magysk en maklik te begripen as "twa-diminsjonaal kristal" grafeen. It wurk yn 2004 kin yn 2010 útrikt wurde, wat seldsum is yn it rekord fan 'e Nobelpriis yn 'e lêste jierren.
Grafeen is in soarte stof dy't bestiet út in inkele laach koalstofatomen dy't ticht byinoar lizze yn in twadiminsjonaal huningraat hexagonaal rooster. Lykas diamant, grafyt, fullereen, koalstofnanobuizen en amorfe koalstof, is it in stof (ienfâldige stof) gearstald út koalstofeleminten. Lykas te sjen is yn 'e ûndersteande figuer, kinne fullerenen en koalstofnanobuizen sjoen wurde as op ien of oare manier oprôle út in inkele laach grafeen, dy't op in protte lagen grafeen opsteapele is. It teoretysk ûndersyk nei it gebrûk fan grafeen om de eigenskippen fan ferskate ienfâldige koalstofstoffen (grafyt, koalstofnanobuizen en grafeen) te beskriuwen hat hast 60 jier duorre, mar it wurdt algemien leaud dat sokke twadiminsjonale materialen lestich binne om stabyl allinnich te bestean, allinich befestige oan it trijediminsjonale substraatoerflak of binnen stoffen lykas grafyt. It wie pas yn 2004 dat Andre Geim en syn studint Konstantin Novoselov in inkele laach grafeen fan grafyt stripten troch eksperiminten dat it ûndersyk nei grafeen nije ûntwikkeling berikte.
Sawol fullereen (lofts) as koalstofnanobuis (midden) kinne beskôge wurde as op ien of oare manier oprôle troch ien laach grafeen, wylst grafyt (rjochts) steapele is troch meardere lagen grafeen troch de ferbining fan van der Waals-krêft.
Tsjintwurdich kin grafeen op in protte manieren krigen wurde, en ferskate metoaden hawwe har eigen foar- en neidielen. Geim en Novoselov krigen grafeen op in ienfâldige manier. Mei transparante tape dy't te krijen is yn supermerken, stripten se grafeen, in grafytblêd mei mar ien laach koalstofatomen dik, fan in stik hege-oarder pyrolytyske grafyt. Dit is handich, mar de kontrôleerberens is net sa goed, en grafeen mei in grutte fan minder as 100 mikron (ien tsiende fan in millimeter) kin allinich krigen wurde, dat brûkt wurde kin foar eksperiminten, mar it is lestich te brûken foar praktyske tapassingen. Gemyske dampôfsetting kin grafeenmonsters mei in grutte fan tsientallen sintimeter op it metaaloerflak groeie litte. Hoewol it gebiet mei konsekwinte oriïntaasje mar 100 mikron is [3,4], is it geskikt west foar de produksjebehoeften fan guon tapassingen. In oare mienskiplike metoade is om it silisiumkarbide (SIC) kristal te ferwaarmjen ta mear as 1100 ℃ yn fakuüm, sadat de silisiumatomen tichtby it oerflak ferdampe, en de oerbleaune koalstofatomen opnij rangearre wurde, wat ek grafeenmonsters mei goede eigenskippen kin krije.
Grafeen is in nij materiaal mei unike eigenskippen: syn elektryske geliedingsfermogen is like poerbêst as koper, en syn termyske geliedingsfermogen is better as elk bekend materiaal. It is tige transparant. Allinnich in lyts part (2,3%) fan it fertikale ynfallende sichtbere ljocht sil troch grafeen opnommen wurde, en it measte ljocht sil der trochhinne gean. It is sa ticht dat sels heliumatomen (de lytste gasmolekulen) der net trochhinne kinne. Dizze magyske eigenskippen binne net direkt oerurven fan grafyt, mar fan kwantummeganika. Syn unike elektryske en optyske eigenskippen bepale dat it brede tapassingsperspektiven hat.
Hoewol grafeen mar minder as tsien jier ferskynt, hat it in protte technyske tapassingen sjen litten, wat tige seldsum is op it mêd fan natuerkunde en materiaalkunde. It duorret mear as tsien jier of sels desennia foar algemiene materialen om fan it laboratoarium nei it echte libben te gean. Wat is it nut fan grafeen? Litte wy nei twa foarbylden sjen.
Sêfte transparante elektrode
Yn in protte elektryske apparaten moatte transparante geliedende materialen brûkt wurde as elektroden. Elektroanyske horloazjes, rekkenmasines, televyzjes, LCD-displays, touchscreens, sinnepanielen en in protte oare apparaten kinne it bestean fan transparante elektroden net misse. De tradisjonele transparante elektrode brûkt indium-tin-okside (ITO). Fanwegen de hege priis en beheinde oanfier fan indium is it materiaal bros en hat it gjin fleksibiliteit, en de elektrode moat yn 'e middelste laach fan fakuüm ôfset wurde, en de kosten binne relatyf heech. Wittenskippers hawwe al in lange tiid besocht in ferfanging te finen. Neist de easken fan transparânsje, goede gelieding en maklike tarieding, as de fleksibiliteit fan it materiaal sels goed is, sil it geskikt wêze foar it meitsjen fan "elektroanysk papier" of oare opklapbere display-apparaten. Dêrom is fleksibiliteit ek in heul wichtich aspekt. Grafeen is sa'n materiaal, dat heul geskikt is foar transparante elektroden.
Undersykers fan Samsung en de Universiteit fan Chengjunguan yn Súd-Korea hawwe grafeen mei in diagonale lingte fan 30 inch krigen troch gemyske dampôfsetting en it oerbrocht nei in 188 mikron dikke polyetyleentereftalaat (PET) film om in grafeen-basearre touchscreen te produsearjen [4]. Lykas te sjen is yn 'e ûndersteande figuer, wurdt it grafeen dat op 'e koperfolie groeid is earst ferbûn mei de termyske striptape (blauwe transparante diel), dan wurdt de koperfolie oplost troch in gemyske metoade, en úteinlik wurdt it grafeen oerbrocht nei de PET-film troch ferwaarming.
Nije fotoelektryske ynduksjeapparatuer
Grafeen hat tige unike optyske eigenskippen. Hoewol't der mar ien laach atomen is, kin it 2,3% fan it útstjoerde ljocht yn it hiele golflingteberik fan sichtber ljocht oant ynfraread opnimme. Dit getal hat neat te krijen mei oare materiaalparameters fan grafeen en wurdt bepaald troch kwantumelektrodynamika [6]. It opnommen ljocht sil liede ta de generaasje fan dragers (elektronen en gatten). De generaasje en it transport fan dragers yn grafeen binne tige oars as dy yn tradisjonele heallieders. Dit makket grafeen tige geskikt foar ultrasnelle fotoelektryske ynduksjeapparatuer. Der wurdt rûsd dat sokke fotoelektryske ynduksjeapparatuer kin wurkje op in frekwinsje fan 500 GHz. As it brûkt wurdt foar sinjaaloerdracht, kin it 500 miljard nullen of ienen per sekonde oerdrage, en de oerdracht fan 'e ynhâld fan twa Blu-ray-skiven yn ien sekonde foltôgje.
Saakkundigen fan it IBM Thomas J. Watson Research Centre yn 'e Feriene Steaten hawwe grafeen brûkt om fotoelektryske ynduksjeapparaten te meitsjen dy't kinne wurkje op in frekwinsje fan 10 GHz [8]. Earst waarden grafeenflokken taret op in silisiumsubstraat bedekt mei 300 nm dikke silika mei de "tape tearing method", en dêrnei waarden palladiumgoud- of titaniumgoudelektroden mei in ynterval fan 1 mikron en in breedte fan 250 nm derop makke. Op dizze manier wurdt in grafeen-basearre fotoelektrysk ynduksjeapparaat krigen.
Skematysk diagram fan grafeen fotoelektryske ynduksjeapparatuer en scanning elektronenmikroskoop (SEM) foto's fan werklike samples. De swarte koarte line yn 'e figuer komt oerien mei 5 mikron, en de ôfstân tusken metalen linen is ien mikron.
Troch eksperiminten hawwe de ûndersikers ûntdutsen dat dit fotoelektryske ynduksjeapparaat mei metalen grafeenstruktuer in wurkfrekwinsje fan maksimaal 16 GHz berikke kin, en kin op hege snelheid wurkje yn it golflingteberik fan 300 nm (tichtby ultraviolet) oant 6 mikron (ynfraread), wylst de tradisjonele fotoelektryske ynduksjebuis net reagearje kin op ynfrareadljocht mei in langere golflingte. De wurkfrekwinsje fan grafeen fotoelektryske ynduksjeapparatuer hat noch in soad romte foar ferbettering. De superieure prestaasjes meitsje it in breed skala oan tapassingsperspektiven, ynklusyf kommunikaasje, ôfstânsbetsjinning en miljeumonitoring.
As in nij materiaal mei unike eigenskippen ûntstiet it ûndersyk nei de tapassing fan grafeen ien foar ien. It is lestich foar ús om se hjir op te neamen. Yn 'e takomst kinne der fjildeffektbuizen makke fan grafeen, molekulêre skeakels makke fan grafeen en molekulêre detektors makke fan grafeen yn it deistich libben wêze ... Grafeen dat stadichoan út it laboratoarium komt, sil yn it deistich libben skine.
Wy kinne ferwachtsje dat der yn 'e neie takomst in grut tal elektroanyske produkten mei grafeen ferskine sille. Tink derom hoe nijsgjirrich it wêze soe as ús smartphones en netbooks oprôle, om ús earen klemd, yn ús bûsen stoppe of om ús polsen wikkele wurde koene as se net yn gebrûk binne!
Pleatsingstiid: 9 maart 2022