Árið 2010 unnu Geim og Novoselov Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir vinnu sína við grafen. Þessi verðlaun hafa haft djúpan svip á marga. Þegar öllu er á botninn hvolft er ekki hvert tilraunaverkfæri Nóbelsverðlauna eins algengt og límband, og ekki er hver rannsóknarhluti eins töfrandi og auðvelt að skilja og „tvívídd kristal“ grafen. Hægt er að veita verkinu árið 2004 árið 2010, sem er sjaldgæft í skránni Nóbelsverðlauna undanfarin ár.
Grafen er eins konar efni sem samanstendur af einu lagi af kolefnisatómum sem náið er raðað í tvívídd hunangssex. Eins og demantur, grafít, fulleren, kolefnis nanotubes og myndlaust kolefni, er það efni (einfalt efni) sem samanstendur af kolefnisþáttum. Eins og sést á myndinni hér að neðan má líta á Fullerenes og kolefnis nanotubes sem rúlla upp á einhvern hátt úr einu lagi af grafeni, sem er staflað af mörgum lögum af grafeni. Fræðilegar rannsóknir á notkun grafens til að lýsa eiginleikum ýmissa kolefnis einfalda efna (grafít, kolefnis nanotubes og grafen) hafa staðið í næstum 60 ár, en almennt er talið að slík tvívíddarefni séu erfið til að vera stöðugt til, ein, eitt og aðeins fest við þrívíddar undirlagsyfirborðið eða inni í efni eins og grafít. Það var ekki fyrr en árið 2004 sem Andre Geim og nemandi hans Konstantin Novoselov sviptu eitt lag af grafeni úr grafít með tilraunum sem rannsóknir á grafen náðu nýrri þróun.
Hægt er að líta á bæði fulleren (vinstri) og kolefnis nanotube (miðju) sem rúlla upp með einu lagi af grafeni á einhvern hátt, en grafít (til hægri) er staflað með mörgum lögum af grafeni í gegnum tengingu Van der Waals Force.
Nú á dögum er hægt að fá grafen á margan hátt og mismunandi aðferðir hafa sína kosti og galla. Geim og Novoselov fengu grafen á einfaldan hátt. Með því að nota gegnsætt borði sem er fáanlegt í matvöruverslunum, strípuðu þeir grafen, grafítblað með aðeins einu lagi af kolefnisatómum þykkt, úr stykki af hágæða pyrolytic grafít. Þetta er þægilegt, en stjórnunin er ekki svo góð og grafen með stærð minna en 100 míkron (einn tíundi af millimetra) er aðeins hægt að fá, sem hægt er að nota til tilrauna, en það er erfitt að nota það til að hagnýta Forrit. Efnafræðileg gufuútfelling getur vaxið grafensýni með stærð tugi sentimetra á yfirborð málmsins. Þrátt fyrir að svæðið með stöðuga stefnumörkun sé aðeins 100 míkron [3,4] hefur það hentað fyrir framleiðsluþörf sumra forrita. Önnur algeng aðferð er að hita sílikon karbíð (sic) kristal í meira en 1100 ℃ í lofttæmi, þannig að kísilatómin nálægt yfirborðinu gufar upp, og kolefnisatómið sem eftir eru eru endurröðun, sem geta einnig fengið grafensýni með góðum eiginleikum.
Graphene er nýtt efni með einstaka eiginleika: Rafleiðni þess er jafn frábær og kopar og hitaleiðni þess er betri en nokkur þekkt efni. Það er mjög gegnsætt. Aðeins lítill hluti (2,3%) af lóðréttu atvikinu sýnilegu ljósi frásogast af grafeni og flest ljósið mun fara í gegn. Það er svo þétt að jafnvel helíumatóm (smæstu gassameindir) geta ekki farið í gegnum. Þessir töfrandi eiginleikar eru ekki í arf beint frá grafít, heldur frá skammtafræði. Einstakir raf- og sjón eiginleikar þess ákvarða að það hafi víðtækar notkunarhorfur.
Þrátt fyrir að grafen hafi aðeins komið fram í innan við tíu ár hefur það sýnt mörg tæknileg forrit, sem er mjög sjaldgæft á sviði eðlisfræði og efnisvísinda. Það tekur meira en tíu ár eða jafnvel áratugi fyrir almenn efni að fara frá rannsóknarstofu til raunveruleikans. Hver er notkun grafens? Við skulum skoða tvö dæmi.
Mjúk gegnsæ rafskaut
Í mörgum rafmagnstækjum þarf að nota gagnsæ leiðandi efni sem rafskaut. Rafrænar klukkur, reiknivélar, sjónvörp, fljótandi kristalskjáir, snertiskjár, sólarplötur og mörg önnur tæki geta ekki skilið eftir tilvist gagnsæja rafskauta. Hefðbundin gagnsæ rafskaut notar indíum tinioxíð (ITO). Vegna mikils verðs og takmarkaðs framboðs á indíum er efnið brothætt og skortur á sveigjanleika og þarf að setja rafskautið í miðju lofttæmis og kostnaðurinn er tiltölulega mikill. Í langan tíma hafa vísindamenn reynt að finna staðgengil sinn. Til viðbótar við kröfur um gagnsæi, góð leiðni og auðveldur undirbúningur, ef sveigjanleiki efnisins sjálft er gott, mun það henta til að búa til „rafrænan pappír“ eða önnur samanbrjótanleg skjátæki. Þess vegna er sveigjanleiki einnig mjög mikilvægur þáttur. Grafen er slíkt efni, sem hentar mjög gagnsæjum rafskautum.
Vísindamenn frá Samsung og Chengjunguan háskólanum í Suður -Kóreu fengu grafen með ská lengd 30 tommur með efnafræðilegri gufuuppfellingu og fluttu það yfir í 188 míkron þykkt pólýetýlen terephthalat (PET) til að framleiða grafen byggðan snertiskjá [4]. Eins og sýnt er á myndinni hér að neðan er grafenið ræktað á koparpappír fyrst tengdur við hitauppstreymisbandið (blár gegnsæ hluti), þá er koparþynnan leyst upp með efnafræðilegri aðferð og að lokum er grafenið flutt í gæludýrfilmu með upphitun .
Nýr rafeindatæknibúnaður
Grafen hefur mjög einstaka sjón eiginleika. Þrátt fyrir að það sé aðeins eitt lag af atómum, getur það tekið upp 2,3% af losuðu ljósi í öllu bylgjulengdinni allt frá sýnilegu ljósi til innrautt. Þessi tala hefur ekkert með aðrar efnisstærðir af grafen að gera og ræðst af Quantum Electrodynamics [6]. Uppsogað ljós mun leiða til myndunar burðarefna (rafeindir og göt). Kynslóð og flutningur flutningsaðila í grafen er mjög frábrugðinn þeim sem eru í hefðbundnum hálfleiðara. Þetta gerir grafen mjög hentugt fyrir ultrafast ljósleiðarabúnað. Áætlað er að slíkur rafeindatæknibúnaður geti virkað á tíðni 500 GHz. Ef það er notað til merkis sendingar getur það sent 500 milljarða núll eða þau á sekúndu og klárað sendingu innihalds tveggja Blu Ray diska á einni sekúndu.
Sérfræðingar frá IBM Thomas J. Watson Research Center í Bandaríkjunum hafa notað grafen til að framleiða ljósleiðaratæki sem geta unnið við 10GHz tíðni [8]. Í fyrsta lagi voru grafenflögur framleiddar á kísil undirlag þakið 300 nm þykkt kísil með „borði rífa aðferð“ og síðan voru palladium gull eða títan gull rafskaut með 1 míkron og breidd 250 nm á því. Á þennan hátt fæst grafen sem byggir á ljósleiðarabúnaði.
Skematísk skýringarmynd af grafen -rafeindabúnaði og skannar rafeindasmásjá (SEM) myndir af raunverulegum sýnum. Svarta stutta línan á myndinni samsvarar 5 míkron og fjarlægðin milli málmlína er ein míkron.
Með tilraunum komust vísindamennirnir að því að þetta málmgrafen málm uppbygging ljósafræðilegu örvunarbúnaðar getur náð vinnutíðni 16GHz í mesta lagi og getur unnið á miklum hraða á bylgjulengdarsviðinu frá 300 nm (nálægt útfjólubláu) til 6 míkron (innrautt), en á meðan Hefðbundin örvunarrör með rafeindabúnaði getur ekki brugðist við innrauðu ljósi með lengri bylgjulengd. Vinnutíðni grafen -rafeindafræðilegs búnaðar hefur enn frábært svigrúm til úrbóta. Yfirburðarafkoma þess gerir það að verkum að það hefur margs konar horfur á forritum, þar með talið samskiptum, fjarstýringu og umhverfiseftirliti.
Sem nýtt efni með einstaka eiginleika koma rannsóknir á beitingu grafens hver á fætur annarri. Það er erfitt fyrir okkur að telja þá hér. Í framtíðinni geta verið rör sem eru úr reitum úr grafeni, sameindarofa úr grafeni og sameindaskynjara úr grafeni í daglegu lífi ... grafen sem smám saman kemur út úr rannsóknarstofunni mun skína í daglegu lífi.
Við getum búist við að mikill fjöldi rafrænna vara sem notar grafen muni birtast á næstunni. Hugsaðu um hversu áhugavert það væri ef hægt væri að rúlla snjallsímum okkar og netbókum, klemmast á eyrun okkar, fyllta í vasa okkar eða vafin um úlnliði okkar þegar ekki er í notkun!
Post Time: Mar-09-2022