Árið 2010 unnu Geim og Novoselov Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir vinnu sína á grafeni.Þessi verðlaun hafa sett djúp áhrif á marga.Þegar öllu er á botninn hvolft eru ekki öll tilraunaverkfæri Nóbelsverðlauna eins algeng og límband og ekki er sérhver rannsóknarhlutur eins töfrandi og auðskiljanlegur og „tvívítt kristal“ grafen.Verkið árið 2004 má verðlauna árið 2010, sem er sjaldgæft í sögu Nóbelsverðlauna undanfarin ár.
Grafen er eins konar efni sem samanstendur af einu lagi af kolefnisatómum sem er þétt raðað í tvívíða sexhyrndar grindur með honeycomb.Eins og demantur, grafít, fulleren, kolefni nanórör og myndlaust kolefni, er það efni (einfalt efni) sem samanstendur af kolefnisþáttum.Eins og sést á myndinni hér að neðan má sjá fulleren og kolefnisnanorör sem rúllað 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 einfaldra kolefnisefna (grafíts, kolefnisnanoröra og grafens) hafa staðið yfir í nærri 60 ár, en almennt er talið að erfitt sé að vera til slík tvívíð efni ein og sér. aðeins fest við þrívítt undirlagsyfirborðið eða inni í efnum eins og grafít.Það var ekki fyrr en árið 2004 sem Andre Geim og nemandi hans Konstantin Novoselov fjarlægðu eitt lag af grafeni úr grafíti með tilraunum að rannsóknir á grafeni náðu nýrri þróun.
Líta má á að bæði fulleren (vinstri) og kolefnis nanórör (miðja) séu rúlluð upp af einu lagi af grafeni á einhvern hátt, en grafít (hægri) er staflað af mörgum lögum af grafeni í gegnum tengingu van der Waals krafts.
Nú á dögum er hægt að fá grafen á marga vegu og mismunandi aðferðir hafa sína kosti og galla.Geim og Novoselov fengu grafen á einfaldan hátt.Með því að nota gagnsæ límband sem fæst í matvöruverslunum, fjarlægðu þeir grafen, grafítblað með aðeins einu lagi af kolefnisatómum þykkt, úr stykki af hágæða gjóskugrafíti.Þetta er þægilegt, en stýranleiki er ekki svo góður og grafen með stærð minni en 100 míkron (einn tíundi úr millimetra) er aðeins hægt að fá, sem hægt er að nota til tilrauna, en það er erfitt að nota það til verklegra umsóknir.Efnafræðileg gufuútfelling getur vaxið grafensýni sem eru tugir sentímetra að stærð á málmyfirborðinu.Þrátt fyrir að svæðið með stöðuga stefnu sé aðeins 100 míkron [3,4] hefur það hentað fyrir framleiðsluþarfir sumra forrita.Önnur algeng aðferð er að hita kísilkarbíð (SIC) kristallinn í meira en 1100 ℃ í lofttæmi, þannig að kísilatómin nálægt yfirborðinu gufa upp og eftirstandandi kolefnisatómin eru endurskipuð, sem getur einnig fengið grafensýni með góða eiginleika.
Grafen er nýtt efni með einstaka eiginleika: rafleiðni þess er eins frábær og kopar og varmaleiðni þess er betri en nokkur þekkt efni.Það er mjög gegnsætt.Aðeins lítill hluti (2,3%) af lóðrétta innfallandi sýnilega ljósi verður frásogast af grafeni og megnið af ljósinu fer í gegnum.Það er svo þétt að jafnvel helíumatóm (smæstu gassameindir) komast ekki í gegn.Þessir töfraeiginleikar eru ekki beint í arf frá grafít, heldur frá skammtafræði.Einstakir rafmagns- og sjónfræðilegir eiginleikar þess ákvarða að það hefur víðtæka notkunarmöguleika.
Þó að grafen hafi aðeins komið fram í innan við tíu ár hefur það sýnt marga tæknilega notkun, sem er mjög sjaldgæft á sviði eðlisfræði og efnisfræði.Það tekur meira en tíu ár eða jafnvel áratugi fyrir almennt efni að flytjast úr rannsóknarstofu yfir í raunveruleikann.Hver er tilgangurinn með grafeni?Skoðum tvö dæmi.
Mjúk gagnsæ rafskaut
Í mörgum raftækjum þarf að nota gagnsæ leiðandi efni sem rafskaut.Rafræn úr, reiknivélar, sjónvörp, fljótandi kristalskjáir, snertiskjár, sólarrafhlöður og mörg önnur tæki geta ekki yfirgefið tilvist gagnsæra rafskauta.Hin hefðbundna gagnsæja rafskaut notar indíum tinoxíð (ITO).Vegna mikils verðs og takmarkaðs framboðs af indíum er efnið brothætt og skortur á sveigjanleika og rafskautið þarf að setja í miðju lofttæmislagið og kostnaðurinn er tiltölulega hár.Í langan tíma hafa vísindamenn reynt að finna staðgengill þess.Til viðbótar við kröfur um gagnsæi, góða leiðni og auðveldan undirbúning, ef sveigjanleiki efnisins sjálfs er góður, mun það henta til að búa til „rafrænan pappír“ eða önnur samanbrjótanleg skjátæki.Þess vegna er sveigjanleiki líka mjög mikilvægur þáttur.Grafen er slíkt efni, sem hentar mjög vel fyrir gagnsæ rafskaut.
Vísindamenn frá Samsung og chengjunguan háskólanum í Suður-Kóreu fengu grafen með skálengd 30 tommur með efnagufuútfellingu og fluttu það yfir í 188 míkron þykka pólýetýlen tereftalat (PET) filmu til að framleiða grafen byggðan snertiskjá [4].Eins og sýnt er á myndinni hér að neðan er grafenið sem ræktað er á koparþynnunni fyrst tengt við hitauppstreymibandið (blár gagnsæ hluti), síðan er koparþynnan leyst upp með efnafræðilegri aðferð og að lokum er grafenið flutt yfir í PET filmuna með upphitun .
Nýr ljósvirkjunarbúnaður
Grafen hefur mjög einstaka sjónræna eiginleika.Þó að það sé aðeins eitt lag af atómum getur það tekið upp 2,3% af ljósinu sem gefur frá sér á öllu bylgjulengdarsviðinu frá sýnilegu ljósi til innrauðs ljóss.Þessi tala hefur ekkert með aðrar efnisbreytur grafens að gera og er ákvörðuð af skammtafræði raffræði [6].Frásogað ljós mun leiða til myndunar burðarefna (rafeinda og hola).Myndun og flutningur burðarefna í grafeni er mjög frábrugðin þeim sem eru í hefðbundnum hálfleiðurum.Þetta gerir grafen mjög hentugt fyrir ofurhraðan ljósvirkjunarbúnað.Áætlað er að slíkur ljósvirkjunarbúnaður geti virkað á tíðninni 500ghz.Ef það er notað fyrir merkjasendingar getur það sent 500 milljarða núll eða eitt á sekúndu og klárað sendingu á innihaldi tveggja Blu ray diska á einni sekúndu.
Sérfræðingar frá IBM Thomas J. Watson rannsóknarmiðstöðinni í Bandaríkjunum hafa notað grafen til að framleiða ljósvirkjunartæki sem geta unnið á 10GHz tíðni [8].Í fyrsta lagi voru grafenflögur útbúnar á kísilundirlagi þakið 300 nm þykkum kísil með „tape tearing method“ og síðan voru gerðar palladíumgull eða títangull rafskaut með 1 míkron millibili og 250 nm breidd á það.Á þennan hátt fæst grafen byggt ljósrafmagns virkjunartæki.
Skýringarmynd af grafen-ljósrafmagnsvirkjunarbúnaði og skönnun rafeindasmásjár (SEM) myndir af raunverulegum sýnum.Svarta stutta línan á myndinni samsvarar 5 míkronum og fjarlægðin milli málmlína er ein míkron.
Með tilraunum komust vísindamennirnir að því að þetta málm grafen málmbygging ljósrafmagns örvunartæki getur náð vinnutíðni 16ghz að hámarki og getur unnið á miklum hraða á bylgjulengdarbilinu frá 300 nm (nálægt útfjólubláu) til 6 míkron (innrauður), á meðan hefðbundin ljósvirkjunarrör getur ekki brugðist við innrauðu ljósi með lengri bylgjulengd.Vinnutíðni myndrafmagns innleiðslubúnaðar grafen hefur enn mikið pláss til að bæta.Frábær frammistaða þess gerir það að verkum að það hefur fjölbreytt úrval af notkunarmöguleikum, þar á meðal samskipti, fjarstýringu og umhverfisvöktun.
Sem nýtt efni með einstaka eiginleika eru rannsóknirnar á beitingu grafens að koma fram hver á eftir annarri.Það er erfitt fyrir okkur að telja þær upp hér.Í framtíðinni kunna að vera til sviðsverkunarrör úr grafeni, sameindarofar úr grafeni og sameindaskynjarar úr grafeni í daglegu lífi... Grafen sem kemur smám saman út úr rannsóknarstofunni mun skína í daglegu lífi.
Við getum búist við að mikill fjöldi rafrænna vara sem nota grafen muni birtast í náinni framtíð.Hugsaðu um hversu áhugavert það væri ef hægt væri að rúlla snjallsímunum okkar og netbókum upp, klemma á eyrun, troða í vasa okkar eða vefja um úlnliði okkar þegar þær eru ekki í notkun!
Pósttími: Mar-09-2022