Godine 2010., Geim i Novoselov su osvojili Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu. Ova nagrada je ostavila dubok utisak na mnoge ljude. Uostalom, nije svaki eksperimentalni alat koji je dobio Nobelovu nagradu toliko uobičajen kao ljepljiva traka, niti je svaki istraživački objekt toliko magičan i lako razumljiv kao "dvodimenzionalni kristal" grafen. Rad iz 2004. godine može biti dodijeljen 2010. godine, što je rijetkost u historiji Nobelovih nagrada posljednjih godina.
Grafen je vrsta supstance koja se sastoji od jednog sloja atoma ugljika gusto raspoređenih u dvodimenzionalnu heksagonalnu rešetku u obliku saća. Poput dijamanta, grafita, fulerena, ugljičnih nanocjevčica i amorfnog ugljika, to je supstanca (jednostavna supstanca) sastavljena od ugljičnih elemenata. Kao što je prikazano na slici ispod, fulereni i ugljične nanocjevčice mogu se vidjeti kao da su na neki način smotani iz jednog sloja grafena, koji je složen s mnogo slojeva grafena. Teorijsko istraživanje upotrebe grafena za opisivanje svojstava različitih jednostavnih ugljičnih supstanci (grafit, ugljične nanocjevčice i grafen) traje skoro 60 godina, ali se općenito vjeruje da je takvim dvodimenzionalnim materijalima teško stabilno postojati samostalno, već samo pričvršćen za trodimenzionalnu površinu podloge ili unutar supstanci poput grafita. Tek su 2004. godine Andre Geim i njegov student Konstantin Novoselov eksperimentalno uklonili jedan sloj grafena s grafita, čime je istraživanje grafena postiglo novi razvoj.
I fuleren (lijevo) i ugljična nanocijevi (sredina) mogu se smatrati na neki način smotanima jednim slojem grafena, dok je grafit (desno) složen s više slojeva grafena putem van der Waalsove sile.
Danas se grafen može dobiti na mnogo načina, a različite metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Geim i Novoselov su dobili grafen na jednostavan način. Koristeći prozirnu traku dostupnu u supermarketima, skinuli su grafen, grafitni list debljine samo jednog sloja atoma ugljika, s komada pirolitičkog grafita visokog reda. Ovo je zgodno, ali kontrola nije tako dobra, a može se dobiti samo grafen veličine manje od 100 mikrona (jedna desetina milimetra), koji se može koristiti za eksperimente, ali ga je teško koristiti u praktične svrhe. Hemijsko taloženje iz pare može uzgojiti uzorke grafena veličine desetina centimetara na metalnoj površini. Iako je površina s konzistentnom orijentacijom samo 100 mikrona [3,4], pokazalo se prikladnim za proizvodne potrebe nekih primjena. Druga uobičajena metoda je zagrijavanje kristala silicijum karbida (SIC) na više od 1100 ℃ u vakuumu, tako da atomi silicija blizu površine isparavaju, a preostali atomi ugljika se preuređuju, što također može dobiti uzorke grafena s dobrim svojstvima.
Grafen je novi materijal s jedinstvenim svojstvima: njegova električna provodljivost je izvrsna kao kod bakra, a toplinska provodljivost je bolja od bilo kojeg poznatog materijala. Vrlo je proziran. Grafen će apsorbirati samo mali dio (2,3%) vertikalno upadne vidljive svjetlosti, a većina svjetlosti će proći kroz njega. Toliko je gust da čak ni atomi helijuma (najmanji molekuli gasa) ne mogu proći kroz njega. Ova magična svojstva nisu direktno naslijeđena od grafita, već iz kvantne mehanike. Njegova jedinstvena električna i optička svojstva određuju da ima široke mogućnosti primjene.
Iako se grafen pojavio tek prije manje od deset godina, pokazao je mnoge tehničke primjene, što je vrlo rijetko u oblastima fizike i nauke o materijalima. Potrebno je više od deset godina ili čak decenija da se opšti materijali iz laboratorije prenesu u stvarni život. Čemu služi grafen? Pogledajmo dva primjera.
Mekana prozirna elektroda
U mnogim električnim uređajima, prozirni provodljivi materijali moraju se koristiti kao elektrode. Elektronski satovi, kalkulatori, televizori, LCD ekrani, ekrani osjetljivi na dodir, solarni paneli i mnogi drugi uređaji ne mogu izbjeći postojanje prozirnih elektroda. Tradicionalna prozirna elektroda koristi indijum-kalaj oksid (ITO). Zbog visoke cijene i ograničene zalihe indija, materijal je krhak i nedostaje mu fleksibilnost, te se elektroda mora taložiti u srednjem sloju vakuuma, a cijena je relativno visoka. Naučnici već dugo pokušavaju pronaći njegovu zamjenu. Pored zahtjeva za transparentnošću, dobrom provodljivošću i jednostavnom pripremom, ako je sama fleksibilnost materijala dobra, bit će pogodna za izradu "elektronskog papira" ili drugih sklopivih uređaja za prikaz. Stoga je fleksibilnost također vrlo važan aspekt. Grafen je takav materijal koji je vrlo pogodan za prozirne elektrode.
Istraživači iz Samsunga i Univerziteta Chengjunguan u Južnoj Koreji dobili su grafen dijagonalne dužine 30 inča metodom hemijskog taloženja iz pare i prenijeli ga na polietilen tereftalat (PET) film debljine 188 mikrona kako bi proizveli ekran osjetljiv na dodir na bazi grafena [4]. Kao što je prikazano na slici ispod, grafen uzgojen na bakarnoj foliji se prvo veže termičkom trakom za skidanje (plavi prozirni dio), zatim se bakarna folija rastvara hemijskom metodom, i na kraju se grafen zagrijavanjem prenosi na PET film.
Nova oprema za fotoelektričnu indukciju
Grafen ima vrlo jedinstvena optička svojstva. Iako postoji samo jedan sloj atoma, on može apsorbirati 2,3% emitirane svjetlosti u cijelom rasponu valnih duljina od vidljive svjetlosti do infracrvenog zračenja. Ovaj broj nema nikakve veze s drugim materijalnim parametrima grafena i određen je kvantnom elektrodinamikom [6]. Apsorbirana svjetlost će dovesti do stvaranja nosioca (elektrona i rupa). Generiranje i transport nosioca u grafenu vrlo se razlikuju od onih u tradicionalnim poluprovodnicima. To čini grafen vrlo pogodnim za ultrabrzu fotoelektričnu indukcijsku opremu. Procjenjuje se da takva fotoelektrična indukcijska oprema može raditi na frekvenciji od 500 GHz. Ako se koristi za prijenos signala, može prenijeti 500 milijardi nula ili jedinica u sekundi i završiti prijenos sadržaja dva Blu-ray diska u jednoj sekundi.
Stručnjaci iz IBM-ovog istraživačkog centra Thomas J. Watson u Sjedinjenim Američkim Državama koristili su grafen za proizvodnju fotoelektričnih indukcijskih uređaja koji mogu raditi na frekvenciji od 10 GHz [8]. Prvo su grafenske pahuljice pripremljene na silicijumskoj podlozi prekrivenoj silicijum dioksidom debljine 300 nm "metodom kidanja trake", a zatim su na njima napravljene elektrode od paladijskog zlata ili titanskog zlata s razmakom od 1 mikrona i širinom od 250 nm. Na taj način je dobijen fotoelektrični indukcijski uređaj na bazi grafena.
Shematski dijagram opreme za fotoelektričnu indukciju grafena i fotografije stvarnih uzoraka snimljene skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM). Crna kratka linija na slici odgovara 5 mikrona, a udaljenost između metalnih linija je jedan mikron.
Kroz eksperimente, istraživači su otkrili da ovaj fotoelektrični indukcijski uređaj sa metalnom grafenskom strukturom može dostići radnu frekvenciju od najviše 16 GHz i raditi velikom brzinom u rasponu valnih dužina od 300 nm (blizu ultraljubičastog zračenja) do 6 mikrona (infracrveno zračenje), dok tradicionalna fotoelektrična indukcijska cijev ne može reagirati na infracrveno svjetlo s većim valnim dužinama. Radna frekvencija fotoelektrične indukcijske opreme sa grafenskom strukturom i dalje ima mnogo prostora za poboljšanje. Njegove superiorne performanse omogućavaju mu širok raspon primjena, uključujući komunikaciju, daljinsko upravljanje i praćenje okoliša.
Kao novi materijal sa jedinstvenim svojstvima, istraživanja o primjeni grafena pojavljuju se jedno za drugim. Teško nam je ovdje ih nabrojati. U budućnosti bi se u svakodnevnom životu mogle pojaviti cijevi s efektom polja napravljene od grafena, molekularni prekidači napravljeni od grafena i molekularni detektori napravljeni od grafena... Grafen koji postepeno izlazi iz laboratorija zablistat će u svakodnevnom životu.
Možemo očekivati da će se u bliskoj budućnosti pojaviti veliki broj elektronskih proizvoda koji koriste grafen. Zamislite koliko bi zanimljivo bilo kada bi se naši pametni telefoni i netbookovi mogli smotati, stegnuti na ušima, staviti u džepove ili omotati oko zglobova kada se ne koriste!
Vrijeme objave: 09.03.2022.