Godine 2010. Geim i Novoselov su dobili Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu.Ova nagrada je ostavila dubok utisak na mnoge ljude.Na kraju krajeva, nije svaki eksperimentalni alat koji je dobio Nobelovu nagradu uobičajen kao samoljepljiva traka, niti je svaki istraživački objekt tako magičan i lako razumljiv kao grafen „dvodimenzionalnog kristala“.Rad iz 2004. godine može biti nagrađen 2010. godine, što je rijetkost u zapisu o Nobelovoj nagradi posljednjih godina.
Grafen je vrsta tvari koja se sastoji od jednog sloja atoma ugljika usko raspoređenih u dvodimenzionalnu šestougaonu rešetku saća.Kao dijamant, grafit, fuleren, ugljične nanocijevi i amorfni ugljik, to je supstanca (jednostavna tvar) sastavljena od ugljičnih elemenata.Kao što je prikazano na donjoj slici, fulereni i ugljične nanocijevi mogu se vidjeti kao smotane na neki način iz jednog sloja grafena, koji je naslagan mnogim slojevima grafena.Teorijska istraživanja o upotrebi grafena za opisivanje svojstava različitih ugljičnih jednostavnih supstanci (grafita, ugljičnih nanocijevi i grafena) traju skoro 60 godina, ali se općenito vjeruje da takvi dvodimenzionalni materijali teško mogu postojati sami, pričvršćena samo na trodimenzionalnu površinu podloge ili unutar tvari poput grafita.Tek 2004. godine Andre Geim i njegov učenik Konstantin Novoselov su eksperimentima skinuli jedan sloj grafena sa grafita, istraživanje grafena je postiglo novi razvoj.
I fuleren (lijevo) i ugljična nanocijev (u sredini) mogu se smatrati namotanima jednim slojem grafena na neki način, dok je grafit (desno) složen sa više slojeva grafena kroz vezu 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, grafitnu ploču sa samo jednim slojem atoma ugljika debljine, sa komada pirolitičkog grafita visokog reda.Ovo je zgodno, ali upravljivost 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 praksi aplikacije.Kemijsko taloženje pare može na površini metala razviti uzorke grafena veličine desetina centimetara.Iako je površina s dosljednom orijentacijom samo 100 mikrona [3,4], pogodna je za proizvodne potrebe nekih aplikacija.Druga uobičajena metoda je zagrijavanje kristala silicijum karbida (SIC) na više od 1100 ℃ u vakuumu, tako da atomi silicijuma u blizini površine ispare, a preostali atomi ugljika se preurede, čime se također mogu dobiti uzorci grafena s dobrim svojstvima.
Grafen je novi materijal sa jedinstvenim svojstvima: njegova električna provodljivost je odlična kao bakar, a toplotna provodljivost bolja od bilo kojeg poznatog materijala.Veoma je transparentan.Grafen će apsorbirati samo mali dio (2,3%) vertikalne upadne vidljive svjetlosti, a većina svjetlosti će proći kroz njega.Toliko je gust da čak ni atomi helijuma (najmanji molekuli plina) ne mogu proći.Ova magična svojstva nisu direktno naslijeđena od grafita, već od kvantne mehanike.Njegova jedinstvena električna i optička svojstva određuju da ima široku perspektivu 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 pređu iz laboratorija u stvarni život.Koja je korist od grafena?Pogledajmo dva primjera.
Meka prozirna elektroda
U mnogim električnim uređajima, prozirni provodljivi materijali moraju se koristiti kao elektrode.Elektronski satovi, kalkulatori, televizori, displeji sa tečnim kristalima, ekrani osetljivi na dodir, solarni paneli i mnogi drugi uređaji ne mogu da napuste postojanje prozirnih elektroda.Tradicionalna prozirna elektroda koristi indijum kalaj oksid (ITO).Zbog visoke cijene i ograničene ponude indija, materijal je krhak i nefleksibilan, a elektrodu je potrebno položiti u srednji sloj vakuuma, a cijena je relativno visoka.Naučnici su dugo pokušavali pronaći njegovu zamjenu.Osim zahtjeva za transparentnost, dobru provodljivost i laku pripremu, ako je fleksibilnost samog materijala dobra, bit će pogodan 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 sa Samsunga i Univerziteta Chengjunguan u Južnoj Koreji dobili su grafen s dijagonalnom dužinom od 30 inča hemijskim taloženjem pare i prenijeli ga na 188 mikrona debeo polietilen tereftalat (PET) film kako bi proizveli ekran osjetljiv na dodir na bazi grafena [4].Kao što je prikazano na donjoj slici, grafen narastao na bakrenoj foliji se prvo zalijepi termičkom trakom za skidanje (plavi prozirni dio), zatim se bakarna folija otapa hemijskom metodom, a na kraju se grafen zagrijavanjem prenosi na PET film. .
Nova fotoelektrična indukciona oprema
Grafen ima veoma jedinstvena optička svojstva.Iako postoji samo jedan sloj atoma, on može apsorbirati 2,3% emitirane svjetlosti u cijelom rasponu talasnih dužina od vidljive do infracrvene svjetlosti.Ovaj broj nema nikakve veze s drugim materijalnim parametrima grafena i određen je kvantnom elektrodinamikom [6].Apsorbirana svjetlost će dovesti do stvaranja nosača (elektrona i rupa).Generisanje i transport nosača u grafenu se veoma razlikuju od onih u tradicionalnim poluprovodnicima.Ovo 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 Thomas J. Watson istraživačkog centra u Sjedinjenim Državama koristili su grafen za proizvodnju fotoelektričnih indukcionih uređaja koji mogu raditi na frekvenciji od 10 GHz [8].Najprije su pripremljene ljuspice grafena na silikonskoj podlozi prekrivenoj silicijum dioksidom debljine 300 nm „metodom kidanja trake“, a zatim su na njoj izrađene elektrode od zlata od paladijuma ili titanijuma u intervalu od 1 mikrona i širine 250 nm.Na ovaj način se dobija fotoelektrični indukcioni uređaj na bazi grafena.
Šematski dijagram opreme za fotoelektričnu indukciju grafena i fotografije stvarnih uzoraka skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM).Crna kratka linija na slici odgovara 5 mikrona, a razmak između metalnih linija je jedan mikron.
Eksperimentima su istraživači otkrili da ovaj fotoelektrični indukcioni uređaj sa metalnom grafenskom strukturom može doseći radnu frekvenciju od najviše 16 GHz i može raditi velikom brzinom u rasponu talasnih dužina od 300 nm (blizu ultraljubičastog) do 6 mikrona (infracrveno), dok tradicionalna fotoelektrična indukcijska cijev ne može odgovoriti na infracrveno svjetlo veće valne dužine.Radna frekvencija grafenske fotoelektrične indukcijske opreme još uvijek ima veliki prostor za poboljšanje.Njegove superiorne performanse čine ga širokim spektrom mogućnosti primjene, uključujući komunikaciju, daljinsko upravljanje i praćenje okoliša.
Kao novi materijal jedinstvenih svojstava, istraživanja o primjeni grafena pojavljuju se jedno za drugim.Teško nam je da ih ovdje nabrojimo.U budućnosti bi u svakodnevnom životu mogle postojati cijevi sa efektom polja od grafena, molekularni prekidači od grafena i molekularni detektori od grafena u svakodnevnom životu... Grafen koji postupno izlazi iz laboratorije će zasjati u svakodnevnom životu.
Možemo očekivati da će se u bliskoj budućnosti pojaviti veliki broj elektronskih proizvoda koji koriste grafen.Razmislite o tome kako bi bilo zanimljivo kada bi se naši pametni telefoni i netbookovi mogli smotati, pričvrstiti na uši, strpati u džepove ili omotati oko zapešća kada ih ne koristimo!
Vrijeme objave: Mar-09-2022