I 2010 vandt Geim og Novoselov Nobelprisen i fysik for deres arbejde med grafen.Denne pris har efterladt et dybt indtryk på mange mennesker.Når alt kommer til alt, er ikke ethvert eksperimentelt Nobelprisværktøj så almindeligt som klæbebånd, og ikke alle forskningsobjekter er så magiske og nemme at forstå som "todimensionel krystal"-grafen.Værket i 2004 kan tildeles i 2010, hvilket er sjældent i rekorden af Nobelprisen i de senere år.
Grafen er en slags stof, der består af et enkelt lag af kulstofatomer, der er tæt arrangeret i et todimensionelt hexagonalt bikagegitter.Ligesom diamant, grafit, fulleren, kulstofnanorør og amorft kulstof er det et stof (simpelt stof) sammensat af kulstofelementer.Som vist i figuren nedenfor kan fullerener og kulstofnanorør ses som sammenrullet på en eller anden måde fra et enkelt lag grafen, som er stablet af mange lag grafen.Den teoretiske forskning i brugen af grafen til at beskrive egenskaberne af forskellige kulstof-enkle stoffer (grafit, kulstofnanorør og grafen) har varet i næsten 60 år, men det antages generelt, at sådanne todimensionelle materialer er vanskelige at eksistere stabilt alene. kun fastgjort til den tredimensionelle substratoverflade eller inde i stoffer som grafit.Det var først i 2004, at Andre Geim og hans elev Konstantin Novoselov fjernede et enkelt lag grafen fra grafit gennem eksperimenter, at forskningen i grafen opnåede ny udvikling.
Både fulleren (venstre) og carbon nanorør (midten) kan betragtes som værende rullet op af et enkelt lag grafen på en eller anden måde, mens grafit (højre) er stablet af flere lag af grafen gennem forbindelsen af van der Waals kraft.
I dag kan grafen fås på mange måder, og forskellige metoder har deres egne fordele og ulemper.Geim og Novoselov fik grafen på en enkel måde.Ved hjælp af gennemsigtig tape, der fås i supermarkeder, fjernede de grafen, en grafitplade med kun et lag kulstofatomer tykt, fra et stykke højordens pyrolytisk grafit.Dette er praktisk, men kontrollerbarheden er ikke så god, og grafen med en størrelse på mindre end 100 mikron (en tiendedel af en millimeter) kan kun fås, som kan bruges til eksperimenter, men det er svært at bruge til praktisk applikationer.Kemisk dampaflejring kan dyrke grafenprøver med en størrelse på titusinder af centimeter på metaloverfladen.Selvom området med ensartet orientering kun er 100 mikron [3,4], har det været velegnet til produktionsbehovene for nogle applikationer.En anden almindelig metode er at opvarme siliciumcarbid-krystallen til mere end 1100 ℃ i vakuum, så siliciumatomerne nær overfladen fordamper, og de resterende carbonatomer omarrangeres, hvilket også kan opnå grafenprøver med gode egenskaber.
Grafen er et nyt materiale med unikke egenskaber: dets elektriske ledningsevne er lige så fremragende som kobber, og dets varmeledningsevne er bedre end noget kendt materiale.Det er meget gennemsigtigt.Kun en lille del (2,3%) af det lodrette indfaldende synlige lys vil blive absorberet af grafen, og det meste af lyset vil passere igennem.Det er så tæt, at selv heliumatomer (de mindste gasmolekyler) ikke kan passere igennem.Disse magiske egenskaber er ikke direkte arvet fra grafit, men fra kvantemekanikken.Dens unikke elektriske og optiske egenskaber bestemmer, at den har brede anvendelsesmuligheder.
Selvom grafen kun har dukket op i mindre end ti år, har det vist mange tekniske anvendelser, hvilket er meget sjældent inden for fysik og materialevidenskab.Det tager mere end ti år eller endda årtier for generelle materialer at flytte fra laboratoriet til det virkelige liv.Hvad er brugen af grafen?Lad os se på to eksempler.
Blød gennemsigtig elektrode
I mange elektriske apparater skal transparente ledende materialer bruges som elektroder.Elektroniske ure, lommeregnere, fjernsyn, flydende krystalskærme, berøringsskærme, solpaneler og mange andre enheder kan ikke forlade eksistensen af gennemsigtige elektroder.Den traditionelle gennemsigtige elektrode bruger indiumtinoxid (ITO).På grund af den høje pris og begrænsede udbud af indium er materialet skørt og mangel på fleksibilitet, og elektroden skal deponeres i det mellemste vakuumlag, og omkostningerne er relativt høje.I lang tid har forskere forsøgt at finde dens erstatning.Ud over kravene til gennemsigtighed, god ledningsevne og nem forberedelse, hvis fleksibiliteten af selve materialet er god, vil det være velegnet til fremstilling af "elektronisk papir" eller andre foldbare displayenheder.Derfor er fleksibilitet også et meget vigtigt aspekt.Grafen er et sådant materiale, som er meget velegnet til gennemsigtige elektroder.
Forskere fra Samsung og chengjunguan University i Sydkorea opnåede grafen med en diagonal længde på 30 tommer ved kemisk dampaflejring og overførte det til en 188 mikron tyk polyethylenterephthalat (PET) film for at producere en grafenbaseret berøringsskærm [4].Som vist i figuren nedenfor bindes grafenen, der dyrkes på kobberfolien, først med termisk strippingtape (blå gennemsigtig del), derefter opløses kobberfolien ved kemisk metode, og til sidst overføres grafenen til PET-filmen ved opvarmning. .
Nyt fotoelektrisk induktionsudstyr
Grafen har meget unikke optiske egenskaber.Selvom der kun er ét lag af atomer, kan det absorbere 2,3 % af det udsendte lys i hele bølgelængdeområdet fra synligt lys til infrarødt.Dette tal har intet at gøre med andre materialeparametre for grafen og er bestemt af kvanteelektrodynamik [6].Det absorberede lys vil føre til generering af bærere (elektroner og huller).Generering og transport af bærere i grafen er meget forskellige fra dem i traditionelle halvledere.Dette gør grafen meget velegnet til ultrahurtigt fotoelektrisk induktionsudstyr.Det anslås, at sådant fotoelektrisk induktionsudstyr kan arbejde ved frekvensen 500ghz.Hvis den bruges til signaltransmission, kan den transmittere 500 milliarder nuller eller enere i sekundet og fuldføre transmissionen af indholdet af to Blu-ray-diske på et sekund.
Eksperter fra IBM Thomas J. Watson Research Center i USA har brugt grafen til at fremstille fotoelektriske induktionsenheder, der kan arbejde ved 10GHz frekvens [8].Først blev grafenflager fremstillet på et siliciumsubstrat dækket med 300 nm tykt silica ved "tape-tearing-metode", og derefter blev der lavet palladiumguld- eller titaniumguldelektroder med et interval på 1 mikron og en bredde på 250 nm.På denne måde opnås en grafenbaseret fotoelektrisk induktionsanordning.
Skematisk diagram af grafen fotoelektrisk induktionsudstyr og scanning elektronmikroskop (SEM) fotos af faktiske prøver.Den sorte korte streg på figuren svarer til 5 mikron, og afstanden mellem metallinjerne er en mikron.
Gennem eksperimenter fandt forskerne ud af, at denne fotoelektriske induktionsenhed af metalgrafen-metalstruktur kan nå arbejdsfrekvensen på højst 16ghz og kan arbejde ved høj hastighed i bølgelængdeområdet fra 300 nm (nær ultraviolet) til 6 mikron (infrarød), mens det traditionelle fotoelektriske induktionsrør kan ikke reagere på infrarødt lys med længere bølgelængde.Arbejdsfrekvensen af grafen fotoelektrisk induktionsudstyr har stadig stor plads til forbedring.Dens overlegne ydeevne gør, at den har en bred vifte af anvendelsesmuligheder, herunder kommunikation, fjernbetjening og miljøovervågning.
Som et nyt materiale med unikke egenskaber dukker forskningen i anvendelsen af grafen op efter hinanden.Det er svært for os at opregne dem her.I fremtiden kan der være felteffektrør lavet af grafen, molekylære kontakter lavet af grafen og molekylære detektorer lavet af grafen i dagligdagen... Grafen, der gradvist kommer ud af laboratoriet, vil skinne i dagligdagen.
Vi kan forvente, at et stort antal elektroniske produkter, der bruger grafen, vil dukke op i den nærmeste fremtid.Tænk på, hvor interessant det ville være, hvis vores smartphones og netbooks kunne rulles sammen, klemmes på vores ører, proppes i vores lommer eller vikles rundt om vores håndled, når de ikke er i brug!
Posttid: Mar-09-2022