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 alle Nobelpriseksperimentelt værktøj så almindeligt som klæbebånd, og ikke alle forskningsobjekt er så magisk og let at forstå som "to-dimensionel krystal" grafen. Arbejdet i 2004 kan tildeles i 2010, hvilket er sjældent i rekorden for Nobelprisen i de senere år.
Grafen er et slags stof, der består af et enkelt lag carbonatomer tæt arrangeret i en to-dimensionel honningkage-hexagonal gitter. Ligesom diamant, grafit, fulleren, carbon nanorør og amorf kulstof, er det et stof (simpelt stof) sammensat af kulstofelementer. Som vist på figuren nedenfor kan fullerenes og carbon nanorør ses som rullet op på en eller anden måde fra et enkelt lag grafen, der er stablet af mange lag grafen. Den teoretiske forskning på brugen af grafen til at beskrive egenskaberne ved forskellige kulstof enkle stoffer (grafit, carbon nanorør og grafen) har varet i næsten 60 år, men det antages generelt, at sådanne to-dimensionelle materialer er vanskelige at stabilt eksistere alene, Kun fastgjort til den tredimensionelle substratoverflade eller indvendige stoffer som grafit. Det var først i 2004, at Andre Geim og hans studerende Konstantin Novoselov fjernede et enkelt lag grafen fra grafit gennem eksperimenter, som forskningen på grafen opnåede ny udvikling.
Både fulleren (til venstre) og carbon nanotube (midt) kan betragtes som rulles op af et enkelt lag grafen på en eller anden måde, mens grafit (til højre) stables af flere lag grafen gennem forbindelsen af van der Waals Force.
I dag kan grafen opnås på mange måder, og forskellige metoder har deres egne fordele og ulemper. Geim og Novoselov opnåede grafen på en enkel måde. Ved hjælp af gennemsigtigt bånd, der er tilgængelig i supermarkeder, strippede de grafen, et grafitark med kun et lag carbonatomer tykke, fra et stykke højordens pyrolytisk grafit. Dette er praktisk, men kontrolbarheden er ikke så god, og grafen med en størrelse på mindre end 100 mikron (en tiendedel af en millimeter) kan kun opnås, som kan bruges til eksperimenter, men det er vanskeligt at blive brugt til praktisk applikationer. Kemisk dampaflejring kan dyrke grafenprøver med størrelsen af titusinder af centimeter på metaloverfladen. Selvom området med ensartet orientering kun er 100 mikron [3,4], har det været velegnet til produktionsbehovene i nogle applikationer. En anden almindelig metode er at opvarme siliciumcarbid (sic) krystal til mere end 1100 ℃ i vakuum, så siliciumatomerne nær overfladen fordampes, og de resterende carbonatomer omarrangeres, hvilket også kan opnå grafenprøver med gode egenskaber.
Graphene er et nyt materiale med unikke egenskaber: dets elektriske ledningsevne er lige så fremragende som kobber, og dets termiske ledningsevne er bedre end noget kendt materiale. Det er meget gennemsigtigt. Kun en lille del (2,3%) af den lodrette hændelse, synligt 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. Disse magiske egenskaber er ikke direkte arvet fra grafit, men fra kvantemekanik. Dens unikke elektriske og optiske egenskaber bestemmer, at det har brede applikationsudsigter.
Selvom grafen kun har vist sig i mindre end ti år, har det vist mange tekniske applikationer, hvilket er meget sjældent inden for fysik og materialevidenskab. Det tager mere end ti år eller endda årtier for generelle materialer at flytte fra laboratorium til det virkelige liv. Hvad er brugen af grafen? Lad os se på to eksempler.
Blød gennemsigtig elektrode
I mange elektriske apparater skal gennemsigtige ledende materialer bruges som elektroder. Elektroniske ure, regnemaskiner, fjernsyn, flydende krystalskærme, berøringsskærme, solcellepaneler og mange andre enheder kan ikke forlade eksistensen af gennemsigtige elektroder. Den traditionelle gennemsigtig elektrode bruger indium tinoxid (ITO). På grund af den høje pris og den begrænsede levering af indium er materialet sprødt og manglende fleksibilitet, og elektroden skal deponeres i det midterste lag af vakuum, og omkostningerne er relativt høje. I lang tid har forskere forsøgt at finde sin erstatning. Ud over kravene til gennemsigtighed, god ledningsevne og let forberedelse, hvis fleksibiliteten af selve materialet er god, vil det være velegnet til at fremstille "elektronisk papir" eller andre sammenfoldelige displayenheder. Derfor er fleksibilitet også et meget vigtigt aspekt. Grafen er sådan et 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 den til en 188 mikron tyk polyethylenrephthalat (PET) film for at producere en grafenbaseret berøringsskærm [4]. Som vist på figuren nedenfor er grafen, der dyrkes på kobberfolien, først bundet med det termiske strippingstape (blå gennemsigtig del), derefter opløses kobberfolien ved kemisk metode, og til sidst overføres grafenen til kæledyrsfilmen ved opvarmning .
Nyt fotoelektrisk induktionsudstyr
Grafen har meget unikke optiske egenskaber. Selvom der kun er et lag atomer, kan det absorbere 2,3% af det udsendte lys i hele bølgelængdeområdet fra synligt lys til infrarød. Dette nummer har intet at gøre med andre materialeparametre for grafen og bestemmes 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 ultrahøst fotoelektrisk induktionsudstyr. Det anslås, at sådant fotoelektrisk induktionsudstyr kan fungere ved hyppigheden af 500 GHz. Hvis det bruges til signaloverførsel, kan det transmittere 500 milliarder nuller eller dem 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 fungere ved 10 GHz frekvens [8]. For det første blev grafenflager fremstillet på et siliciumsubstrat dækket med 300 nm tyk silica ved "tape -rive -metode", og derefter blev palladiumguld eller titaniumguldelektroder med et interval på 1 mikron og en bredde på 250 nm lavet på det. På denne måde opnås en grafenbaseret fotoelektrisk induktionsindretning.
Skematisk diagram over grafenfotoelektrisk induktionsudstyr og scanning af elektronmikroskop (SEM) fotos af faktiske prøver. Den sorte korte linje i figuren svarer til 5 mikron, og afstanden mellem metallinjer er en mikron.
Gennem eksperimenter fandt forskerne, at denne metalgrafen metalstrukturfotoelektrisk induktionsindretning højst kan nå arbejdsfrekvensen på 16 GHz og kan arbejde i høj hastighed i bølgelængden 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 grafenfotoelektrisk induktionsudstyr har stadig stor plads til forbedring. Dens overlegne ydelse får den til at have en bred vifte af applikationsudsigter, herunder kommunikation, fjernbetjening og miljøovervågning.
Som et nyt materiale med unikke egenskaber dukker forskningen på anvendelsen af grafen den ene efter den anden. Det er vanskeligt for os at opregne dem her. I fremtiden kan der være felteffektrør lavet af grafen, molekylære afbrydere 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, vises i den nærmeste fremtid. Tænk på, hvor interessant det ville være, hvis vores smartphones og netbooks kunne rulles op, klemmes på vores ører, fyldt i vores lommer eller pakket rundt om vores håndled, når de ikke er i brug!
Posttid: Mar-09-2022