Noong 2010, nanalo sina Geim at Novoselov ng Nobel Prize sa physics para sa kanilang trabaho sa graphene.Ang parangal na ito ay nag-iwan ng malalim na impresyon sa maraming tao.Pagkatapos ng lahat, hindi lahat ng pang-eksperimentong tool ng Nobel Prize ay kasingkaraniwan ng adhesive tape, at hindi lahat ng bagay sa pananaliksik ay kasing kabigha-bighani at madaling maunawaan gaya ng "two-dimensional na kristal" na graphene.Ang gawain noong 2004 ay maaaring igawad sa 2010, na bihira sa rekord ng Nobel Prize sa mga nakaraang taon.
Ang Graphene ay isang uri ng substance na binubuo ng isang layer ng carbon atoms na malapit na nakaayos sa isang two-dimensional honeycomb hexagonal lattice.Tulad ng brilyante, grapayt, fullerene, carbon nanotubes at amorphous carbon, ito ay isang substance (simpleng substance) na binubuo ng mga elemento ng carbon.Tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba, ang mga fullerenes at carbon nanotubes ay makikita bilang pinagsama sa ilang paraan mula sa isang solong layer ng graphene, na nakasalansan ng maraming mga layer ng graphene.Ang teoretikal na pananaliksik sa paggamit ng graphene upang ilarawan ang mga katangian ng iba't ibang carbon simple substance (graphite, carbon nanotubes at graphene) ay tumagal ng halos 60 taon, ngunit sa pangkalahatan ay pinaniniwalaan na ang mga naturang two-dimensional na materyales ay mahirap na matatag na umiiral nang mag-isa, nakakabit lamang sa tatlong-dimensional na ibabaw ng substrate o sa loob ng mga sangkap tulad ng grapayt.Noong 2004 lamang na tinanggal ni Andre Geim at ng kanyang estudyante na si Konstantin Novoselov ang isang layer ng graphene mula sa graphite sa pamamagitan ng mga eksperimento na ang pananaliksik sa graphene ay nakamit ang bagong pag-unlad.
Ang parehong fullerene (kaliwa) at carbon nanotube (gitna) ay maaaring ituring na pinagsama ng isang solong layer ng graphene sa ilang paraan, habang ang graphite (kanan) ay nakasalansan ng maraming mga layer ng graphene sa pamamagitan ng koneksyon ng puwersa ng van der Waals.
Sa ngayon, ang graphene ay maaaring makuha sa maraming paraan, at ang iba't ibang pamamaraan ay may sariling mga pakinabang at disadvantages.Nakuha nina Geim at Novoselov ang graphene sa simpleng paraan.Gamit ang transparent tape na available sa mga supermarket, hinubad nila ang graphene, isang graphite sheet na may isang layer lang ng carbon atoms na makapal, mula sa isang piraso ng high-order pyrolytic graphite.Ito ay maginhawa, ngunit ang controllability ay hindi napakahusay, at ang graphene na may sukat na mas mababa sa 100 microns (isang ikasampu ng isang milimetro) ay maaari lamang makuha, na magagamit para sa mga eksperimento, ngunit ito ay mahirap gamitin para sa praktikal. mga aplikasyon.Ang chemical vapor deposition ay maaaring magpalaki ng mga sample ng graphene na may sukat na sampu-sampung sentimetro sa ibabaw ng metal.Kahit na ang lugar na may pare-parehong oryentasyon ay 100 microns lamang [3,4], ito ay naging angkop para sa mga pangangailangan sa produksyon ng ilang mga aplikasyon.Ang isa pang karaniwang paraan ay ang pag-init ng silicon carbide (SIC) na kristal sa higit sa 1100 ℃ sa vacuum, upang ang mga atomo ng silikon na malapit sa ibabaw ay sumingaw, at ang mga natitirang carbon atom ay muling ayusin, na maaari ring makakuha ng mga sample ng graphene na may magagandang katangian.
Ang Graphene ay isang bagong materyal na may mga natatanging katangian: ang electrical conductivity nito ay kasinghusay ng tanso, at ang thermal conductivity nito ay mas mahusay kaysa sa anumang kilalang materyal.Ito ay napaka-transparent.Isang maliit na bahagi lamang (2.3%) ng patayong insidente na nakikitang liwanag ang maa-absorb ng graphene, at ang karamihan sa liwanag ay dadaan.Napakakapal nito na kahit na ang helium atoms (ang pinakamaliit na molekula ng gas) ay hindi makadaan.Ang mga mahiwagang katangian na ito ay hindi direktang minana mula sa grapayt, ngunit mula sa quantum mechanics.Ang kakaibang electrical at optical properties nito ay tumutukoy na ito ay may malawak na mga prospect ng aplikasyon.
Bagama't ang graphene ay lumitaw lamang nang wala pang sampung taon, nagpakita ito ng maraming teknikal na aplikasyon, na napakabihirang sa larangan ng pisika at materyal na agham.Ito ay tumatagal ng higit sa sampung taon o kahit na mga dekada para sa mga pangkalahatang materyales upang lumipat mula sa laboratoryo patungo sa totoong buhay.Ano ang gamit ng graphene?Tingnan natin ang dalawang halimbawa.
Malambot na transparent na elektrod
Sa maraming mga electrical appliances, ang mga transparent na conductive na materyales ay kailangang gamitin bilang mga electrodes.Ang mga elektronikong relo, calculator, telebisyon, likidong kristal na display, touch screen, solar panel at marami pang ibang device ay hindi maaaring umalis sa pagkakaroon ng mga transparent electrodes.Ang tradisyonal na transparent electrode ay gumagamit ng indium tin oxide (ITO).Dahil sa mataas na presyo at limitadong supply ng indium, ang materyal ay malutong at kakulangan ng kakayahang umangkop, at ang elektrod ay kailangang ideposito sa gitnang layer ng vacuum, at ang gastos ay medyo mataas.Sa loob ng mahabang panahon, sinusubukan ng mga siyentipiko na mahanap ang kapalit nito.Bilang karagdagan sa mga kinakailangan ng transparency, mahusay na kondaktibiti at madaling paghahanda, kung ang flexibility ng materyal mismo ay mabuti, ito ay magiging angkop para sa paggawa ng "electronic paper" o iba pang natitiklop na mga aparatong display.Samakatuwid, ang kakayahang umangkop ay isa ring napakahalagang aspeto.Ang graphene ay isang materyal, na angkop para sa mga transparent na electrodes.
Ang mga mananaliksik mula sa Samsung at chengjunguan University sa South Korea ay nakakuha ng graphene na may dayagonal na haba na 30 pulgada sa pamamagitan ng chemical vapor deposition at inilipat ito sa isang 188 micron thick polyethylene terephthalate (PET) film upang makagawa ng graphene based touch screen [4].Tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba, ang graphene na lumago sa copper foil ay unang nakatali sa thermal stripping tape (asul na transparent na bahagi), pagkatapos ay ang copper foil ay natunaw sa pamamagitan ng kemikal na paraan, at sa wakas ang graphene ay inilipat sa PET film sa pamamagitan ng pag-init. .
Bagong photoelectric induction equipment
Ang graphene ay may napaka natatanging optical properties.Bagama't mayroon lamang isang layer ng mga atom, maaari itong sumipsip ng 2.3% ng ibinubuga na ilaw sa buong hanay ng wavelength mula sa nakikitang liwanag hanggang sa infrared.Ang numerong ito ay walang kinalaman sa iba pang materyal na parameter ng graphene at tinutukoy ng quantum electrodynamics [6].Ang hinihigop na liwanag ay hahantong sa henerasyon ng mga carrier (mga electron at butas).Ang henerasyon at transportasyon ng mga carrier sa graphene ay ibang-iba sa mga tradisyonal na semiconductors.Ginagawa nitong napaka-angkop ang graphene para sa ultrafast photoelectric induction equipment.Tinatantya na ang naturang photoelectric induction equipment ay maaaring gumana sa dalas ng 500ghz.Kung ito ay ginagamit para sa paghahatid ng signal, maaari itong magpadala ng 500 bilyong mga zero o mga isa bawat segundo, at kumpletuhin ang paghahatid ng mga nilalaman ng dalawang Blu ray disc sa isang segundo.
Ang mga eksperto mula sa IBM Thomas J. Watson Research Center sa Estados Unidos ay gumamit ng graphene upang gumawa ng mga photoelectric induction device na maaaring gumana sa 10GHz frequency [8].Una, ang mga graphene flakes ay inihanda sa isang silikon na substrate na natatakpan ng 300 nm makapal na silica sa pamamagitan ng "tape tearing method", at pagkatapos ay ginawa ang palladium gold o titanium gold electrodes na may pagitan na 1 micron at lapad na 250 nm.Sa ganitong paraan, nakuha ang isang graphene based photoelectric induction device.
Schematic diagram ng graphene photoelectric induction equipment at scanning electron microscope (SEM) na mga larawan ng mga aktwal na sample.Ang itim na maikling linya sa figure ay tumutugma sa 5 microns, at ang distansya sa pagitan ng mga linya ng metal ay isang micron.
Sa pamamagitan ng mga eksperimento, nalaman ng mga mananaliksik na ang metal graphene metal structure na photoelectric induction device na ito ay maaaring umabot sa working frequency na 16ghz nang pinakamarami, at maaaring gumana sa mataas na bilis sa hanay ng wavelength mula 300 nm (malapit sa ultraviolet) hanggang 6 microns (infrared), habang ang tradisyonal na photoelectric induction tube ay hindi makatugon sa infrared light na may mas mahabang wavelength.Ang dalas ng pagtatrabaho ng graphene photoelectric induction equipment ay mayroon pa ring magandang puwang para sa pagpapabuti.Dahil sa napakahusay na pagganap nito, mayroon itong malawak na hanay ng mga prospect ng aplikasyon, kabilang ang komunikasyon, remote control at pagsubaybay sa kapaligiran.
Bilang isang bagong materyal na may mga natatanging katangian, ang pananaliksik sa aplikasyon ng graphene ay umuusbong nang sunod-sunod.Mahirap para sa atin na isa-isahin sila dito.Sa hinaharap, maaaring may mga field effect tube na gawa sa graphene, molecular switch na gawa sa graphene at molecular detector na gawa sa graphene sa pang-araw-araw na buhay... Graphene na unti-unting lumalabas sa laboratoryo ay magniningning sa pang-araw-araw na buhay.
Maaari naming asahan na ang isang malaking bilang ng mga produktong elektroniko gamit ang graphene ay lilitaw sa malapit na hinaharap.Isipin kung gaano kawili-wili kung ang ating mga smartphone at netbook ay maaaring i-roll up, isaksak sa ating mga tainga, ipasok sa ating mga bulsa, o ibalot sa ating mga pulso kapag hindi ginagamit!
Oras ng post: Mar-09-2022