банэр

Якая карысць ад графена?Два выпадкі прымянення дазваляюць зразумець перспектывы прымянення графена

У 2010 годзе Гейм і Навасёлаў атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы за працу над графенам.Гэтая ўзнагарода пакінула глыбокае ўражанне на многіх людзей.У рэшце рэшт, не кожны эксперыментальны інструмент Нобелеўскай прэміі з'яўляецца такім распаўсюджаным, як клейкая стужка, і не кожны аб'ект даследавання такі ж магічны і просты для разумення, як «двухмерны крышталь» графена.Праца 2004 года можа быць прысуджана ў 2010 годзе, што рэдкасць у спісе Нобелеўскіх прэмій за апошнія гады.

Графен - гэта свайго роду рэчыва, якое складаецца з аднаго пласта атамаў вугляроду, цесна размешчаных у двухмернай сотавай шасцікутнай рашотцы.Як алмаз, графіт, фулерэн, вугляродныя нанатрубкі і аморфны вуглярод, гэта рэчыва (простае рэчыва), якое складаецца з вугляродных элементаў.Як паказана на малюнку ніжэй, фулерэны і вугляродныя нанатрубкі можна ўбачыць як згорнутыя нейкім чынам з аднаго пласта графена, які складаецца з мноства слаёў графена.Тэарэтычныя даследаванні па выкарыстанні графена для апісання ўласцівасцей розных вугляродных простых рэчываў (графіту, вугляродных нанатрубак і графена) доўжыліся амаль 60 гадоў, але звычайна лічыцца, што такія двухмерныя матэрыялы цяжка стабільна існаваць паасобку, толькі прымацаваныя да паверхні трохмернай падкладкі або ўнутры такіх рэчываў, як графіт.Толькі ў 2004 годзе Андрэ Гейм і яго вучань Канстанцін Навасёлаў шляхам эксперыментаў знялі адзін пласт графена з графіту, і даследаванні графена атрымалі новае развіццё.

І фулерэн (злева), і вугляродную нанатрубку (пасярэдзіне) можна разглядаць як нейкім чынам згорнутыя адным пластом графена, у той час як графіт (справа) складаецца з некалькіх слаёў графена праз злучэнне сілы Ван-дэр-Ваальса.

У наш час графен можна атрымаць рознымі спосабамі, і розныя метады маюць свае перавагі і недахопы.Гейм і Навасёлаў атрымалі графен простым спосабам.Выкарыстоўваючы празрыстую стужку, наяўную ў супермаркетах, яны пазбавілі графен, графітавы ліст з таўшчынёй усяго ў адзін пласт атамаў вугляроду, з кавалка піралітычнага графіту высокага парадку.Гэта зручна, але кіравальнасць не такая добрая, і можна атрымаць толькі графен памерам менш за 100 мікрон (адну дзесятую міліметра), які можна выкарыстоўваць для эксперыментаў, але яго цяжка выкарыстоўваць для практычных прыкладанняў.Хімічнае асаджэнне з паравай фазы можа вырасціць на металічнай паверхні ўзоры графена памерам у дзясяткі сантыметраў.Нягледзячы на ​​тое, што плошча з пастаяннай арыентацыяй складае ўсяго 100 мікрон [3,4], яна падыходзіць для вытворчых патрэб некаторых прыкладанняў.Іншым распаўсюджаным метадам з'яўляецца нагрэў крышталя карбіду крэмнію (SIC) да тэмпературы больш за 1100 ℃ у вакууме, каб атамы крэмнію паблізу паверхні выпараліся, а астатнія атамы вугляроду перагрупоўваліся, што таксама дазваляе атрымаць узоры графена з добрымі ўласцівасцямі.

Графен - гэта новы матэрыял з унікальнымі ўласцівасцямі: яго электраправоднасць такая ж выдатная, як і медзь, а цеплаправоднасць лепшая, чым любы вядомы матэрыял.Гэта вельмі празрыста.Толькі невялікая частка (2,3%) вертыкальна падаючага бачнага святла будзе паглынацца графенам, і большая частка святла пройдзе скрозь.Ён настолькі шчыльны, што нават атамы гелія (найменшыя малекулы газу) не могуць прайсці праз яго.Гэтыя магічныя ўласцівасці перадаюцца не непасрэдна ад графіту, а ад квантавай механікі.Яго унікальныя электрычныя і аптычныя ўласцівасці вызначаюць яго шырокія перспектывы прымянення.

Нягледзячы на ​​тое, што графен з'явіўся менш чым за дзесяць гадоў, ён знайшоў шмат тэхнічных прымяненняў, што вельмі рэдка сустракаецца ў галіне фізікі і матэрыялазнаўства.Спатрэбіцца больш за дзесяць гадоў ці нават дзесяцігоддзяў, каб агульныя матэрыялы перайшлі з лабараторыі ў рэальнае жыццё.Якая карысць ад графена?Давайце разгледзім два прыклады.

Мяккі празрысты электрод
У многіх электрапрыборах у якасці электродаў неабходна выкарыстоўваць празрыстыя токаправодныя матэрыялы.Электронныя гадзіны, калькулятары, тэлевізары, вадкакрысталічныя дысплеі, сэнсарныя экраны, сонечныя панэлі і многія іншыя прылады не могуць пакінуць існаванне празрыстых электродаў.Традыцыйны празрысты электрод выкарыстоўвае аксід індыя-волава (ITO).З-за высокай цаны і абмежаваных паставак індыя матэрыял далікатны і недастаткова гнуткі, і электрод павінен быць асаджаны ў сярэднім слоі вакууму, а кошт адносна высокі.Доўгі час навукоўцы спрабавалі знайсці яму замену.У дадатак да патрабаванняў празрыстасці, добрай электраправоднасці і лёгкай падрыхтоўкі, калі гнуткасць самога матэрыялу добрая, ён будзе прыдатны для вырабу «электроннай паперы» або іншых складаных дысплеяў.Такім чынам, гнуткасць - таксама вельмі важны аспект.Графен - гэта такі матэрыял, які вельмі добра падыходзіць для празрыстых электродаў.

Даследчыкі з Samsung і Chengjunguan University ў Паўднёвай Карэі атрымалі графен з даўжынёй дыяганалі 30 цаляў шляхам хімічнага асаджэння з пара і перанеслі яго на плёнку з поліэтылентэрэфталату (ПЭТ) таўшчынёй 188 мікрон для стварэння сэнсарнага экрана на аснове графена [4].Як паказана на малюнку ніжэй, графен, вырашчаны на меднай фальзе, спачатку злучаецца з тэрмічнай зачышчальнай стужкай (сіняя празрыстая частка), затым медная фальга раствараецца хімічным метадам, і, нарэшце, графен пераносіцца на ПЭТ-плёнку шляхам награвання .

Новае фотаэлектрычнае індукцыйнае абсталяванне
Графен валодае вельмі унікальнымі аптычнымі ўласцівасцямі.Хоць ёсць толькі адзін пласт атамаў, ён можа паглынаць 2,3% выпраменьванага святла ва ўсім дыяпазоне даўжынь хваль ад бачнага святла да інфрачырвонага.Гэты лік не мае нічога агульнага з іншымі матэрыяльнымі параметрамі графена і вызначаецца квантавай электрадынамікай [6].Паглынутае святло прывядзе да генерацыі носьбітаў (электронаў і дзірак).Генерацыя і транспарціроўка носьбітаў у графене моцна адрозніваюцца ад такіх у традыцыйных паўправадніках.Гэта робіць графен вельмі прыдатным для звышхуткага фотаэлектрычнага індукцыйнага абсталявання.Мяркуецца, што такое фотаэлектрычнае індукцыйнае абсталяванне можа працаваць на частаце 500 Ггц.Калі ён выкарыстоўваецца для перадачы сігналу, ён можа перадаваць 500 мільярдаў нулёў або адзінак у секунду і завяршыць перадачу змесціва двух дыскаў Blu-ray за адну секунду.

Спецыялісты з даследчага цэнтра IBM Thomas J. Watson Research Center у ЗША выкарысталі графен для вытворчасці фотаэлектрычных індукцыйных прылад, якія могуць працаваць на частаце 10 Ггц [8].Спачатку на крамянёвай падкладцы, пакрытай кремнеземом таўшчынёй 300 нм, «метадам разрыву стужкі» рыхтавалі шматкі графена, а затым на іх выраблялі залатыя паладыевыя або залатыя тытанавыя электроды з інтэрвалам 1 мікрон і шырынёй 250 нм.Такім чынам атрымліваецца фотаэлектрычны індукцыйны прыбор на аснове графена.

Прынцыповая схема графенавага фотаэлектрычнага індукцыйнага абсталявання і фатаграфіі фактычных узораў сканіруючага электроннага мікраскопа (SEM).Чорная кароткая лінія на малюнку адпавядае 5 мікрон, а адлегласць паміж металічнымі лініямі - адзін мікрон.

У ходзе эксперыментаў даследчыкі выявілі, што фотаэлектрычная індукцыйная прылада з металічнай графенавай металічнай структурай можа дасягаць працоўнай частаты максімум 16 Ггц і можа працаваць на высокай хуткасці ў дыяпазоне даўжынь хваль ад 300 нм (блізу ультрафіялетавага) да 6 мікрон (інфрачырвонае), у той час як традыцыйная фотаэлектрычная індукцыйная трубка не можа рэагаваць на інфрачырвонае святло з большай даўжынёй хвалі.Рабочая частата графенавага фотаэлектрычнага індукцыйнага абсталявання ўсё яшчэ мае шмат магчымасцей для паляпшэння.Яго найвышэйшая прадукцыйнасць робіць яго шырокім спектрам прымянення, уключаючы сувязь, дыстанцыйнае кіраванне і маніторынг навакольнага асяроддзя.

Як новы матэрыял з унікальнымі ўласцівасцямі, даследаванні па прымяненні графена ўзнікаюць адно за адным.Нам цяжка іх тут пералічыць.У будучыні ў штодзённым жыцці могуць з'явіцца палявыя трубкі з графена, малекулярныя перамыкачы з графена і малекулярныя дэтэктары з графена... Графен, які паступова выходзіць з лабараторыі, будзе ззяць у паўсядзённым жыцці.

Можна чакаць, што ў бліжэйшы час з'явіцца вялікая колькасць электронных вырабаў з выкарыстаннем графена.Падумайце, як было б цікава, калі б нашы смартфоны і нэтбукі можна было згарнуць, заціснуць на вушах, засунуць у кішэні або накруціць на запясці, калі яны не выкарыстоўваюцца!


Час публікацыі: 9 сакавіка 2022 г