В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за работу над графеном.Эта награда произвела глубокое впечатление на многих людей.В конце концов, не каждый экспериментальный инструмент, получивший Нобелевскую премию, так же распространен, как клейкая лента, и не каждый объект исследования так волшебен и прост для понимания, как «двумерный кристалл» графен.Работа 2004 года может быть вручена в 2010 году, что является редкостью в истории Нобелевских премий последних лет.
Графен — это вещество, состоящее из одного слоя атомов углерода, плотно расположенных в двумерную сотовую гексагональную решетку.Подобно алмазу, графиту, фуллерену, углеродным нанотрубкам и аморфному углероду, он представляет собой вещество (простое вещество), состоящее из углеродных элементов.Как показано на рисунке ниже, фуллерены и углеродные нанотрубки можно рассматривать как свернутые каким-то образом из одного слоя графена, на который наложены многие слои графена.Теоретические исследования по использованию графена для описания свойств различных углеродных простых веществ (графита, углеродных нанотрубок и графена) продолжаются уже почти 60 лет, но принято считать, что таким двумерным материалам трудно стабильно существовать в одиночку. прикреплены только к трехмерной поверхности подложки или внутри таких веществ, как графит.Лишь в 2004 году, когда Андре Гейм и его ученик Константин Новоселов с помощью экспериментов отделили один слой графена от графита, исследования графена достигли нового развития.
И фуллерен (слева), и углеродная нанотрубка (в центре) можно рассматривать как свернутые каким-то образом одним слоем графена, тогда как графит (справа) сложен несколькими слоями графена за счет действия силы Ван-дер-Ваальса.
В настоящее время графен можно получить разными способами, и разные методы имеют свои преимущества и недостатки.Гейм и Новоселов получили графен простым способом.Используя прозрачную ленту, доступную в супермаркетах, они отделили графен, графитовый лист толщиной всего в один слой атомов углерода, с куска пиролитического графита высокого порядка.Это удобно, но управляемость не так хороша, и можно получить только графен размером менее 100 микрон (одна десятая миллиметра), который можно использовать для экспериментов, но его трудно использовать на практике. Приложения.Методом химического осаждения из паровой фазы можно вырастить на поверхности металла образцы графена размером в десятки сантиметров.Хотя площадь с постоянной ориентацией составляет всего 100 микрон [3,4], она пригодна для производственных нужд некоторых применений.Другой распространенный метод — нагреть кристалл карбида кремния (SIC) до температуры более 1100 ℃ в вакууме, чтобы атомы кремния вблизи поверхности испарялись, а оставшиеся атомы углерода перестраивались, что также позволяет получить образцы графена с хорошими свойствами.
Графен — новый материал с уникальными свойствами: его электропроводность не уступает меди, а теплопроводность лучше, чем у любого известного материала.Это очень прозрачно.Лишь небольшая часть (2,3%) вертикально падающего видимого света будет поглощаться графеном, а большая часть света пройдет сквозь него.Он настолько плотный, что даже атомы гелия (мельчайшие молекулы газа) не могут пройти сквозь него.Эти магические свойства унаследованы не от графита напрямую, а от квантовой механики.Его уникальные электрические и оптические свойства определяют, что он имеет широкие перспективы применения.
Хотя графен появился менее десяти лет назад, он нашел множество технических применений, что очень редко встречается в области физики и материаловедения.Чтобы обычные материалы перешли из лаборатории в реальную жизнь, требуется более десяти лет или даже десятилетий.Какая польза от графена?Давайте рассмотрим два примера.
Мягкий прозрачный электрод
Во многих электроприборах в качестве электродов необходимо использовать прозрачные проводящие материалы.Электронные часы, калькуляторы, телевизоры, жидкокристаллические дисплеи, сенсорные экраны, солнечные панели и многие другие устройства не могут отказаться от существования прозрачных электродов.В традиционном прозрачном электроде используется оксид индия-олова (ITO).Из-за высокой цены и ограниченных поставок индия материал является хрупким и негибким, а электрод необходимо наносить в средний слой вакуума, а стоимость относительно высока.Уже долгое время учёные пытаются найти ему замену.Помимо требований прозрачности, хорошей проводимости и простоты подготовки, если сам материал обладает хорошей гибкостью, он подойдет для изготовления «электронной бумаги» или других складных устройств отображения.Поэтому гибкость также является очень важным аспектом.Графен — это такой материал, который очень подходит для изготовления прозрачных электродов.
Исследователи из Samsung и Университета Ченгджунгуань в Южной Корее получили графен с длиной диагонали 30 дюймов методом химического осаждения из паровой фазы и перенесли его на пленку из полиэтилентерефталата (ПЭТ) толщиной 188 микрон для изготовления сенсорного экрана на основе графена [4].Как показано на рисунке ниже, графен, выращенный на медной фольге, сначала приклеивается к термоленте (синяя прозрачная часть), затем медная фольга растворяется химическим методом и, наконец, графен переносится на ПЭТ-пленку путем нагревания. .
Новое фотоэлектрическое индукционное оборудование
Графен обладает уникальными оптическими свойствами.Хотя слой атомов всего один, он может поглощать 2,3% излучаемого света во всем диапазоне длин волн — от видимого света до инфракрасного.Это число не имеет ничего общего с другими материальными параметрами графена и определяется квантовой электродинамикой [6].Поглощенный свет приведет к генерации носителей (электронов и дырок).Генерация и транспорт носителей в графене сильно отличаются от таковых в традиционных полупроводниках.Это делает графен очень подходящим для сверхбыстрого фотоэлектрического индукционного оборудования.Предполагается, что такое фотоэлектрическое индукционное оборудование может работать на частоте 500 ГГц.Если он используется для передачи сигнала, он может передавать 500 миллиардов нулей или единиц в секунду и завершать передачу содержимого двух дисков Blu-ray за одну секунду.
Специалисты из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson в США использовали графен для изготовления фотоэлектрических индукционных устройств, способных работать на частоте 10 ГГц [8].Сначала чешуйки графена были приготовлены на кремниевой подложке, покрытой кремнеземом толщиной 300 нм, методом «ленточного разрыва», а затем на ней были изготовлены палладиевые золотые или титановые золотые электроды с интервалом 1 микрон и шириной 250 нм.Таким образом получается фотоэлектрическое индукционное устройство на основе графена.
Принципиальная схема фотоэлектрического индукционного оборудования графена и фотографии реальных образцов, сделанные сканирующим электронным микроскопом (СЭМ).Черная короткая линия на рисунке соответствует 5 микронам, а расстояние между линиями металла – одному микрону.
В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что это фотоэлектрическое индукционное устройство с металлической графеновой металлической структурой может достигать рабочей частоты максимум 16 ГГц и может работать на высокой скорости в диапазоне длин волн от 300 нм (ближний ультрафиолет) до 6 микрон (инфракрасный), в то время как традиционная фотоэлектрическая индукционная трубка не может реагировать на инфракрасный свет с большей длиной волны.Рабочая частота графенового фотоэлектрического индукционного оборудования все еще имеет большие возможности для улучшения.Благодаря превосходным характеристикам он имеет широкий спектр возможностей применения, включая связь, дистанционное управление и мониторинг окружающей среды.
Исследования по применению графена как нового материала с уникальными свойствами возникают одно за другим.Нам трудно их здесь перечислить.В будущем в повседневной жизни могут появиться полевые трубки из графена, молекулярные переключатели из графена и молекулярные детекторы из графена… Графен, который постепенно выходит из лабораторий, будет сиять в повседневной жизни.
Можно ожидать, что в ближайшем будущем появится большое количество электронных продуктов, использующих графен.Подумайте, как было бы интересно, если бы наши смартфоны и нетбуки можно было свернуть, зажать за уши, положить в карманы или обернуть вокруг запястья, когда они не используются!
Время публикации: 9 марта 2022 г.