2010 vann Geim och Novoselov Nobelpriset i fysik för sitt arbete med grafen. Denna utmärkelsen har lämnat ett djupt intryck på många människor. När allt kommer omkring är inte alla Nobelprisexperimentella verktyg lika vanligt som självhäftande tejp, och inte varje forskningsobjekt är lika magiskt och lätt att förstå som ”tvådimensionell kristall” -grafen. Arbetet 2004 kan delas ut 2010, vilket är sällsynt i protokollet för Nobelpriset de senaste åren.
Grafen är ett slags ämne som består av ett enda lager kolatomer som är nära arrangerade till en tvådimensionell honungskaka hexagonal gitter. Liksom diamant, grafit, fulleren, kolananorör och amorft kol, är det ett ämne (enkelt ämne) som består av kolelement. Som visas i figuren nedan kan fullerener och kolananorör ses som rullas upp på något sätt från ett enda lager grafen, som staplas av många skikt av grafen. Den teoretiska forskningen om användning av grafen för att beskriva egenskaperna hos olika kols enkla ämnen (grafit, kolananorör och grafen) har varat i nästan 60 år, men det tros i allmänhet att sådana tvådimensionella material är svåra att stabilt existera ensamma, Endast fäst vid den tredimensionella substratytan eller inre ämnen som grafit. Det var först 2004 som Andre Geim och hans student Konstantin Novoselov avlägsnade ett enda lager grafen från grafit genom experiment som forskningen om grafen uppnådde ny utveckling.
Både fulleren (vänster) och kol nanorör (mitten) kan betraktas som rullas upp av ett enda skikt av grafen på något sätt, medan grafit (höger) staplas av flera skikt av grafen genom anslutningen av van der Waals kraft.
Numera kan grafen erhållas på många sätt, och olika metoder har sina egna fördelar och nackdelar. Geim och Novoselov erhöll grafen på ett enkelt sätt. Med hjälp av transparent tejp tillgängligt i stormarknader strippade de grafen, ett grafitark med bara ett lager kolatomer tjocka, från en bit högordning pyrolytisk grafit. Detta är bekvämt, men styrbarheten är inte så bra, och grafen med en storlek på mindre än 100 mikron (en tiondel av en millimeter) kan endast erhållas, som kan användas för experiment, men det är svårt att användas för praktiska applikationer. Kemisk ångavsättning kan odla grafenprover med storleken på tiotals centimeter på metallytan. Även om området med konsekvent orientering endast är 100 mikron [3,4], har det varit lämpligt för produktionsbehovet för vissa applikationer. En annan vanlig metod är att värma kiselkarbid (SiC) kristall till mer än 1100 ℃ i vakuum, så att kiselatomerna nära ytan avdunsta, och de återstående kolatomerna omarrangeras, vilket också kan erhålla grafenprover med goda egenskaper.
Grafen är ett nytt material med unika egenskaper: dess elektriska konduktivitet är lika utmärkt som koppar, och dess värmeledningsförmåga är bättre än något känt material. Det är väldigt transparent. Endast en liten del (2,3%) av det vertikala incidenten synligt ljus kommer att absorberas av grafen, och det mesta av ljuset kommer att passera. Det är så tätt att även heliumatomer (de minsta gasmolekylerna) inte kan passera igenom. Dessa magiska egenskaper ärvs inte direkt från grafit utan från kvantmekanik. Dess unika elektriska och optiska egenskaper bestämmer att de har breda tillämpningsmöjligheter.
Även om grafen bara har dykt upp i mindre än tio år, har det visat många tekniska tillämpningar, vilket är mycket sällsynt inom områdena fysik och materialvetenskap. Det tar mer än tio år eller till och med decennier för allmänna material att flytta från laboratorium till verkliga livet. Vad är användningen av grafen? Låt oss titta på två exempel.
Mjuk transparent elektrod
I många elektriska apparater måste transparenta ledande material användas som elektroder. Elektroniska klockor, kalkylatorer, tv -apparater, flytande kristallskärmar, pekskärmar, solpaneler och många andra enheter kan inte lämna förekomsten av transparenta elektroder. Den traditionella transparenta elektroden använder indium tennoxid (ITO). På grund av det höga priset och det begränsade utbudet av indium är materialet sprött och bristen på flexibilitet, och elektroden måste deponeras i det mellersta vakuumskiktet, och kostnaden är relativt hög. Under lång tid har forskare försökt hitta sitt ersättare. Förutom kraven på transparens, god konduktivitet och enkel beredning, om själva flexibiliteten i själva materialet är bra, kommer det att vara lämpligt för att göra "elektroniskt papper" eller andra vikbara displayenheter. Därför är flexibilitet också en mycket viktig aspekt. Grafen är ett sådant material, som är mycket lämpligt för transparenta elektroder.
Forskare från Samsung och Chengjunguan University i Sydkorea erhöll grafen med en diagonal längd på 30 tum genom kemisk ångavsättning och överförde den till ett 188 mikron tjockt polyeten tereftalat (PET) film för att producera en grafenbaserad pekskärm [4]. Som visas i figuren nedan är grafenen som odlas på kopparfolien först bunden med det termiska stripptejpen (blå transparent del), sedan upplöstes kopparfolien med kemisk metod och slutligen överförs grafen till husdjursfilmen genom upphettning .
Ny fotoelektrisk induktionsutrustning
Grafen har mycket unika optiska egenskaper. Även om det bara finns ett lager atomer, kan det absorbera 2,3% av det utsända ljuset i hela våglängdsområdet från synligt ljus till infraröd. Detta nummer har inget att göra med andra materialparametrar för grafen och bestäms av kvantelektrodynamik [6]. Det absorberade ljuset kommer att leda till generering av bärare (elektroner och hål). Generationen och transporten av bärare i grafen skiljer sig mycket från de i traditionella halvledare. Detta gör grafen mycket lämplig för ultrafast fotoelektrisk induktionsutrustning. Det uppskattas att sådan fotoelektrisk induktionsutrustning kan fungera med frekvensen 500 GHz. Om den används för signalöverföring kan den överföra 500 miljarder nollor eller sådana per sekund och slutföra överföringen av innehållet i två Blu Ray -skivor på en sekund.
Experter från IBM Thomas J. Watson Research Center i USA har använt grafen för att tillverka fotoelektriska induktionsanordningar som kan fungera vid 10 GHz -frekvens [8]. För det första framställdes grafenflingor på ett kiselsubstrat täckt med 300 nm tjocka kiseldioxid med "band rivningsmetod", och sedan gjordes palladiumguld eller titanguldelektroder med ett intervall på 1 mikron och en bredd av 250 nm på den. På detta sätt erhålls en grafenbaserad fotoelektrisk induktionsenhet.
Schematiskt diagram över grafenfotoelektrisk induktionsutrustning och skanningselektronmikroskop (SEM) foton av faktiska prover. Den svarta korta linjen i figuren motsvarar 5 mikron, och avståndet mellan metallledningar är en mikron.
Through experiments, the researchers found that this metal graphene metal structure photoelectric induction device can reach the working frequency of 16ghz at most, and can work at high speed in the wavelength range from 300 nm (near ultraviolet) to 6 microns (infrared), while Det traditionella fotoelektriska induktionsröret kan inte svara på infrarött ljus med längre våglängd. Arbetsfrekvensen för grafenfotoelektrisk induktionsutrustning har fortfarande bra utrymme för förbättringar. Dess överlägsna prestanda gör att den har ett brett utbud av applikationsperspektiv, inklusive kommunikation, fjärrkontroll och miljöövervakning.
Som ett nytt material med unika egenskaper dyker upp forskningen om tillämpning av grafen efter varandra. Det är svårt för oss att räkna upp dem här. I framtiden kan det finnas fälteffektrör gjorda av grafen, molekylära switchar gjorda av grafen och molekyldetektorer gjorda av grafen i det dagliga livet ... grafen som gradvis kommer ut ur laboratoriet kommer att lysa i det dagliga livet.
Vi kan förvänta oss att ett stort antal elektroniska produkter som använder grafen kommer att visas inom en snar framtid. Tänk på hur intressant det skulle vara om våra smartphones och netbooks kunde rullas upp, klämmas fast på öronen, fylld i fickorna eller lindas runt våra handleder när de inte används!
Posttid: Mar-09-2022