banner

Vad är nyttan med grafen?Två tillämpningsfall låter dig förstå tillämpningsmöjligheterna för grafen

2010 vann Geim och Novoselov Nobelpriset i fysik för sitt arbete med grafen.Denna utmärkelse har gjort ett djupt intryck på många människor.När allt kommer omkring är inte alla experimentella Nobelprisverktyg lika vanliga som tejp, och inte alla forskningsobjekt är lika magiska och lätta att förstå som "tvådimensionell kristall" grafen.Verket 2004 kan delas ut 2010, vilket är sällsynt i rekordet av Nobelpriset de senaste åren.

Grafen är ett slags ämne som består av ett enda lager av kolatomer tätt anordnade i ett tvådimensionellt sexkantigt bikakenät.Liksom diamant, grafit, fulleren, kolnanorör och amorft kol är det ett ämne (enkel substans) som består av kolelement.Som visas i figuren nedan kan fullerener och kolnanorör ses som hoprullade på något sätt från ett enda lager grafen, som är staplat av många lager grafen.Den teoretiska forskningen om användningen av grafen för att beskriva egenskaperna hos olika enkla kolämnen (grafit, kolnanorör och grafen) har pågått i nästan 60 år, men man tror allmänt att sådana tvådimensionella material är svåra att stabilt existera ensamma. endast fäst vid den tredimensionella substratytan eller inuti ämnen som grafit.Det var inte förrän 2004 som Andre Geim och hans elev Konstantin Novoselov tog bort ett enda lager grafen från grafit genom experiment som forskningen om grafen uppnådde ny utveckling.

Både fulleren (vänster) och kolnanorör (mitten) kan betraktas som rullade upp av ett enda lager grafen på något sätt, medan grafit (höger) staplas av flera lager av grafen genom anslutningen av van der Waals kraft.

Numera kan grafen fås på många sätt och olika metoder har sina fördelar och nackdelar.Geim och Novoselov fick grafen på ett enkelt sätt.Med hjälp av genomskinlig tejp som finns tillgänglig i stormarknader tog de bort grafen, ett grafitark med bara ett lager kolatomer tjockt, från en bit pyrolytisk grafit av hög ordning.Detta är bekvämt, men kontrollerbarheten är inte så bra, och grafen med en storlek på mindre än 100 mikron (en tiondels millimeter) kan bara erhållas, som kan användas för experiment, men det är svårt att använda för praktiska applikationer.Kemisk ångavsättning kan odla grafenprover med storleken tiotals centimeter på metallytan.Även om området med konsekvent orientering bara är 100 mikron [3,4], har det varit lämpligt för produktionsbehoven för vissa applikationer.En annan vanlig metod är att värma kiselkarbidkristallen (SIC) till mer än 1100 ℃ i vakuum, så att kiselatomerna nära ytan avdunstar och de återstående kolatomerna omarrangeras, vilket också kan erhålla grafenprover med goda egenskaper.

Grafen är ett nytt material med unika egenskaper: dess elektriska ledningsförmåga 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 infallande synliga ljuset kommer att absorberas av grafen, och det mesta av ljuset kommer att passera igenom.Det är så tätt att inte ens heliumatomer (de minsta gasmolekylerna) kan passera igenom.Dessa magiska egenskaper ärvs inte direkt från grafit, utan från kvantmekaniken.Dess unika elektriska och optiska egenskaper avgör att den har breda tillämpningsmöjligheter.

Även om grafen bara har dykt upp i mindre än tio år, har det visat sig många tekniska tillämpningar, vilket är mycket sällsynt inom fysik och materialvetenskap.Det tar mer än tio år eller till och med decennier för allmänt material att flytta från laboratoriet till det verkliga livet.Vad är nyttan med grafen?Låt oss titta på två exempel.

Mjuk transparent elektrod
I många elektriska apparater måste transparenta ledande material användas som elektroder.Elektroniska klockor, miniräknare, tv-apparater, flytande kristaller, pekskärmar, solpaneler och många andra enheter kan inte lämna existensen av genomskinliga elektroder.Den traditionella transparenta elektroden använder indiumtennoxid (ITO).På grund av det höga priset och det begränsade utbudet av indium är materialet sprött och bristande flexibilitet, och elektroden måste deponeras i mellanskiktet av vakuum, och kostnaden är relativt hög.Under lång tid har forskare försökt hitta dess ersättning.Förutom kraven på transparens, god ledningsförmåga och enkel förberedelse, om flexibiliteten hos 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 en 188 mikron tjock polyetylentereftalat (PET) film för att producera en grafenbaserad pekskärm [4].Som visas i figuren nedan binds grafenen som odlas på kopparfolien först med termisk strippningstejp (blå transparent del), sedan löses kopparfolien upp med kemisk metod och slutligen överförs grafenen till PET-filmen genom uppvärmning .

Ny fotoelektrisk induktionsutrustning
Grafen har mycket unika optiska egenskaper.Även om det bara finns ett lager av atomer kan det absorbera 2,3 % av det emitterade ljuset i hela våglängdsområdet från synligt ljus till infrarött.Detta nummer har ingenting att göra med andra materialparametrar av grafen och bestäms av kvantelektrodynamik [6].Det absorberade ljuset kommer att leda till generering av bärare (elektroner och hål).Generering och transport av bärare i grafen skiljer sig mycket från de i traditionella halvledare.Detta gör grafen mycket lämplig för ultrasnabb fotoelektrisk induktionsutrustning.Det uppskattas att sådan fotoelektrisk induktionsutrustning kan fungera vid frekvensen 500ghz.Om den används för signalöverföring kan den sända 500 miljarder nollor eller ettor per sekund och slutföra överföringen av innehållet på två Blu-ray-skivor på en sekund.

Experter från IBM Thomas J. Watson Research Center i USA har använt grafen för att tillverka fotoelektriska induktionsapparater som kan arbeta vid 10GHz frekvens [8].Först framställdes grafenflingor på ett kiselsubstrat täckt med 300 nm tjock kiseldioxid genom "tape tearing method", och sedan gjordes palladiumguld eller titanguldelektroder med ett intervall på 1 mikron och en bredd på 250 nm på det.På detta sätt erhålls en grafenbaserad fotoelektrisk induktionsanordning.

Schematiskt diagram av grafen fotoelektrisk induktionsutrustning och scanning elektronmikroskop (SEM) foton av faktiska prover.Den svarta korta linjen i figuren motsvarar 5 mikron, och avståndet mellan metalllinjerna är en mikron.

Genom experiment fann forskarna att denna fotoelektriska induktionsanordning av metallgrafen och metallstruktur kan nå arbetsfrekvensen på högst 16ghz och kan arbeta med hög hastighet i våglängdsområdet från 300 nm (nära ultraviolett) till 6 mikron (infrarött), medan det traditionella fotoelektriska induktionsröret kan inte svara på infrarött ljus med längre våglängd.Arbetsfrekvensen för grafenfotoelektrisk induktionsutrustning har fortfarande stort utrymme för förbättring.Dess överlägsna prestanda gör att den har ett brett utbud av tillämpningsmöjligheter, inklusive kommunikation, fjärrkontroll och miljöövervakning.

Som ett nytt material med unika egenskaper växer forskningen om tillämpningen av grafen fram en efter en.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 molekylära detektorer gjorda av grafen i det dagliga livet... Grafen som gradvis kommer ut från laboratoriet kommer att lysa i det dagliga livet.

Vi kan förvänta oss att ett stort antal elektroniska produkter som använder grafen kommer att dyka upp inom en snar framtid.Tänk på hur intressant det skulle vara om våra smartphones och netbooks kunde rullas ihop, klämmas fast i öronen, stoppas i fickorna eller viras runt handlederna när de inte används!


Posttid: 2022-09-09