In 2010 wonnen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk aan grafeen.Deze onderscheiding heeft op veel mensen een diepe indruk achtergelaten.Niet elk experimenteel hulpmiddel voor de Nobelprijs is immers zo gebruikelijk als plakband, en niet elk onderzoeksobject is zo magisch en gemakkelijk te begrijpen als ‘tweedimensionaal kristal’ grafeen.Het werk uit 2004 kan in 2010 worden toegekend, wat zeldzaam is in de geschiedenis van de Nobelprijs van de afgelopen jaren.
Grafeen is een soort substantie die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die nauw zijn gerangschikt in een tweedimensionaal zeshoekig honingraatrooster.Net als diamant, grafiet, fullereen, koolstofnanobuisjes en amorfe koolstof is het een stof (eenvoudige stof) die is samengesteld uit koolstofelementen.Zoals je in de onderstaande figuur kunt zien, kunnen fullerenen en koolstofnanobuisjes op de een of andere manier worden opgerold uit een enkele laag grafeen, die is gestapeld door vele lagen grafeen.Het theoretische onderzoek naar het gebruik van grafeen om de eigenschappen van verschillende eenvoudige koolstofsubstanties (grafiet, koolstofnanobuisjes en grafeen) te beschrijven duurt al bijna 60 jaar, maar algemeen wordt aangenomen dat het moeilijk is om dergelijke tweedimensionale materialen op zichzelf stabiel te laten bestaan. alleen bevestigd aan het driedimensionale substraatoppervlak of aan stoffen zoals grafiet.Pas in 2004, toen Andre Geim en zijn student Konstantin Novoselov door middel van experimenten een enkele laag grafeen van grafiet verwijderden, bereikte het onderzoek naar grafeen een nieuwe ontwikkeling.
Zowel fullereen (links) als koolstofnanobuisjes (midden) kunnen op de een of andere manier worden opgerold door een enkele laag grafeen, terwijl grafiet (rechts) wordt gestapeld door meerdere lagen grafeen door de verbinding van van der Waals-kracht.
Tegenwoordig kan grafeen op vele manieren worden verkregen, en verschillende methoden hebben hun eigen voor- en nadelen.Geim en Novoselov verkregen op een eenvoudige manier grafeen.Met behulp van transparante tape die in supermarkten verkrijgbaar is, stripten ze grafeen, een grafietplaat met slechts één laag koolstofatomen dik, van een stuk hoogwaardig pyrolytisch grafiet.Dit is handig, maar de bestuurbaarheid is niet zo goed, en er kan alleen grafeen met een grootte van minder dan 100 micron (een tiende millimeter) worden verkregen, dat kan worden gebruikt voor experimenten, maar het is moeilijk te gebruiken voor praktische toepassingen. toepassingen.Door chemische dampafzetting kunnen grafeenmonsters ter grootte van tientallen centimeters op het metalen oppervlak groeien.Hoewel het gebied met consistente oriëntatie slechts 100 micron bedraagt [3,4], is het geschikt gebleken voor de productiebehoeften van sommige toepassingen.Een andere veelgebruikte methode is het verwarmen van het siliciumcarbide (SIC) kristal tot meer dan 1100 ℃ in vacuüm, zodat de siliciumatomen nabij het oppervlak verdampen en de resterende koolstofatomen worden herschikt, waardoor ook grafeenmonsters met goede eigenschappen kunnen worden verkregen.
Grafeen is een nieuw materiaal met unieke eigenschappen: de elektrische geleidbaarheid is net zo uitstekend als die van koper, en de thermische geleidbaarheid is beter dan welk bekend materiaal dan ook.Het is heel transparant.Slechts een klein deel (2,3%) van het verticaal invallende zichtbare licht zal worden geabsorbeerd door grafeen, en het grootste deel van het licht zal erdoorheen gaan.Het is zo compact dat zelfs heliumatomen (de kleinste gasmoleculen) er niet doorheen kunnen.Deze magische eigenschappen worden niet rechtstreeks geërfd van grafiet, maar van de kwantummechanica.De unieke elektrische en optische eigenschappen zorgen ervoor dat het brede toepassingsmogelijkheden heeft.
Hoewel grafeen nog geen tien jaar bestaat, heeft het al veel technische toepassingen laten zien, wat zeer zeldzaam is op het gebied van de natuurkunde en de materiaalkunde.Het duurt meer dan tien jaar of zelfs tientallen jaren voordat algemene materialen van het laboratorium naar het echte leven gaan.Wat is het gebruik van grafeen?Laten we naar twee voorbeelden kijken.
Zachte transparante elektrode
In veel elektrische apparaten moeten transparante geleidende materialen als elektroden worden gebruikt.Elektronische horloges, rekenmachines, televisies, LCD-schermen, aanraakschermen, zonnepanelen en vele andere apparaten kunnen het bestaan van transparante elektroden niet achterwege laten.De traditionele transparante elektrode maakt gebruik van indiumtinoxide (ITO).Vanwege de hoge prijs en het beperkte aanbod van indium is het materiaal bros en gebrek aan flexibiliteit, en moet de elektrode in de middelste vacuümlaag worden afgezet, en de kosten zijn relatief hoog.Wetenschappers proberen al heel lang een vervanger te vinden.Naast de vereisten van transparantie, goede geleidbaarheid en gemakkelijke voorbereiding, zal het, als de flexibiliteit van het materiaal zelf goed is, geschikt zijn voor het maken van “elektronisch papier” of andere opvouwbare weergaveapparaten.Daarom is flexibiliteit ook een heel belangrijk aspect.Grafeen is zo'n materiaal, dat zeer geschikt is voor transparante elektroden.
Onderzoekers van Samsung en de Chengjunguan Universiteit in Zuid-Korea hebben grafeen met een diagonale lengte van 90 cm verkregen door middel van chemische dampafzetting en dit overgebracht op een 188 micron dikke polyethyleentereftalaat (PET) film om een op grafeen gebaseerd aanraakscherm te produceren [4].Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, wordt het op de koperfolie gegroeide grafeen eerst gebonden met de thermische striptape (blauw transparant deel), vervolgens wordt de koperfolie opgelost door een chemische methode en ten slotte wordt het grafeen door verhitting overgebracht naar de PET-film. .
Nieuwe foto-elektrische inductieapparatuur
Grafeen heeft zeer unieke optische eigenschappen.Hoewel er maar één atomenlaag is, kan deze 2,3% van het uitgezonden licht absorberen in het hele golflengtebereik van zichtbaar licht tot infrarood.Dit getal heeft niets te maken met andere materiaalparameters van grafeen en wordt bepaald door de kwantumelektrodynamica [6].Het geabsorbeerde licht zal leiden tot het genereren van dragers (elektronen en gaten).Het genereren en transporteren van dragers in grafeen is heel anders dan die in traditionele halfgeleiders.Dit maakt grafeen zeer geschikt voor ultrasnelle foto-elektrische inductieapparatuur.Er wordt geschat dat dergelijke foto-elektrische inductieapparatuur kan werken op de frequentie van 500 GHz.Als het wordt gebruikt voor signaaloverdracht, kan het 500 miljard nullen of enen per seconde verzenden en de overdracht van de inhoud van twee Blu-ray-schijven in één seconde voltooien.
Experts van het IBM Thomas J. Watson Research Center in de Verenigde Staten hebben grafeen gebruikt om foto-elektrische inductieapparaten te vervaardigen die kunnen werken op een frequentie van 10 GHz [8].Eerst werden grafeenvlokken bereid op een siliciumsubstraat bedekt met 300 nm dik silica door middel van de “tape tearing-methode”, en vervolgens werden er palladiumgoud- of titaniumgoudelektroden met een interval van 1 micron en een breedte van 250 nm op aangebracht.Op deze manier wordt een op grafeen gebaseerd foto-elektrisch inductieapparaat verkregen.
Schematisch diagram van grafeen foto-elektrische inductieapparatuur en scanning-elektronenmicroscoop (SEM) foto's van werkelijke monsters.De zwarte korte lijn in de figuur komt overeen met 5 micron en de afstand tussen metalen lijnen is één micron.
Door middel van experimenten ontdekten de onderzoekers dat dit foto-elektrische inductieapparaat met metalen grafeen-metaalstructuur de werkfrequentie van maximaal 16 GHz kan bereiken en met hoge snelheid kan werken in het golflengtebereik van 300 nm (bijna ultraviolet) tot 6 micron (infrarood), terwijl de traditionele foto-elektrische inductiebuis kan niet reageren op infraroodlicht met een langere golflengte.De werkfrequentie van grafeen foto-elektrische inductieapparatuur heeft nog steeds veel ruimte voor verbetering.Dankzij de superieure prestaties heeft het een breed scala aan toepassingsmogelijkheden, waaronder communicatie, afstandsbediening en omgevingsmonitoring.
Als nieuw materiaal met unieke eigenschappen ontstaat het onderzoek naar de toepassing van grafeen achter elkaar.Het is voor ons moeilijk om ze hier op te sommen.In de toekomst kunnen er in het dagelijks leven veldeffectbuizen van grafeen, moleculaire schakelaars van grafeen en moleculaire detectoren van grafeen bestaan… Grafeen dat geleidelijk uit het laboratorium komt, zal schitteren in het dagelijks leven.
We kunnen verwachten dat er in de nabije toekomst een groot aantal elektronische producten waarin grafeen wordt gebruikt, zullen verschijnen.Bedenk eens hoe interessant het zou zijn als onze smartphones en netbooks zouden kunnen worden opgerold, op onze oren geklemd, in onze zakken gestopt of om onze polsen gewikkeld wanneer ze niet in gebruik zijn!
Posttijd: 09-mrt-2022