In 2010 wonnen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk aan grafeen. Deze prijs heeft een diepe indruk achtergelaten op velen. Immers, niet elk experimenteel hulpmiddel dat een Nobelprijs oplevert is zo alledaags als plakband, en niet elk onderzoeksobject is zo magisch en gemakkelijk te begrijpen als het 'tweedimensionale kristal' grafeen. Dat werk uit 2004 in 2010 bekroond kon worden, is zeldzaam in de geschiedenis van de Nobelprijzen van de afgelopen jaren.
Grafeen is een stof die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die dicht op elkaar gerangschikt zijn in een tweedimensionaal honingraatvormig hexagonaal rooster. Net als diamant, grafiet, fullereen, koolstofnanobuisjes en amorfe koolstof is het een stof (een eenvoudige stof) die is samengesteld uit koolstofelementen. Zoals in de onderstaande afbeelding te zien is, kunnen fullerenen en koolstofnanobuisjes worden gezien als opgerold uit een enkele laag grafeen, die is opgebouwd uit vele lagen grafeen. Het theoretisch onderzoek naar het gebruik van grafeen om de eigenschappen van verschillende eenvoudige koolstofstoffen (grafiet, koolstofnanobuisjes en grafeen) te beschrijven, duurt al bijna 60 jaar. Over het algemeen werd echter aangenomen dat dergelijke tweedimensionale materialen moeilijk stabiel op zichzelf kunnen bestaan, maar alleen gehecht zijn aan een driedimensionaal substraatoppervlak of in materialen zoals grafiet. Pas in 2004 slaagden André Geim en zijn student Konstantin Novoselov erin om door middel van experimenten een enkele laag grafeen van grafiet te scheiden, wat een nieuwe ontwikkeling in het onderzoek naar grafeen betekende.
Zowel fullereen (links) als koolstofnanobuisjes (midden) kunnen op een bepaalde manier worden beschouwd als opgerold door een enkele laag grafeen, terwijl grafiet (rechts) is opgebouwd uit meerdere lagen grafeen door middel van van der Waals-krachten.
Tegenwoordig kan grafeen op veel manieren worden verkregen, en verschillende methoden hebben hun eigen voor- en nadelen. Geim en Novoselov verkregen grafeen op een eenvoudige manier. Met behulp van transparante tape, verkrijgbaar in supermarkten, stripten ze grafeen, een grafietlaag met slechts één laag koolstofatomen dik, van een stuk hoogwaardig pyrolytisch grafiet. Dit is handig, maar de controleerbaarheid is niet zo goed, en er kan alleen grafeen met een afmeting van minder dan 100 micron (een tiende van een millimeter) worden verkregen, wat weliswaar voor experimenten kan worden gebruikt, maar moeilijk toepasbaar is in de praktijk. Met chemische dampafzetting kunnen grafeenmonsters met een afmeting van tientallen centimeters op een metalen oppervlak worden gegroeid. Hoewel het gebied met een consistente oriëntatie slechts 100 micron bedraagt [3,4], is dit geschikt gebleken voor de productiebehoeften van sommige toepassingen. Een andere veelgebruikte methode is het verhitten van het siliciumcarbide (SiC)-kristal tot meer dan 1100 ℃ in vacuüm, waardoor de siliciumatomen nabij het oppervlak verdampen en de overgebleven koolstofatomen zich herschikken. Ook hiermee kunnen grafeenmonsters met goede eigenschappen worden verkregen.
Grafeen is een nieuw materiaal met unieke eigenschappen: de elektrische geleidbaarheid is net zo goed als die van koper, en de thermische geleidbaarheid is beter dan die van elk ander bekend materiaal. Het is zeer transparant. Slechts een klein deel (2,3%) van het verticaal invallende zichtbare licht wordt door grafeen geabsorbeerd, en het grootste deel van het licht gaat erdoorheen. Het is zo dicht dat zelfs heliumatomen (de kleinste gasmoleculen) er niet doorheen kunnen. Deze bijzondere eigenschappen zijn niet rechtstreeks afkomstig 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 vele technische toepassingen laten zien, wat zeer zeldzaam is in de natuurkunde en materiaalkunde. Het duurt doorgaans meer dan tien jaar, of zelfs decennia, voordat gangbare materialen vanuit het laboratorium in de praktijk worden toegepast. Waarvoor kan grafeen worden gebruikt? Laten we twee voorbeelden bekijken.
Zachte transparante elektrode
In veel elektrische apparaten zijn transparante, geleidende materialen nodig als elektroden. Elektronische horloges, rekenmachines, televisies, lcd-schermen, touchscreens, zonnepanelen en vele andere apparaten kunnen niet zonder transparante elektroden. De traditionele transparante elektrode is gemaakt van indiumtinoxide (ITO). Vanwege de hoge prijs en beperkte beschikbaarheid van indium is dit materiaal bros en niet flexibel, en moet de elektrode in een vacuümlaag worden aangebracht, wat relatief duur is. Wetenschappers zijn daarom al lange tijd op zoek naar een alternatief. Naast de eisen van transparantie, goede geleidbaarheid en eenvoudige bereiding, is een goede flexibiliteit van het materiaal zelf ook belangrijk voor de productie van "elektronisch papier" of andere opvouwbare beeldschermen. Flexibiliteit is dus een cruciaal 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 30 inch verkregen door middel van chemische dampafzetting en dit overgebracht op een 188 micron dikke polyethyleentereftalaat (PET)-film om een op grafeen gebaseerd touchscreen te produceren [4]. Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, wordt het op de koperfolie gegroeide grafeen eerst verbonden met de thermische striptape (blauw transparant deel), vervolgens wordt de koperfolie opgelost door middel van een chemische methode en ten slotte wordt het grafeen door verhitting overgebracht op de PET-film.
Nieuwe foto-elektrische inductieapparatuur
Grafeen heeft zeer unieke optische eigenschappen. Hoewel het slechts uit één atoomlaag bestaat, kan het 2,3% van het uitgezonden licht absorberen over het gehele golflengtebereik, van zichtbaar licht tot infrarood. Dit getal heeft niets te maken met andere materiaaleigenschappen van grafeen en wordt bepaald door de kwantum-elektrodynamica [6]. Het geabsorbeerde licht leidt tot de generatie van ladingsdragers (elektronen en gaten). De generatie en het transport van ladingsdragers in grafeen verschillen sterk van die in traditionele halfgeleiders. Dit maakt grafeen zeer geschikt voor ultrasnelle foto-elektrische inductieapparatuur. Naar schatting kan dergelijke foto-elektrische inductieapparatuur werken op een frequentie van 500 GHz. Indien gebruikt voor signaaloverdracht, kan het 500 miljard nullen of enen per seconde verzenden en de inhoud van twee Blu-ray-schijven in één seconde overdragen.
Experts van het IBM Thomas J. Watson Research Centre in de Verenigde Staten hebben grafeen gebruikt om foto-elektrische inductieapparaten te vervaardigen die op een frequentie van 10 GHz kunnen werken [8]. Eerst werden grafeenflakes op een siliciumsubstraat aangebracht, bedekt met een 300 nm dikke siliciumdioxidelaag, met behulp van de "tape tearing method". Vervolgens werden er palladiumgoud- of titaniumgoud-elektroden met een tussenafstand van 1 micron en een breedte van 250 nm op aangebracht. Op deze manier wordt een op grafeen gebaseerd foto-elektrisch inductieapparaat verkregen.
Schematische weergave van een foto-elektrische inductie-installatie op basis van grafeen en scanningelektronenmicroscoop (SEM)-foto's van daadwerkelijke monsters. De zwarte korte lijn in de afbeelding komt overeen met 5 micron, en de afstand tussen de metalen lijnen is één micron.
Uit experimenten bleek dat dit foto-elektrische inductieapparaat met een metaal-grafeenstructuur een werkfrequentie van maximaal 16 GHz kan bereiken en met hoge snelheid kan werken in het golflengtebereik van 300 nm (nabij ultraviolet) tot 6 micron (infrarood), terwijl de traditionele foto-elektrische inductiebuis niet reageert op infrarood licht met een langere golflengte. De werkfrequentie van de grafeen foto-elektrische inductieapparatuur kan nog aanzienlijk worden verbeterd. De superieure prestaties zorgen voor een breed scala aan toepassingsmogelijkheden, waaronder communicatie, afstandsbediening en milieumonitoring.
Grafeen is een nieuw materiaal met unieke eigenschappen, en het onderzoek naar de toepassingen ervan volgt elkaar in rap tempo op. Het is onmogelijk om ze hier allemaal op te noemen. In de toekomst zullen we wellicht veldeffectbuizen, moleculaire schakelaars en moleculaire detectoren van grafeen in ons dagelijks leven aantreffen... Grafeen, dat geleidelijk aan de laboratoria verlaat, zal een belangrijke rol gaan spelen in ons dagelijks leven.
We kunnen verwachten dat er in de nabije toekomst een groot aantal elektronische producten met grafeen op de markt zullen komen. Stel je eens voor hoe interessant het zou zijn als onze smartphones en netbooks opgerold, aan ons oor geklemd, in onze zakken gestopt of om onze pols gewikkeld konden worden wanneer we ze niet gebruiken!
Geplaatst op: 09-03-2022