In 2010 wonnen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk aan grafeen. Deze prijs heeft op veel mensen een diepe indruk achtergelaten. Niet elke Nobelprijs-experimenteel gereedschap is immers net zo gebruikelijk als lijmband, en niet elk onderzoeksobject is net zo magisch en gemakkelijk te begrijpen als "tweedimensionaal kristal" grafeen. Het werk in 2004 kan worden toegekend in 2010, wat de afgelopen jaren zeldzaam is in het record van de Nobelprijs.
Grafeen is een soort substantie die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die nauw is gerangschikt in een tweedimensionaal honingraat-zeshoekig rooster. Net als diamant, grafiet, fullereen, koolstofnanobuisjes en amorfe koolstof, is het een stof (eenvoudige substantie) die bestaat uit koolstofelementen. Zoals getoond in de onderstaande figuur, kunnen fullerenen en koolstofnanobuisjes worden gezien als op een bepaalde manier opgerold van een enkele laag grafeen, die wordt gestapeld door veel lagen grafeen. Het theoretische onderzoek naar het gebruik van grafeen om de eigenschappen van verschillende koolstof eenvoudige stoffen (grafiet, koolstofnanobuisjes en grafeen) te beschrijven, heeft bijna 60 jaar geduurd, maar er wordt algemeen aangenomen dat dergelijke tweedimensionale materialen moeilijk zijn om stabiel alleen te bestaan, alleen bevestigd aan het driedimensionale substraatoppervlak of binnenstoffen zoals grafiet. Het was pas in 2004 dat Andre Geim en zijn student Konstantin Novoselov een enkele laag grafeen uit grafiet ontleed door experimenten die het onderzoek op grafeen nieuwe ontwikkeling bereikte.
Zowel fullereen (links) als koolstof nanobuis (midden) kunnen worden beschouwd als opgerold door een enkele laag grafeen op een of andere manier, terwijl grafiet (rechts) wordt gestapeld door meerdere lagen grafeen door de verbinding van van der Waals -kracht.
Tegenwoordig kan grafeen op veel manieren worden verkregen en hebben verschillende methoden hun eigen voor- en nadelen. Geim en Novoselov verkregen op een eenvoudige manier grafeen. Met behulp van transparante tape beschikbaar in supermarkten, ontdaan ze grafeen, een grafietplaat met slechts één laag koolstofatomen dik, van een stuk pyrolytisch grafiet met hoge orde. Dit is handig, maar de controleerbaarheid is niet zo goed en grafeen met een grootte van minder dan 100 micron (een tiende van een millimeter) kan alleen worden verkregen, die kan worden gebruikt voor experimenten, maar het is moeilijk te gebruiken voor praktische Toepassingen. Chemische dampafzetting kan grafeenmonsters laten groeien met de grootte van tientallen centimeters op het metaaloppervlak. Hoewel het gebied met consistente oriëntatie slechts 100 micron is [3,4], is het geschikt geweest voor de productiebehoeften van sommige toepassingen. Een andere veel voorkomende methode is om het siliciumcarbide (sic) kristal te verwarmen tot meer dan 1100 ℃ in vacuüm, zodat de siliciumatomen nabij het oppervlak verdampen, en de resterende koolstofatomen worden herschikt, die ook grafeenmonsters kunnen verkrijgen met goede eigenschappen.
Grafeen is een nieuw materiaal met unieke eigenschappen: de elektrische geleidbaarheid is net zo uitstekend als koper en de thermische geleidbaarheid is beter dan elk bekend materiaal. Het is erg transparant. Slechts een klein deel (2,3%) van het verticale invallend zichtbare licht zal worden geabsorbeerd door grafeen en het grootste deel van het licht zal doorgaan. Het is zo dicht dat zelfs heliumatomen (de kleinste gasmoleculen) niet kunnen passeren. Deze magische eigenschappen zijn niet direct overgenomen van grafiet, maar van de kwantummechanica. De unieke elektrische en optische eigenschappen bepalen dat het brede toepassingsperspectieven heeft.
Hoewel grafeen slechts minder dan tien jaar is verschenen, heeft het veel technische toepassingen aangetoond, wat zeer zeldzaam is op het gebied van natuurkunde en materiële wetenschap. Het duurt meer dan tien jaar of zelfs decennia voordat algemeen materialen van laboratorium naar het echte leven gaan. Wat is het nut van grafeen? Laten we eens kijken naar twee voorbeelden.
Zachte transparante elektrode
In veel elektrische apparaten moeten transparante geleidende materialen worden gebruikt als elektroden. Elektronische horloges, rekenmachines, televisies, vloeibare kristalschermen, aanraakschermen, zonnepanelen en vele andere apparaten kunnen het bestaan van transparante elektroden niet verlaten. De traditionele transparante elektrode maakt gebruik van indiumtinoxide (ITO). Vanwege de hoge prijs en beperkte levering van indium, is het materiaal bros en gebrek aan flexibiliteit, en de elektrode moet worden afgezet in de middelste laag van vacuüm, en de kosten zijn relatief hoog. Lange tijd proberen wetenschappers zijn vervanger te vinden. Naast de vereisten van transparantie, goede geleidbaarheid en eenvoudige voorbereiding, als de flexibiliteit van het materiaal zelf goed is, is het geschikt voor het maken van "elektronisch papier" of andere opvouwbare display -apparaten. Daarom is flexibiliteit ook een zeer belangrijk aspect. Grafeen is zo'n materiaal, dat zeer geschikt is voor transparante elektroden.
Onderzoekers van de Samsung en Chengjunguan University in Zuid -Korea verkregen grafeen met een diagonale lengte van 30 inch door chemische dampafzetting en overgebracht het naar een 188 micron dikke polyethyleenterefhtalaat (PET) -film om een grafeen gebaseerd touchscreen te produceren [4]. Zoals getoond in de onderstaande figuur, wordt het grafeen dat op de koperen folie wordt gekweekt, eerst verbonden met de thermische striptape (blauw transparant deel), vervolgens wordt de koperen folie opgelost door chemische methode, en uiteindelijk wordt het grafeen overgebracht naar de huisdierfilm door te verwarmen door te verwarmen door te verwarmen door te verwarmen .
Nieuwe foto -elektrische inductieapparatuur
Grafeen heeft zeer unieke optische eigenschappen. Hoewel er slechts één laag atomen is, kan het 2,3% van het uitgezonden licht absorberen in het gehele golflengtebereik van zichtbaar licht tot infrarood. Dit aantal heeft niets te maken met andere materiaalparameters van grafeen en wordt bepaald door kwantumelektrodynamica [6]. Het geabsorbeerde licht zal leiden tot het genereren van dragers (elektronen en gaten). Het genereren en het transport van dragers in grafeen is heel anders dan die in traditionele halfgeleiders. Dit maakt grafeen zeer geschikt voor ultrasnelle foto -elektrische inductieapparatuur. Naar schatting kan dergelijke foto -elektrische inductieapparatuur werken met de frequentie van 500 GHz. Als het wordt gebruikt voor signaaltransmissie, kan het 500 miljard nullen of die per seconde verzenden en de transmissie van de inhoud van twee Blu Ray -schijven in één seconde voltooien.
Experts van IBM Thomas J. Watson Research Center in de Verenigde Staten hebben grafeen gebruikt om foto -elektrische inductie -apparaten te produceren die kunnen werken met een frequentie van 10 GHz [8]. Ten eerste werden grafeenvlokken bereid op een siliconensubstraat bedekt met 300 nm dik silica door "tape scheurmethode", en vervolgens werden palladiumgoud of titaniumgoudenelektroden met een interval van 1 micron en een breedte van 250 nm gemaakt. Op deze manier wordt een op grafeen gebaseerde 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.
Via experimenten ontdekten de onderzoekers dat deze foto -elektrische inductie -apparaat van metalen grafeenstructuur de werkfrequentie van maximaal 16 GHz kan bereiken en met hoge snelheid in het golflengtebereik kan werken van 300 nm (nabij ultraviolet) tot 6 micron (infrarood), terwijl kan worden De traditionele foto -elektrische inductiebuis kan niet reageren op infraroodlicht met een langere golflengte. De werkfrequentie van grafeen foto -elektrische inductieapparatuur heeft nog steeds een geweldige ruimte voor verbetering. De superieure prestaties zorgen ervoor dat het een breed scala aan toepassingsperspectieven heeft, waaronder communicatie, afstandsbediening en omgevingsmonitoring.
Als een nieuw materiaal met unieke eigenschappen is het onderzoek naar de toepassing van grafeen na de ander opkomen. Het is moeilijk voor ons om ze hier op te sommen. In de toekomst kunnen er veldeffectbuizen zijn gemaakt van grafeen, moleculaire schakelaars gemaakt van grafeen en moleculaire detectoren gemaakt van grafeen in het dagelijks leven ... grafeen dat geleidelijk uit het laboratorium komt, zal in het dagelijks leven schijnen.
We kunnen verwachten dat een groot aantal elektronische producten die grafeen gebruiken in de nabije toekomst zal verschijnen. Denk na over hoe interessant het zou zijn als onze smartphones en netbooks kunnen worden opgerold, op onze oren kunnen worden geklemd, in onze zakken worden gevuld of om onze polsen worden gewikkeld als ze niet in gebruik zijn!
Posttijd: Mar-09-2022