banner

Wat is het nut van grafeen?Twee toepassingsgevallen laten u het toepassingsperspectief van grafeen begrijpen

In 2010 wonnen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun werk aan grafeen.Deze onderscheiding heeft op veel mensen diepe indruk gemaakt.Niet elk experimenteel instrument voor de Nobelprijs is zo gewoon 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 uitgereikt, wat de laatste jaren zeldzaam is in het record van de Nobelprijs.

Grafeen is een soort stof die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die dicht op elkaar 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 te zien is in de onderstaande afbeelding, kunnen fullerenen en koolstofnanobuisjes worden gezien als op de een of andere manier 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 koolstof-eenvoudige stoffen (grafiet, koolstofnanobuizen en grafeen) te beschrijven, heeft bijna 60 jaar geduurd, maar algemeen wordt aangenomen dat dergelijke tweedimensionale materialen moeilijk stabiel alleen kunnen bestaan, alleen bevestigd aan het driedimensionale substraatoppervlak of in stoffen zoals grafiet.Pas in 2004 dat Andre Geim en zijn leerling Konstantin Novoselov door middel van experimenten een enkele laag grafeen van grafiet ontdeden, bereikte het onderzoek naar grafeen een nieuwe ontwikkeling.

Zowel fullereen (links) als koolstofnanobuisjes (midden) kunnen worden beschouwd als op de een of andere manier 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 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 die verkrijgbaar is in supermarkten, stripten ze grafeen, een grafietplaat met slechts één laag koolstofatomen dik, van een stuk pyrolytisch grafiet van hoge orde.Dit is handig, maar de beheersbaarheid is niet zo goed, en grafeen met een grootte van minder dan 100 micron (een tiende van een millimeter) kan alleen worden verkregen, dat kan worden gebruikt voor experimenten, maar het is moeilijk te gebruiken voor praktische toepassingen.Chemische dampafzetting kan grafeenmonsters met de grootte van tientallen centimeters op het metalen oppervlak laten groeien.Hoewel het gebied met consistente oriëntatie slechts 100 micron [3,4] is, was het geschikt voor de productiebehoeften van sommige toepassingen.Een andere veelgebruikte methode is om het siliciumcarbide (SIC) kristal tot meer dan 1100 ℃ in vacuüm te verwarmen, zodat de siliciumatomen nabij het oppervlak verdampen en de resterende koolstofatomen worden herschikt, wat ook grafeenmonsters met goede eigenschappen kan verkrijgen.

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 enig ander bekend materiaal.Het is erg transparant.Slechts een klein deel (2,3%) van het verticaal invallende zichtbare licht wordt geabsorbeerd door grafeen, en het meeste licht gaat erdoorheen.Het is zo dicht dat zelfs heliumatomen (de kleinste gasmoleculen) er niet doorheen kunnen.Deze magische eigenschappen zijn niet rechtstreeks geërfd van grafiet, maar van de kwantummechanica.Zijn unieke elektrische en optische eigenschappen bepalen dat het brede toepassingsmogelijkheden heeft.

Hoewel grafeen pas minder dan tien jaar bestaat, heeft het veel technische toepassingen laten zien, wat zeer zeldzaam is op het gebied van natuurkunde en materiaalwetenschap.Het duurt meer dan tien jaar of zelfs decennia voordat algemene materialen van het laboratorium naar het echte leven zijn gegaan.Wat is het nut van grafeen?Laten we eens kijken naar twee voorbeelden.

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 verlaten.De traditionele transparante elektrode maakt gebruik van indiumtinoxide (ITO).Vanwege de hoge prijs en beperkte toevoer van indium is het materiaal broos en gebrek aan flexibiliteit, en de elektrode moet in de middelste vacuümlaag worden afgezet, en de kosten zijn relatief hoog.Wetenschappers hebben lange tijd geprobeerd 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.Flexibiliteit is daarom ook een zeer belangrijk aspect.Grafeen is zo'n materiaal, dat zeer geschikt is voor transparante elektroden.

Onderzoekers van Samsung en Chengjunguan University in Zuid-Korea verkregen grafeen met een diagonale lengte van 30 inch door chemische dampafzetting en brachten dit over op een 188 micron dikke polyethyleentereftalaat (PET) film om een ​​op grafeen gebaseerd touchscreen te produceren [4].Zoals te zien is 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 overgebracht naar de PET-film door verwarming .

Nieuwe foto-elektrische inductieapparatuur
Grafeen heeft zeer unieke optische eigenschappen.Hoewel er maar één laag atomen is, kan deze 2,3% van het uitgestraalde licht absorberen in het hele 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).De generatie en het transport van dragers in grafeen zijn heel anders dan die in traditionele halfgeleiders.Dit maakt grafeen zeer geschikt voor ultrasnelle foto-elektrische inductieapparatuur.Geschat wordt dat dergelijke foto-elektrische inductieapparatuur kan werken met een frequentie van 500ghz.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 maken die kunnen werken op een frequentie van 10 GHz [8].Eerst werden grafeenvlokken geprepareerd op een siliciumsubstraat bedekt met 300 nm dikke silica door middel van "tape-tearing-methode", en vervolgens werden palladiumgoud- of titaniumgoudelektroden met een interval van 1 micron en een breedte van 250 nm erop gemaakt.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 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 infrarood licht met een langere golflengte.De werkfrequentie van foto-elektrische inductieapparatuur van grafeen heeft nog veel ruimte voor verbetering.Zijn superieure prestaties zorgen ervoor dat het een breed scala aan toepassingsmogelijkheden heeft, waaronder communicatie, afstandsbediening en omgevingsbewaking.

Als nieuw materiaal met unieke eigenschappen komt het onderzoek naar de toepassing van grafeen de een na de ander op.Het is voor ons moeilijk om ze hier op te sommen.In de toekomst zijn er misschien veldeffectbuizen van grafeen, moleculaire schakelaars van grafeen en moleculaire detectoren van grafeen in het dagelijks leven… Grafeen dat geleidelijk uit het laboratorium komt, zal in het dagelijks leven gaan schitteren.

We kunnen verwachten dat er in de nabije toekomst een groot aantal elektronische producten met grafeen zullen verschijnen.Bedenk hoe interessant het zou zijn als onze smartphones en netbooks kunnen worden opgerold, om onze oren worden geklemd, in onze zakken worden gestopt of om onze polsen worden gewikkeld als ze niet worden gebruikt!


Posttijd: maart-09-2022