En 2010, Geim e Novoselov gañaron o Premio Nobel de Física polo seu traballo en grafeno. Este premio deixou unha profunda impresión en moita xente. Ao final, non todas as ferramentas experimentais do Premio Nobel son tan comúns como a cinta adhesiva, e non todos os obxectos de investigación son tan máxicos e fáciles de entender como o grafeno "bidimensional de cristal". O traballo en 2004 pódese conceder en 2010, o que é raro no rexistro do Premio Nobel nos últimos anos.
O grafeno é unha especie de sustancia que consta dunha soa capa de átomos de carbono estreitamente dispostos nun enreixado hexagonal bidimensional. Como diamante, grafito, fullereno, nanotubos de carbono e carbono amorfo, é unha sustancia (sustancia sinxela) composta por elementos de carbono. Como se mostra na figura seguinte, os fullerenos e os nanotubos de carbono pódense ver como enrolados dalgún xeito desde unha única capa de grafeno, que está amoreado por moitas capas de grafeno. A investigación teórica sobre o uso do grafeno para describir as propiedades de varias substancias simples de carbono (grafito, nanotubos de carbono e grafeno) durou case 60 anos, pero xeralmente crese que tales materiais bidimensionais son difíciles de existir só, só, só só unido á superficie tridimensional do substrato ou substancias interiores como o grafito. Non foi ata 2004 que Andre Geim e o seu estudante Konstantin Novoselov desposuíron unha única capa de grafeno a partir de grafito a través de experimentos que a investigación sobre grafeno acadou un novo desenvolvemento.
Tanto o fullereno (esquerda) como o nanotubo de carbono (medio) pódense considerar que son enrolados por unha única capa de grafeno dalgún xeito, mentres que o grafito (dereita) está amoreado por varias capas de grafeno a través da conexión da forza de Van der Waals.
Hoxe en día, o grafeno pódese obter de moitos xeitos e os diferentes métodos teñen as súas propias vantaxes e desvantaxes. Geim e Novoselov obtiveron grafeno dun xeito sinxelo. Usando cinta transparente dispoñible nos supermercados, desposuíran grafeno, unha folla de grafito cunha soa capa de átomos de carbono de grosor, a partir dun anaco de grafito pirolítico de alta orde. Isto é conveniente, pero a controlabilidade non é tan boa, e o grafeno cun tamaño inferior a 100 micras (unha décima de milímetro) só se pode obter, que se pode usar para experimentos, pero é difícil usarse para prácticas Aplicacións. A deposición de vapor químico pode cultivar mostras de grafeno co tamaño de decenas de centímetros na superficie metálica. Aínda que a área con orientación consistente é de só 100 micras [3,4], foi adecuada para as necesidades de produción dalgunhas aplicacións. Outro método común é quentar o cristal de carburo de silicio (SIC) a máis de 1100 ℃ ao baleiro, de xeito que os átomos de silicio próximos á superficie se evaporan, e os átomos de carbono restantes están reorganizados, que tamén poden obter mostras de grafeno con boas propiedades.
O grafeno é un novo material con propiedades únicas: a súa condutividade eléctrica é tan excelente como o cobre, e a súa condutividade térmica é mellor que calquera material coñecido. É moi transparente. Só unha pequena parte (2,3%) da luz visible do incidente vertical será absorbida polo grafeno, e a maior parte da luz pasará. É tan denso que incluso os átomos de helio (as máis pequenas moléculas de gas) non poden pasar. Estas propiedades máxicas non se herdan directamente do grafito, senón da mecánica cuántica. As súas propiedades eléctricas e ópticas únicas determinan que ten amplas perspectivas de aplicación.
Aínda que o grafeno só apareceu durante menos de dez anos, demostrou moitas aplicacións técnicas, o que é moi raro nos campos da física e da ciencia dos materiais. Leva máis de dez anos ou incluso décadas para que os materiais xerais pasen do laboratorio á vida real. De que serve o grafeno? Vexamos dous exemplos.
Electrodo transparente suave
En moitos aparellos eléctricos, os materiais condutores transparentes deben usarse como electrodos. Revisións electrónicas, calculadoras, televisións, pantallas de cristal líquido, pantallas táctiles, paneis solares e moitos outros dispositivos non poden deixar a existencia de electrodos transparentes. O electrodo tradicional transparente usa óxido de estaño de indio (ITO). Debido ao elevado prezo e á subministración limitada de indio, o material é quebradizo e falta de flexibilidade, e o electrodo debe depositarse na capa media de baleiro e o custo é relativamente elevado. Durante moito tempo, os científicos estiveron intentando atopar o seu substituto. Ademais dos requisitos de transparencia, unha boa condutividade e unha preparación fácil, se a flexibilidade do material en si é boa, será adecuado para facer "papel electrónico" ou outros dispositivos de visualización plegables. Polo tanto, a flexibilidade tamén é un aspecto moi importante. O grafeno é un material tan adecuado para electrodos transparentes.
Investigadores da Universidade de Samsung e Chengjunguan en Corea do Sur obtiveron grafeno cunha lonxitude diagonal de 30 polgadas por deposición de vapor químico e transferírono a unha película de polietileno tereftalato de polietileno (PET) de 188 micras (PET) para producir unha pantalla táctil baseada no grafeno [4]. Como se mostra na figura seguinte, o grafeno cultivado na folla de cobre está unido por primeira vez coa cinta térmica de térmico (parte transparente azul), entón a folla de cobre disólvese mediante método químico, e finalmente o grafeno transfírese á película de mascota por calefacción .
Novos equipos fotoeléctricos de indución
O grafeno ten propiedades ópticas moi únicas. Aínda que só hai unha capa de átomos, pode absorber o 2,3% da luz emitida en toda a lonxitude de onda desde a luz visible ata a infravermella. Este número non ten nada que ver con outros parámetros materiais de grafeno e está determinado pola electrodinámica cuántica [6]. A luz absorbida levará á xeración de transportistas (electróns e buracos). A xeración e transporte de transportistas en grafeno son moi diferentes das dos semiconductores tradicionais. Isto fai que o grafeno sexa moi adecuado para equipos de indución fotoeléctrica ultravéutica. Estímase que tales equipos fotoeléctricos de indución poden funcionar coa frecuencia de 500 GHz. Se se usa para a transmisión do sinal, pode transmitir 500 mil millóns de ceros ou outros por segundo e completar a transmisión do contido de dous discos Blu Ray nun segundo.
Expertos do Centro de Investigación de IBM Thomas J. Watson nos Estados Unidos utilizaron o grafeno para fabricar dispositivos fotoeléctricos de indución que poden funcionar a frecuencia de 10 GHz [8]. En primeiro lugar, preparáronse flocos de grafeno nun substrato de silicio cuberto con sílice de 300 nm de grosor mediante "método de desgarro de cinta", e logo fixéronse electrodos de ouro de paladio ou de ouro de titanio cun intervalo de 1 micron e un ancho de 250 nm. Deste xeito, obtense un dispositivo fotoeléctrico baseado en grafeno.
Diagrama esquemático de equipos de indución fotoeléctrica de grafeno e microscopio electrónico de dixitalización (SEM) fotos de mostras reais. A liña curta negra da figura corresponde a 5 micras, e a distancia entre as liñas metálicas é un micras.
A través de experimentos, os investigadores descubriron que este dispositivo fotoeléctrico de indución fotoeléctrica de estrutura metálica metálica pode alcanzar a frecuencia de traballo de 16 GHz como máximo e pode funcionar a alta velocidade na lonxitude de onda de 300 nm (preto de ultravioleta) a 6 micras (infravermello), mentres O tubo tradicional de indución fotoeléctrica non pode responder á luz infravermella cunha lonxitude de onda máis longa. A frecuencia de traballo dos equipos de indución fotoeléctrica de grafeno aínda ten un gran espazo para mellorar. O seu rendemento superior fai que teña unha ampla gama de perspectivas de aplicacións, incluíndo comunicación, control remoto e control ambiental.
Como un novo material con propiedades únicas, a investigación sobre a aplicación do grafeno está emerxendo unha tras outra. É difícil para nós enumeralos aquí. No futuro, pode haber tubos de efecto de campo feitos de grafeno, interruptores moleculares feitos de grafeno e detectores moleculares feitos de grafeno na vida diaria ... O grafeno que sae gradualmente do laboratorio brillará na vida diaria.
Podemos esperar que un gran número de produtos electrónicos con grafeno apareza nun futuro próximo. Pensa no interesante que sería se os nosos teléfonos intelixentes e netbooks puidesen ser enrolados, suxeitos ás orellas, recheos nos petos ou envoltos nos pulsos cando non estean en uso.
Tempo de publicación: MAR-09-2022