pancarta

Para que serve o grafeno?Dous casos de aplicación permítenche comprender a perspectiva de aplicación do grafeno

En 2010, Geim e Novoselov gañaron o Premio Nobel de Física polos seus traballos sobre o grafeno.Este premio deixou unha profunda impresión en moitas persoas.Despois de todo, 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 de "cristal bidimensional".A obra de 2004 pode ser galardoada en 2010, algo raro no palmarés de premios Nobel nos últimos anos.

O grafeno é un tipo de substancia que consiste nunha soa capa de átomos de carbono dispostas estreitamente nunha rede hexagonal bidimensional.Do mesmo xeito que o diamante, o grafito, o fulereno, os nanotubos de carbono e o carbono amorfo, é unha substancia (substancia simple) composta por elementos de carbono.Como se mostra na seguinte figura, os fullerenos e os nanotubos de carbono pódense ver enrolados dalgún xeito a partir dunha única capa de grafeno, que está apilada 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 en xeral crese que estes materiais bidimensionais son difíciles de existir de forma estable sós. só unido á superficie do substrato tridimensional ou no interior de substancias como o grafito.Non foi ata 2004 cando Andre Geim e o seu estudante Konstantin Novoselov quitaron unha soa capa de grafeno do grafito mediante experimentos que a investigación sobre o grafeno logrou un novo desenvolvemento.

Tanto o fullereno (esquerda) como o nanotubo de carbono (centro) poden considerarse enrolados por unha única capa de grafeno dalgún xeito, mentres que o grafito (dereita) está apilado por varias capas de grafeno mediante a conexión da forza de van der Waals.

Hoxe en día, o grafeno pódese obter de moitas maneiras, 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, quitaron grafeno, unha lámina de grafito con só unha capa de átomos de carbono de espesor, dunha peza de grafito pirolítico de alta orde.Isto é conveniente, pero a controlabilidade non é tan boa, e só se pode obter grafeno cun tamaño inferior a 100 micras (unha décima parte dun milímetro), que se pode usar para experimentos, pero é difícil de usar para a práctica. aplicacións.A deposición química de vapor pode facer crecer mostras de grafeno cun tamaño de decenas de centímetros na superficie metálica.Aínda que a área cunha 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 ℃ no baleiro, para que os átomos de silicio preto da superficie se evaporen e os átomos de carbono restantes sexan reordenados, o que tamén pode obter mostras de grafeno con boas propiedades.

O grafeno é un material novo 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 incidente vertical será absorbida polo grafeno e a maior parte da luz pasará.É tan denso que nin sequera os átomos de helio (as moléculas de gas máis pequenas) 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 teña amplas perspectivas de aplicación.

Aínda que o grafeno só apareceu desde hai menos de dez anos, mostrou moitas aplicacións técnicas, o que é moi raro nos campos da física e da ciencia dos materiais.Levan máis de dez anos ou incluso décadas para que os materiais xerais pasen do laboratorio á vida real.Para que serve o grafeno?Vexamos dous exemplos.

Electrodo suave transparente
En moitos aparellos eléctricos, cómpre utilizar materiais condutores transparentes como electrodos.Reloxos electrónicos, calculadoras, televisores, pantallas de cristal líquido, pantallas táctiles, paneis solares e moitos outros dispositivos non poden deixar a existencia de electrodos transparentes.O electrodo transparente tradicional usa óxido de indio e estaño (ITO).Debido ao alto prezo e á oferta limitada de indio, o material é fráxil e falta de flexibilidade, e o electrodo debe depositarse na capa media do baleiro e o custo é relativamente alto.Durante moito tempo, os científicos estiveron tentando atopar o seu substituto.Ademais dos requisitos de transparencia, boa condutividade e fácil preparación, se a flexibilidade do propio material é boa, será axeitado 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 deste tipo, que é moi axeitado para electrodos transparentes.

Investigadores de Samsung e da Universidade de Chengjunguan en Corea do Sur obtiveron grafeno cunha lonxitude diagonal de 30 polgadas por deposición química de vapor e transfirírono a unha película de tereftalato de polietileno (PET) de 188 micras de espesor para producir unha pantalla táctil a base de grafeno [4].Como se mostra na figura a continuación, o grafeno cultivado na folla de cobre únese primeiro coa cinta de separación térmica (parte azul transparente), despois a folla de cobre disolvese por método químico e, finalmente, o grafeno transfírese á película de PET quentando. .

Novos equipos de indución fotoeléctrica
O grafeno ten propiedades ópticas moi singulares.Aínda que só hai unha capa de átomos, pode absorber o 2,3% da luz emitida en toda a gama de lonxitudes de onda desde a luz visible ata o infravermello.Este número non ten nada que ver con outros parámetros materiais do grafeno e está determinado pola electrodinámica cuántica [6].A luz absorbida levará á xeración de portadores (electróns e buratos).A xeración e o transporte de portadores no grafeno son moi diferentes aos dos semicondutores tradicionais.Isto fai que o grafeno sexa moi axeitado para equipos de indución fotoeléctrica ultrarrápida.Estímase que estes equipos de indución fotoeléctrica poden funcionar a unha frecuencia de 500 GHz.Se se usa para a transmisión de sinal, pode transmitir 500.000 millóns de ceros ou uns por segundo e completar a transmisión do contido de dous discos Blu ray nun segundo.

Os expertos do IBM Thomas J. Watson Research Center dos Estados Unidos utilizaron grafeno para fabricar dispositivos de indución fotoeléctrica que poden funcionar a unha frecuencia de 10 GHz [8].En primeiro lugar, preparáronse escamas de grafeno sobre un substrato de silicio cuberto con sílice de 300 nm de espesor por "método de rotura da cinta" e, a continuación, realizáronse electrodos de ouro de paladio ou ouro de titanio cun intervalo de 1 micra e un ancho de 250 nm.Deste xeito, obtense un dispositivo de indución fotoeléctrica baseado en grafeno.

Diagrama esquemático de equipos de indución fotoeléctrica de grafeno e fotos de microscopio electrónico de varrido (SEM) de mostras reais.A liña curta negra da figura corresponde a 5 micras e a distancia entre as liñas metálicas é unha micra.

Mediante experimentos, os investigadores descubriron que este dispositivo de indución fotoeléctrica de estrutura metálica de grafeno metálico pode alcanzar a frecuencia de traballo de 16 GHz como máximo, e pode traballar a alta velocidade no rango de lonxitudes de onda de 300 nm (case ultravioleta) a 6 micras (infravermello), mentres o tubo de indución fotoeléctrico tradicional 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 gran marxe de mellora.O seu rendemento superior fai que teña unha ampla gama de perspectivas de aplicación, incluíndo comunicación, control remoto e vixilancia ambiental.

Como novo material con propiedades únicas, as investigacións sobre a aplicación do grafeno van xurdindo unha tras outra.É difícil 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 que usen grafeno apareza nun futuro próximo.Pensa no interesante que sería se os nosos teléfonos intelixentes e netbooks puidesen ser enrolados, fixados nas nosas orellas, metidos nos nosos petos ou envoltos nos nosos pulsos cando non estean en uso.


Hora de publicación: Mar-09-2022