Nel 2010, Geim e Novoselov hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro sul grafene. Questo premio ha lasciato un segno profondo in molti. Dopotutto, non tutti gli strumenti sperimentali che meritano il Premio Nobel sono comuni come il nastro adesivo, e non tutti gli oggetti di ricerca sono magici e facili da comprendere come il grafene, un "cristallo bidimensionale". Il lavoro del 2004 può essere premiato nel 2010, cosa rara nella storia dei Premi Nobel degli ultimi anni.
Il grafene è un tipo di sostanza costituita da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale bidimensionale a nido d'ape. Come il diamante, la grafite, il fullerene, i nanotubi di carbonio e il carbonio amorfo, è una sostanza (sostanza semplice) composta da elementi di carbonio. Come mostrato nella figura sottostante, i fullereni e i nanotubi di carbonio possono essere visti come arrotolati in qualche modo da un singolo strato di grafene, a sua volta sovrapposto a molti strati di grafene. La ricerca teorica sull'uso del grafene per descrivere le proprietà di varie sostanze semplici a base di carbonio (grafite, nanotubi di carbonio e grafene) dura da quasi 60 anni, ma si ritiene generalmente che tali materiali bidimensionali siano difficili da vivere stabilmente da soli, se non legati alla superficie del substrato tridimensionale o all'interno di sostanze come la grafite. Solo nel 2004, quando Andre Geim e il suo studente Konstantin Novoselov hanno rimosso un singolo strato di grafene dalla grafite attraverso esperimenti, la ricerca sul grafene ha raggiunto nuovi sviluppi.
Sia il fullerene (a sinistra) sia il nanotubo di carbonio (al centro) possono essere considerati in qualche modo arrotolati da un singolo strato di grafene, mentre la grafite (a destra) è impilata da più strati di grafene attraverso la connessione della forza di van der Waals.
Oggigiorno, il grafene può essere ottenuto in molti modi, e ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi. Geim e Novoselov hanno ottenuto il grafene in modo semplice. Utilizzando del nastro adesivo trasparente disponibile nei supermercati, hanno estratto il grafene, un foglio di grafite con un solo strato di atomi di carbonio di spessore, da un pezzo di grafite pirolitica di ordine elevato. Questo metodo è comodo, ma la controllabilità non è così buona, e si può ottenere solo grafene con dimensioni inferiori a 100 micron (un decimo di millimetro), che può essere utilizzato per esperimenti, ma è difficile da utilizzare per applicazioni pratiche. La deposizione chimica da vapore può far crescere campioni di grafene con dimensioni di decine di centimetri sulla superficie metallica. Sebbene l'area con orientamento costante sia di soli 100 micron [3,4], si è rivelata adatta alle esigenze produttive di alcune applicazioni. Un altro metodo comune consiste nel riscaldare il cristallo di carburo di silicio (SIC) a più di 1100 ℃ sotto vuoto, in modo che gli atomi di silicio vicino alla superficie evaporino e gli atomi di carbonio rimanenti vengano riorganizzati, ottenendo così campioni di grafene con buone proprietà.
Il grafene è un nuovo materiale con proprietà uniche: la sua conduttività elettrica è eccellente quanto quella del rame e la sua conduttività termica è migliore di qualsiasi altro materiale conosciuto. È molto trasparente. Solo una piccola parte (2,3%) della luce visibile incidente verticalmente verrà assorbita dal grafene e la maggior parte della luce passerà attraverso. È così denso che nemmeno gli atomi di elio (le molecole di gas più piccole) possono attraversarlo. Queste proprietà magiche non sono ereditate direttamente dalla grafite, ma dalla meccanica quantistica. Le sue proprietà elettriche e ottiche uniche ne determinano le ampie prospettive applicative.
Sebbene il grafene sia apparso solo da meno di dieci anni, ha già trovato numerose applicazioni tecniche, cosa molto rara nei campi della fisica e della scienza dei materiali. Ci vogliono più di dieci anni o addirittura decenni perché i materiali generici passino dal laboratorio alla vita reale. A cosa serve il grafene? Vediamo due esempi.
Elettrodo morbido trasparente
In molti apparecchi elettrici, è necessario utilizzare materiali conduttivi trasparenti come elettrodi. Orologi elettronici, calcolatrici, televisori, display a cristalli liquidi, touch screen, pannelli solari e molti altri dispositivi non possono prescindere dall'esistenza di elettrodi trasparenti. L'elettrodo trasparente tradizionale utilizza l'ossido di indio e stagno (ITO). A causa del prezzo elevato e della disponibilità limitata di indio, il materiale è fragile e poco flessibile, e l'elettrodo deve essere depositato nello strato intermedio del vuoto, con un costo relativamente elevato. Per molto tempo, gli scienziati hanno cercato di trovare un suo sostituto. Oltre ai requisiti di trasparenza, buona conduttività e facilità di preparazione, se la flessibilità del materiale stesso è buona, sarà adatto alla produzione di "carta elettronica" o altri dispositivi con display pieghevoli. Pertanto, anche la flessibilità è un aspetto molto importante. Il grafene è uno di questi materiali, che si adatta perfettamente agli elettrodi trasparenti.
I ricercatori della Samsung e dell'Università di Chengjunguan in Corea del Sud hanno ottenuto grafene con una lunghezza diagonale di 30 pollici tramite deposizione chimica da vapore e lo hanno trasferito su una pellicola di polietilene tereftalato (PET) spessa 188 micron per produrre un touch screen a base di grafene [4]. Come mostrato nella figura sottostante, il grafene cresciuto sulla lamina di rame viene prima legato con il nastro termoadesivo (parte trasparente blu), quindi la lamina di rame viene sciolta con metodo chimico e infine il grafene viene trasferito alla pellicola di PET tramite riscaldamento.
Nuove apparecchiature di induzione fotoelettrica
Il grafene ha proprietà ottiche davvero uniche. Sebbene sia costituito da un solo strato di atomi, può assorbire il 2,3% della luce emessa nell'intero intervallo di lunghezze d'onda, dalla luce visibile all'infrarosso. Questo numero non ha nulla a che fare con altri parametri materiali del grafene ed è determinato dall'elettrodinamica quantistica [6]. La luce assorbita porterà alla generazione di portatori (elettroni e lacune). La generazione e il trasporto dei portatori nel grafene sono molto diversi da quelli dei semiconduttori tradizionali. Questo rende il grafene molto adatto per apparecchiature a induzione fotoelettrica ultraveloci. Si stima che tali apparecchiature a induzione fotoelettrica possano funzionare alla frequenza di 500 GHz. Se utilizzato per la trasmissione del segnale, può trasmettere 500 miliardi di zeri o uno al secondo e completare la trasmissione del contenuto di due dischi Blu-ray in un secondo.
Gli esperti dell'IBM Thomas J. Watson Research Centre negli Stati Uniti hanno utilizzato il grafene per produrre dispositivi a induzione fotoelettrica in grado di funzionare a una frequenza di 10 GHz [8]. In primo luogo, i fiocchi di grafene sono stati preparati su un substrato di silicio ricoperto di silice spessa 300 nm mediante il "metodo dello strappo del nastro", e poi sono stati realizzati su di esso elettrodi di oro palladio o oro titanio con un intervallo di 1 micron e una larghezza di 250 nm. In questo modo, si è ottenuto un dispositivo a induzione fotoelettrica basato sul grafene.
Schema di un'apparecchiatura di induzione fotoelettrica al grafene e foto di campioni reali al microscopio elettronico a scansione (SEM). La linea nera corta nella figura corrisponde a 5 micron e la distanza tra le linee metalliche è di un micron.
Attraverso esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che questo dispositivo a induzione fotoelettrica con struttura metallica in grafene può raggiungere una frequenza di lavoro massima di 16 GHz e può funzionare ad alta velocità nell'intervallo di lunghezze d'onda da 300 nm (vicino ultravioletto) a 6 micron (infrarosso), mentre il tradizionale tubo a induzione fotoelettrica non può rispondere alla luce infrarossa con lunghezze d'onda maggiori. La frequenza di lavoro delle apparecchiature a induzione fotoelettrica in grafene ha ancora ampi margini di miglioramento. Le sue prestazioni superiori gli consentono un'ampia gamma di prospettive applicative, tra cui la comunicazione, il controllo remoto e il monitoraggio ambientale.
Essendo un nuovo materiale dalle proprietà uniche, la ricerca sulle applicazioni del grafene sta emergendo una dopo l'altra. È difficile per noi elencarle qui. In futuro, potrebbero esserci tubi a effetto di campo in grafene, interruttori molecolari in grafene e rilevatori molecolari in grafene nella vita quotidiana... Il grafene che gradualmente uscirà dal laboratorio brillerà nella vita di tutti i giorni.
Possiamo aspettarci che un gran numero di prodotti elettronici che utilizzano il grafene comparirà nel prossimo futuro. Pensate a quanto sarebbe interessante se i nostri smartphone e netbook potessero essere arrotolati, agganciati alle orecchie, infilati in tasca o avvolti intorno ai polsi quando non li utilizziamo!
Data di pubblicazione: 09-03-2022