Nel 2010, Geim e Novoselov hanno vinto il premio Nobel in fisica per il loro lavoro sul grafene. Questo premio ha lasciato una profonda impressione su molte persone. Dopotutto, non tutti gli strumenti sperimentali del premio Nobel sono comuni come il nastro adesivo e non tutti gli oggetti di ricerca sono magici e facili da capire come il grafene "cristallo bidimensionale". Il lavoro nel 2004 può essere assegnato nel 2010, il che è raro nel record del premio Nobel negli ultimi anni.
Il grafene è una sorta di sostanza che consiste in un singolo strato di atomi di carbonio strettamente disposti in un reticolo esagonale a nido d'ape bidimensionale. Come diamante, grafite, fullerene, nanotubi di carbonio e carbonio amorfo, è una sostanza (sostanza semplice) composta da elementi di carbonio. Come mostrato nella figura seguente, i fullereni e i nanotubi di carbonio possono essere visti come arrotolati in qualche modo da un singolo strato di grafene, che è impilato da molti strati di grafene. La ricerca teorica sull'uso del grafene per descrivere le proprietà di varie sostanze semplici di carbonio (grafite, nanotubi di carbonio e grafene) è durata per quasi 60 anni, ma si ritiene generalmente che tali materiali bidimensionali siano difficili da soli, stabilmente esistere da soli, da soli, Attaccato solo alla superficie del substrato tridimensionale o alle sostanze interne come la grafite. Non è stato fino al 2004 che Andre Geim e il suo studente Konstantin Novoselov hanno spogliato un singolo livello di grafene dalla grafite attraverso esperimenti che la ricerca sul grafene ha raggiunto un nuovo sviluppo.
Sia il fullerene (a sinistra) che il nanotubo di carbonio (medio) 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 di Van der Waals Force.
Al giorno d'oggi, il grafene può essere ottenuto in molti modi e diversi metodi hanno i loro vantaggi e svantaggi. Geim e Novoselov hanno ottenuto il grafene in modo semplice. Usando un nastro trasparente disponibile nei supermercati, hanno spogliato il grafene, un foglio di grafite con solo uno strato di atomi di carbonio spessa, da un pezzo di grafite pirolitica di alto ordine. Questo è conveniente, ma la controllabilità non è così buona e il grafene con una dimensione inferiore a 100 micron (un decimo di millimetro) può essere ottenuto solo applicazioni. La deposizione di vapore chimico può coltivare campioni di grafene con le dimensioni di decine di centimetri sulla superficie del metallo. Sebbene l'area con orientamento costante sia di soli 100 micron [3,4], è stata adatta alle esigenze di produzione di alcune applicazioni. Un altro metodo comune è quello di riscaldare il cristallo di carburo di silicio (SIC) a oltre 1100 ℃ nel vuoto, in modo che gli atomi di silicio vicino all'evaporazione della superficie e gli atomi di carbonio rimanenti vengano riorganizzati, che possono anche ottenere campioni di grafene con buone proprietà.
Il grafene è un nuovo materiale con proprietà uniche: la sua conducibilità elettrica è eccellente come il rame e la sua conduttività termica è migliore di qualsiasi materiale noto. È molto trasparente. Solo una piccola parte (2,3%) della luce visibile dell'incidente verticale sarà assorbita dal grafene e la maggior parte della luce passerà attraverso. È così denso che anche gli atomi di elio (le più piccole molecole di gas) non possono passare. Queste proprietà magiche non sono ereditate direttamente dalla grafite, ma dalla meccanica quantistica. Le sue proprietà elettriche e ottiche uniche determinano che ha ampie prospettive di applicazione.
Sebbene il grafene sia apparso solo per meno di dieci anni, ha mostrato molte applicazioni tecniche, il che è molto raro nei campi della fisica e della scienza dei materiali. Ci vogliono più di dieci anni o addirittura decenni per i materiali generali per spostarsi dal laboratorio a vita reale. A che serve il grafene? Diamo un'occhiata a due esempi.
Elettrodo trasparente morbido
In molti apparecchi elettrici, i materiali conduttivi trasparenti devono essere utilizzati come elettrodi. Orologi elettronici, calcolatori, televisori, display di cristalli liquidi, touch screen, pannelli solari e molti altri dispositivi non possono lasciare l'esistenza di elettrodi trasparenti. L'elettrodo trasparente tradizionale utilizza ossido di stagno indio (ITO). A causa dell'elevato prezzo e dell'offerta limitata di indio, il materiale è fragile e mancanza di flessibilità e l'elettrodo deve essere depositato nello strato intermedio di vuoto e il costo è relativamente elevato. Per molto tempo, gli scienziati hanno cercato di trovare il suo sostituto. Oltre ai requisiti di trasparenza, buona conduttività e facile preparazione, se la flessibilità del materiale stesso è buona, sarà adatta per la realizzazione di "carta elettronica" o altri dispositivi di visualizzazione pieghevole. Pertanto, la flessibilità è anche un aspetto molto importante. Il grafene è un tale materiale, che è molto adatto per elettrodi trasparenti.
I ricercatori dell'Università di Samsung e Chengjunguan in Corea del Sud hanno ottenuto il grafene con una lunghezza diagonale di 30 pollici per deposizione di vapore chimico e lo hanno trasferito in un film di polietilene tereftalato (PET) di spessore di 188 micron per produrre un touch screen a base di grafene [4]. Come mostrato nella figura seguente, il grafene coltivato sul foglio di rame viene prima legato al nastro di stripping termico (parte trasparente blu), quindi il foglio di rame viene sciolto con il metodo chimico e infine il grafene viene trasferito al film PET riscaldando .
Nuove apparecchiature di induzione fotoelettrica
Il grafene ha proprietà ottiche davvero uniche. Sebbene vi sia solo uno strato di atomi, può assorbire il 2,3% della luce emessa nell'intera lunghezza d'onda vanno dalla luce visibile a infrarossi. Questo numero non ha nulla a che fare con altri parametri di materiale del grafene ed è determinato dall'elettrodinamica quantistica [6]. La luce assorbita porterà alla generazione di vettori (elettroni e buchi). La generazione e il trasporto di vettori nel grafene sono molto diversi da quelli dei semiconduttori tradizionali. Ciò rende il grafene molto adatto per apparecchiature di induzione fotoelettrica ultraveloce. Si stima che tali apparecchiature di induzione fotoelettrica possano funzionare alla frequenza di 500 GHz. Se viene utilizzato per la trasmissione del segnale, può trasmettere 500 miliardi di zeri o quelli al secondo e completare la trasmissione del contenuto di due dischi Blu Ray in un secondo.
Gli esperti dell'IBM Thomas J. Watson Research Center negli Stati Uniti hanno usato il grafene per produrre dispositivi di induzione fotoelettrica che possono funzionare alla frequenza a 10 GHz [8]. In primo luogo, i fiocchi di grafene sono stati preparati su un substrato di silicio coperto di silice di spessore di 300 nm con "metodo di strappo del nastro", quindi sono stati realizzati elettrodi oro oro in titanio di palladio o in oro con un intervallo di 1 micron e una larghezza di 250 nm. In questo modo, si ottiene un dispositivo di induzione fotoelettrica a base di grafene.
Diagramma schematico di attrezzature di induzione fotoelettrica di grafene e microscopio elettronico a scansione (SEM) di campioni effettivi. La linea corta nera 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 di induzione fotoelettrica della struttura in metallo in metallo può raggiungere al massimo la frequenza di lavoro di 16 GHz e può funzionare ad alta velocità nella lunghezza d'onda vanno da 300 nm (vicino a ultravioletto) a 6 micron (infrarossi), mentre l'infrarosso), mentre l'infrarosso), mentre l'infrarosso), mentre l'infrarosso (infrarossi) Il tradizionale tubo di induzione fotoelettrico non può rispondere alla luce a infrarossi con lunghezza d'onda più lunga. La frequenza di lavoro delle apparecchiature di induzione fotoelettrica di grafene ha ancora un ottimo spazio per il miglioramento. Le sue prestazioni superiori lo fanno avere una vasta gamma di prospettive di applicazione, tra cui comunicazione, controllo remoto e monitoraggio ambientale.
Come nuovo materiale con proprietà uniche, la ricerca sull'applicazione del grafene sta emergendo uno dopo l'altro. È difficile per noi elenarli qui. In futuro, potrebbero esserci tubi dell'effetto sul campo realizzati in grafene, interruttori molecolari realizzati in grafene e rilevatori molecolari realizzati di grafene nella vita quotidiana ... grafene che esce gradualmente dal laboratorio brillerà nella vita quotidiana.
Possiamo aspettarci che un gran numero di prodotti elettronici che utilizzano grafene apparirà nel prossimo futuro. Pensa a quanto sarebbe interessante se i nostri smartphone e netbook potessero essere arrotolati, bloccato sulle orecchie, imbottiti nelle tasche o avvolti attorno ai polsi quando non sono in uso!
Tempo post: MAR-09-2022