Nel 2010, Geim e Novoselov hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro sul grafene.Questo premio ha lasciato una profonda impressione in 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 comprendere come il grafene “cristallo bidimensionale”.Il lavoro del 2004 potrà essere premiato nel 2010, cosa rara nel palmares dei Premi Nobel degli ultimi anni.
Il grafene è un tipo di sostanza costituita da un singolo strato di atomi di carbonio strettamente disposti in un reticolo esagonale a nido d'ape bidimensionale.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 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) dura da quasi 60 anni, ma si ritiene generalmente che tali materiali bidimensionali difficilmente possano esistere stabilmente da soli, attaccato solo alla superficie tridimensionale del substrato o all'interno di sostanze come la grafite.È stato solo nel 2004 che Andre Geim e il suo studente Konstantin Novoselov hanno estratto un singolo strato 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 (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.
Al giorno d'oggi, il grafene può essere ottenuto in molti modi e diversi metodi presentano vantaggi e svantaggi.Geim e Novoselov hanno ottenuto il grafene in modo semplice.Usando il nastro trasparente disponibile nei supermercati, hanno estratto il grafene, un foglio di grafite con un solo strato di atomi di carbonio spesso, da un pezzo di grafite pirolitica di alto ordine.Questo è conveniente, ma la controllabilità non è così buona e si può ottenere solo grafene con una dimensione inferiore a 100 micron (un decimo di millimetro), che può essere utilizzato per esperimenti, ma è difficile da utilizzare per scopi pratici applicazioni.La deposizione di vapori chimici può far crescere campioni di grafene delle dimensioni di decine di centimetri sulla superficie metallica.Sebbene l'area con orientamento coerente sia di soli 100 micron [3,4], è risultata adatta alle esigenze di produzione di alcune applicazioni.Un altro metodo comune è quello di 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, il che può anche ottenere campioni di grafene con buone proprietà.
Il grafene è un nuovo materiale con proprietà uniche: la sua conduttività elettrica è eccellente quanto il rame e la sua conduttività termica è migliore di qualsiasi materiale conosciuto.È molto trasparente.Solo una piccola parte (2,3%) della luce visibile incidente verticale 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 determinano che ha ampie prospettive di applicazione.
Sebbene il grafene sia apparso solo da meno di dieci anni, ha mostrato molte 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 generali passino dal laboratorio alla vita reale.A cosa serve il grafene?Diamo un'occhiata a due esempi.
Elettrodo morbido trasparente
In molti apparecchi elettrici è necessario utilizzare come elettrodi materiali conduttivi trasparenti.Orologi elettronici, calcolatrici, televisori, schermi a cristalli liquidi, touch screen, pannelli solari e molti altri dispositivi non possono lasciare l'esistenza di elettrodi trasparenti.Il tradizionale elettrodo trasparente utilizza ossido di indio-stagno (ITO).A causa del prezzo elevato e della fornitura limitata di indio, il materiale è fragile e privo 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 un suo sostituto.Oltre ai requisiti di trasparenza, buona conduttività e facile preparazione, se la flessibilità del materiale stesso è buona, sarà adatto alla realizzazione di “carta elettronica” o altri dispositivi di visualizzazione pieghevoli.Pertanto, anche la flessibilità è un aspetto molto importante.Il grafene è un materiale molto adatto per elettrodi trasparenti.
I ricercatori della Samsung e dell’Università di Chengjunguan in Corea del Sud hanno ottenuto il grafene con una lunghezza diagonale di 30 pollici mediante deposizione chimica di 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 seguente, il grafene cresciuto sulla lamina di rame viene prima legato con il nastro di spellatura termica (parte blu trasparente), quindi la lamina di rame viene sciolta con metodo chimico e infine il grafene viene trasferito alla pellicola di PET mediante riscaldamento .
Nuove apparecchiature di induzione fotoelettrica
Il grafene ha proprietà ottiche davvero uniche.Sebbene sia presente un solo strato di atomi, questo 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 trasportatori 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 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 Center negli Stati Uniti hanno utilizzato il grafene per produrre dispositivi di induzione fotoelettrica che possono funzionare a una frequenza di 10 GHz [8].Innanzitutto, sono state preparate scaglie di grafene su un substrato di silicio ricoperto con silice spessa 300 nm mediante il "metodo di strappo del nastro", quindi su di esso sono stati realizzati elettrodi in oro palladio o oro titanio 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 dell'apparecchiatura di induzione fotoelettrica del grafene e foto al microscopio elettronico a scansione (SEM) di campioni reali.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 con struttura metallica in grafene metallico può raggiungere al massimo la frequenza di lavoro di 16 GHz e può funzionare ad alta velocità nell'intervallo di lunghezze d'onda da 300 nm (vicino all'ultravioletto) a 6 micron (infrarossi), mentre il tradizionale tubo a induzione fotoelettrica non può rispondere alla luce infrarossa con lunghezza d'onda maggiore.La frequenza di lavoro delle apparecchiature di induzione fotoelettrica del grafene ha ancora ampi margini di miglioramento.Le sue prestazioni superiori gli consentono di avere un'ampia gamma di prospettive applicative, tra cui comunicazione, controllo remoto e monitoraggio ambientale.
Come nuovo materiale con proprietà uniche, la ricerca sull'applicazione del grafene sta emergendo una dopo l'altra.Ci è difficile enumerarli qui.In futuro potrebbero esserci tubi a effetto di campo fatti di grafene, interruttori molecolari fatti di grafene e rilevatori molecolari fatti di grafene nella vita quotidiana… Il grafene che esce gradualmente dal laboratorio brillerà nella vita quotidiana.
Possiamo aspettarci che nel prossimo futuro appaiano un gran numero di prodotti elettronici che utilizzano il grafene.Pensate quanto sarebbe interessante se i nostri smartphone e netbook potessero essere arrotolati, fissati sulle orecchie, infilati nelle tasche o avvolti attorno ai polsi quando non vengono utilizzati!
Orario di pubblicazione: 09-marzo-2022