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 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".L'opera del 2004 può essere assegnata nel 2010, cosa rara nel record del Premio 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, fullereni e 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 carboniose semplici (grafite, nanotubi di carbonio e grafene) dura da quasi 60 anni, ma si ritiene generalmente che tali materiali bidimensionali siano difficili da 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 strappato 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 arrotolati in qualche modo 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 metodi diversi hanno i loro vantaggi e svantaggi.Geim e Novoselov hanno ottenuto il grafene in modo semplice.Usando del nastro trasparente disponibile nei supermercati, hanno strappato il grafene, un foglio di grafite con solo uno strato di atomi di carbonio spesso, da un pezzo di grafite pirolitica di alto livello.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 usare per scopi pratici applicazioni.La deposizione chimica da vapore può far crescere campioni di grafene con dimensioni di decine di centimetri sulla superficie del metallo.Sebbene l'area con orientamento coerente sia di soli 100 micron [3,4], è stata adatta per le esigenze di produzione di alcune applicazioni.Un altro metodo comune è 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 come 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 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 direttamente ereditate 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 delle scienze dei materiali.Occorrono più di dieci anni o addirittura decenni perché i materiali generici passino dal laboratorio alla vita reale.A cosa serve il grafene?Diamo un'occhiata a due esempi.
Elettrodo morbido trasparente
In molti apparecchi elettrici, i materiali conduttivi trasparenti devono essere utilizzati come elettrodi.Orologi elettronici, calcolatrici, televisori, display a 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 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 del vuoto e il costo è relativamente alto.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 adatto per realizzare “carta elettronica” o altri dispositivi di visualizzazione pieghevoli.Pertanto, anche la flessibilità è un aspetto molto importante.Il grafene è un tale materiale, che è molto adatto per elettrodi trasparenti.
I ricercatori della Samsung e della Chengjunguan University in Corea del Sud hanno ottenuto il grafene con una lunghezza diagonale di 30 pollici mediante deposizione chimica da vapore e lo hanno trasferito su una pellicola di polietilene tereftalato (PET) spessa 188 micron per produrre uno schermo tattile a base di grafene [4].Come mostrato nella figura seguente, il grafene cresciuto sulla lamina di rame viene prima legato con il nastro di spelatura 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 a induzione fotoelettrica
Il grafene ha proprietà ottiche davvero uniche.Sebbene vi sia 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 del materiale 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 vettori nel grafene sono molto diversi da quelli dei semiconduttori tradizionali.Questo rende il grafene molto adatto per apparecchiature a induzione fotoelettrica ultraveloce.Si stima che tali apparecchiature a 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 a induzione fotoelettrica che possono funzionare a una frequenza di 10 GHz [8].In primo luogo, le scaglie di grafene sono state preparate su un substrato di silicio ricoperto di 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 a induzione fotoelettrica a base di grafene.
Diagramma schematico dell'apparecchiatura di induzione fotoelettrica del grafene e delle 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 a 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 a induzione fotoelettrica al 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.È difficile per noi enumerarli qui.In futuro, potrebbero esserci tubi ad effetto di campo in grafene, interruttori molecolari in grafene e rivelatori molecolari in grafene nella vita quotidiana... Il grafene che esce gradualmente dal laboratorio brillerà nella vita quotidiana.
Possiamo aspettarci che un gran numero di prodotti elettronici che utilizzano il grafene compariranno nel prossimo futuro.Pensa a quanto sarebbe interessante se i nostri smartphone e netbook potessero essere arrotolati, fissati alle nostre orecchie, infilati nelle nostre tasche o avvolti intorno ai nostri polsi quando non sono in uso!
Orario postale: 09-mar-2022