Im Jahr 2010 erhielten Geim und Novoselov für ihre Arbeiten zu Graphen den Nobelpreis für Physik.Diese Auszeichnung hat bei vielen Menschen einen tiefen Eindruck hinterlassen.Schließlich ist nicht jedes mit dem Nobelpreis ausgezeichnete experimentelle Werkzeug so alltäglich wie Klebeband, und nicht jedes Forschungsobjekt ist so magisch und leicht zu verstehen wie „zweidimensionales Kristall“-Graphen.Die Arbeit aus dem Jahr 2004 kann im Jahr 2010 ausgezeichnet werden, was in der Nobelpreisliste der letzten Jahre eine Seltenheit ist.
Graphen ist eine Substanz, die aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die dicht in einem zweidimensionalen sechseckigen Wabengitter angeordnet sind.Wie Diamant, Graphit, Fulleren, Kohlenstoffnanoröhren und amorpher Kohlenstoff ist es eine Substanz (einfache Substanz), die aus Kohlenstoffelementen besteht.Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, können Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren als auf eine Art aufgerollte Form aus einer einzelnen Graphenschicht gesehen werden, auf die viele Graphenschichten gestapelt sind.Die theoretische Forschung zur Verwendung von Graphen zur Beschreibung der Eigenschaften verschiedener einfacher Kohlenstoffsubstanzen (Graphit, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) dauert fast 60 Jahre, es wird jedoch allgemein angenommen, dass es schwierig ist, solche zweidimensionalen Materialien allein stabil zu existieren. Nur an der dreidimensionalen Substratoberfläche oder im Inneren haften Substanzen wie Graphit.Erst im Jahr 2004 gelang es Andre Geim und seinem Schüler Konstantin Novoselov, durch Experimente eine einzelne Graphenschicht aus dem Graphit zu entfernen, was der Graphenforschung neue Fortschritte verschaffte.
Sowohl Fulleren (links) als auch Kohlenstoffnanoröhren (Mitte) können auf irgendeine Weise von einer einzelnen Graphenschicht aufgerollt betrachtet werden, während Graphit (rechts) durch die Verbindung der Van-der-Waals-Kraft von mehreren Graphenschichten gestapelt wird.
Heutzutage kann Graphen auf viele Arten gewonnen werden, und verschiedene Methoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile.Geim und Novoselov erhielten Graphen auf einfache Weise.Mit transparentem Klebeband, das in Supermärkten erhältlich ist, lösten sie Graphen, eine Graphitschicht mit nur einer Schicht Kohlenstoffatomen, von einem Stück pyrolytischem Graphit höherer Ordnung ab.Das ist praktisch, aber die Kontrollierbarkeit ist nicht so gut, und es kann nur Graphen mit einer Größe von weniger als 100 Mikrometern (einem Zehntel Millimeter) erhalten werden, das für Experimente verwendet werden kann, aber für die Praxis schwierig zu verwenden ist Anwendungen.Durch chemische Gasphasenabscheidung können Graphenproben mit einer Größe von mehreren zehn Zentimetern auf der Metalloberfläche wachsen.Obwohl der Bereich mit konsistenter Ausrichtung nur 100 Mikrometer beträgt [3,4], war er für die Produktionsanforderungen einiger Anwendungen geeignet.Eine weitere gängige Methode besteht darin, den Siliziumkarbidkristall (SIC) im Vakuum auf mehr als 1100 °C zu erhitzen, sodass die Siliziumatome in der Nähe der Oberfläche verdampfen und die verbleibenden Kohlenstoffatome neu angeordnet werden, wodurch ebenfalls Graphenproben mit guten Eigenschaften erhalten werden können.
Graphen ist ein neues Material mit einzigartigen Eigenschaften: Seine elektrische Leitfähigkeit ist so hervorragend wie die von Kupfer und seine Wärmeleitfähigkeit ist besser als bei jedem bekannten Material.Es ist sehr transparent.Nur ein kleiner Teil (2,3 %) des vertikal einfallenden sichtbaren Lichts wird von Graphen absorbiert und der größte Teil des Lichts wird hindurchgelassen.Es ist so dicht, dass selbst Heliumatome (die kleinsten Gasmoleküle) nicht durchdringen können.Diese magischen Eigenschaften sind nicht direkt vom Graphit geerbt, sondern von der Quantenmechanik.Aufgrund seiner einzigartigen elektrischen und optischen Eigenschaften verfügt es über breite Anwendungsaussichten.
Obwohl Graphen erst seit weniger als zehn Jahren auftaucht, hat es viele technische Anwendungen gezeigt, was in den Bereichen Physik und Materialwissenschaften sehr selten ist.Es dauert mehr als zehn Jahre oder sogar Jahrzehnte, bis allgemeine Materialien vom Labor in die Praxis übergehen.Wozu dient Graphen?Schauen wir uns zwei Beispiele an.
Weiche transparente Elektrode
In vielen Elektrogeräten müssen transparente leitfähige Materialien als Elektroden verwendet werden.Elektronische Uhren, Taschenrechner, Fernseher, Flüssigkristallanzeigen, Touchscreens, Solarpaneele und viele andere Geräte können auf transparente Elektroden nicht verzichten.Die herkömmliche transparente Elektrode verwendet Indiumzinnoxid (ITO).Aufgrund des hohen Preises und des begrenzten Angebots an Indium ist das Material spröde und nicht flexibel, und die Elektrode muss in der mittleren Vakuumschicht abgeschieden werden, was relativ hohe Kosten verursacht.Seit langem versuchen Wissenschaftler, einen Ersatz zu finden.Zusätzlich zu den Anforderungen an Transparenz, gute Leitfähigkeit und einfache Herstellung ist das Material selbst bei guter Flexibilität für die Herstellung von „elektronischem Papier“ oder anderen faltbaren Anzeigegeräten geeignet.Daher ist Flexibilität auch ein sehr wichtiger Aspekt.Graphen ist ein solches Material, das sich sehr gut für transparente Elektroden eignet.
Forscher von Samsung und der Chengjunguan-Universität in Südkorea erhielten durch chemische Gasphasenabscheidung Graphen mit einer diagonalen Länge von 30 Zoll und übertrugen es auf eine 188 Mikrometer dicke Polyethylenterephthalat (PET)-Folie, um einen Touchscreen auf Graphenbasis herzustellen [4].Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird das auf der Kupferfolie gewachsene Graphen zunächst mit dem thermischen Abisolierband (blauer transparenter Teil) verbunden, dann wird die Kupferfolie durch eine chemische Methode aufgelöst und schließlich wird das Graphen durch Erhitzen auf die PET-Folie übertragen .
Neue photoelektrische Induktionsausrüstung
Graphen hat sehr einzigartige optische Eigenschaften.Obwohl es nur eine Atomschicht gibt, kann diese 2,3 % des emittierten Lichts im gesamten Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum Infrarot absorbieren.Diese Zahl hat nichts mit anderen Materialparametern von Graphen zu tun und wird durch die Quantenelektrodynamik bestimmt [6].Das absorbierte Licht führt zur Erzeugung von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher).Die Erzeugung und der Transport von Ladungsträgern in Graphen unterscheiden sich stark von denen in herkömmlichen Halbleitern.Dadurch eignet sich Graphen sehr gut für ultraschnelle photoelektrische Induktionsgeräte.Es wird geschätzt, dass solche photoelektrischen Induktionsgeräte mit einer Frequenz von 500 GHz arbeiten können.Wenn es zur Signalübertragung verwendet wird, kann es 500 Milliarden Nullen oder Einsen pro Sekunde übertragen und die Übertragung des Inhalts von zwei Blu-ray-Discs in einer Sekunde abschließen.
Experten des IBM Thomas J. Watson Research Center in den Vereinigten Staaten haben Graphen zur Herstellung photoelektrischer Induktionsgeräte verwendet, die bei einer Frequenz von 10 GHz arbeiten können [8].Zunächst wurden Graphenflocken auf einem Siliziumsubstrat hergestellt, das mit 300 nm dickem Siliziumdioxid durch die „Tape-Tearing-Methode“ bedeckt war, und dann wurden darauf Palladium-Gold- oder Titan-Gold-Elektroden mit einem Abstand von 1 Mikrometer und einer Breite von 250 nm hergestellt.Auf diese Weise wird ein photoelektrisches Induktionsgerät auf Graphenbasis erhalten.
Schematische Darstellung einer photoelektrischen Graphen-Induktionsausrüstung und Rasterelektronenmikroskop-Fotos (REM) von tatsächlichen Proben.Die schwarze kurze Linie in der Abbildung entspricht 5 Mikrometern und der Abstand zwischen den Metalllinien beträgt ein Mikrometer.
Durch Experimente fanden die Forscher heraus, dass dieses fotoelektrische Induktionsgerät mit Metallgraphen-Metallstruktur die Arbeitsfrequenz von höchstens 16 GHz erreichen und mit hoher Geschwindigkeit im Wellenlängenbereich von 300 nm (nahes Ultraviolett) bis 6 Mikrometer (Infrarot) arbeiten kann Die herkömmliche photoelektrische Induktionsröhre kann nicht auf Infrarotlicht mit längerer Wellenlänge reagieren.Die Arbeitsfrequenz von photoelektrischen Graphen-Induktionsgeräten bietet noch viel Raum für Verbesserungen.Aufgrund seiner überlegenen Leistung bietet es ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich Kommunikation, Fernsteuerung und Umgebungsüberwachung.
Da es sich um ein neues Material mit einzigartigen Eigenschaften handelt, werden immer mehr Forschungen zur Anwendung von Graphen durchgeführt.Es fällt uns schwer, sie hier aufzuzählen.In Zukunft könnte es im täglichen Leben Feldeffektröhren aus Graphen, molekulare Schalter aus Graphen und molekulare Detektoren aus Graphen geben … Graphen, das nach und nach aus dem Labor kommt, wird im täglichen Leben glänzen.
Wir können davon ausgehen, dass in naher Zukunft eine große Anzahl elektronischer Produkte auf Basis von Graphen auf den Markt kommen wird.Denken Sie darüber nach, wie interessant es wäre, wenn wir unsere Smartphones und Netbooks zusammenrollen, an unsere Ohren klemmen, in unsere Taschen stecken oder um unsere Handgelenke wickeln könnten, wenn wir sie nicht benutzen!
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 09.03.2022