Im Jahr 2010 gewannen Geim und Novoselov den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit über Graphen. Diese Auszeichnung hat einen tiefen Eindruck auf viele Menschen hinterlassen. Schließlich ist nicht jedes experimentelle Tool für Nobelpreis so häufig wie Klebeband, und nicht jedes Forschungsobjekt ist so magisch und leicht zu verstehen wie „zweidimensionaler Kristallgraphen“. Die Arbeiten im Jahr 2004 können im Jahr 2010 verliehen werden, was in den letzten Jahren selten im Rekord des Nobelpreises ist.
Graphen ist eine Art Substanz, die aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die eng in ein zweidimensionales hexagonales Gitter von Wabe 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 gezeigt, können Fullerenes und Carbon -Nanoröhren in irgendeiner Weise aus einer einzelnen Graphenschicht aufgerollt werden, die von vielen Graphenschichten gestapelt ist. Die theoretische Untersuchung zur Verwendung von Graphen zur Beschreibung der Eigenschaften verschiedener Kohlenstoff-einfacher Substanzen (Graphit, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) hat seit fast 60 Jahren gedauert, aber es wird allgemein angenommen, dass solche zweidimensionalen Materialien nur schwer zu bestimmen sind, allein zu existieren. Nur an die dreidimensionale Substratoberfläche oder in Substanzen wie Graphit gebunden. Erst 2004 haben Andre Geim und sein Student Konstantin Novoselov durch Experimente eine einzige Schicht Graphen aus Graphit entzogen, die die Forschung zu Graphen neue Entwicklung erreichte.
Sowohl Fulleren (links) als auch Carbon -Nanoröhren (Mitte) können in irgendeiner Weise von einer einzelnen Graphenschicht aufgerollt werden, während Graphit (rechts) durch mehrere Graphenschichten durch die Verbindung der Van der Waals -Kraft gestapelt wird.
Heutzutage kann Graphen auf viele Arten erhalten 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, wurden Graphen, ein Graphitblatt mit nur einer Schicht mit dickem Kohlenstoffatomen, aus einem Stück Pyrolytikgrafit mit hoher Ordnung. Dies ist praktisch, aber die Kontrollierbarkeit ist nicht so gut, und Graphen mit einer Größe von weniger als 100 Mikrometern (ein Zehntel Millimeter) kann nur erhalten werden, was für Experimente verwendet werden kann, es ist jedoch schwierig, für die praktische Verwendung zu verwenden Anwendungen. Chemische Dampfablagerung kann Graphenproben mit der Größe von Zehn Zentimetern auf der Metalloberfläche anbauen. Obwohl der Bereich mit konsistenter Ausrichtung nur 100 Mikrometer [3,4] beträgt, ist er für die Produktionsanforderungen einiger Anwendungen geeignet. Eine weitere häufige Methode besteht darin, den Siliziumcarbid (sic) -kristall auf mehr als 1100 ℃ im Vakuum zu erhitzen, so dass
Graphen ist ein neues Material mit einzigartigen Eigenschaften: Die elektrische Leitfähigkeit ist so ausgezeichnet wie Kupfer und seine thermische Leitfähigkeit ist besser als jedes bekannte Material. Es ist sehr transparent. Nur ein kleiner Teil (2,3%) des vertikalen einfallenden sichtbaren Lichts wird von Graphen absorbiert, und der größte Teil des Lichts wird durchlaufen. Es ist so dicht, dass selbst Heliumatome (die kleinsten Gasmoleküle) nicht durchgehen können. Diese magischen Eigenschaften werden nicht direkt von Graphit, sondern von der Quantenmechanik geerbt. Die einzigartigen elektrischen und optischen Eigenschaften bestimmen, dass sie umfassende Anwendungsaussichten haben.
Obwohl Graphen nur seit weniger als zehn Jahren aufgetreten ist, hat es viele technische Anwendungen gezeigt, was in den Bereichen Physik und Materialwissenschaft sehr selten ist. Es dauert mehr als zehn Jahre oder sogar Jahrzehnte, bis allgemeine Materialien vom Labor in das wirkliche Leben wechseln. Wie nutzt Graphen? Schauen wir uns zwei Beispiele an.
Weiche transparente Elektrode
In vielen Elektrogeräten müssen transparente leitende Materialien als Elektroden verwendet werden. Elektronische Uhren, Taschenrechner, Fernseher, Flüssigkristallanzeigen, Touchscreens, Solarmodule und viele andere Geräte können die Existenz transparenter Elektroden nicht lassen. Die traditionelle transparente Elektrode verwendet Indiumzinnoxid (ITO). Aufgrund des hohen Preises und des begrenzten Indiumangebots ist das Material spröde und mangelnde Flexibilität, und die Elektrode muss in der mittleren Vakuumschicht hinterlegt werden, und die Kosten sind relativ hoch. Wissenschaftler haben lange Zeit versucht, ihren Ersatz zu finden. Zusätzlich zu den Anforderungen an Transparenz, eine gute Leitfähigkeit und einfache Vorbereitung ist es für die Herstellung von „elektronischem Papier“ oder anderen faltbaren Displaygeräten geeignet, wenn die Flexibilität des Materials gut ist. Daher ist Flexibilität auch ein sehr wichtiger Aspekt. Graphen ist ein solches Material, das für transparente Elektroden sehr geeignet ist.
Forscher der Samsung und der Chengjunguan University in Südkorea erhielten Graphen mit einer diagonalen Länge von 30 Zoll durch chemische Dampfablagerung und übertrug ihn auf einen 188 Mikron dicken Polyethylen -Terephthalatfilm (PET), um einen Touchscreen auf Graphenbasis zu erstellen [4]. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wird das auf der Kupferfolie gezüchtete Graphen zuerst mit dem thermischen Strippband (blaues transparentes Teil) gebunden, die Kupferfolie wird durch chemische Methode gelöst und schließlich wird das Graphen durch Erwärmung in den PET -Film übertragen .
Neue fotoelektrische Induktionsausrüstung
Graphen hat sehr einzigartige optische Eigenschaften. Obwohl es nur eine Atomeschicht gibt, kann es 2,3% des emittierten Lichts im gesamten Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht bis Infrarot absorbieren. Diese Zahl hat nichts mit anderen Materialparametern von Graphen zu tun und wird durch Quantenelektrodynamik bestimmt [6]. Das absorbierte Licht führt zur Erzeugung von Trägern (Elektronen und Löcher). Die Erzeugung und der Transport von Trägern in Graphen unterscheiden sich stark von denen in traditionellen Halbleitern. Dies macht Graphen sehr geeignet für ultraschnelle photoelektrische Induktionsgeräte. Es wird geschätzt, dass solche fotoelektrischen Induktionsgeräte bei einer Häufigkeit von 500 GHz funktionieren können. Wenn es für die Signalübertragung verwendet wird, kann es 500 Milliarden Nullen oder eine pro Sekunde übertragen und die Übertragung des Inhalts von zwei Blu -Strahlenscheiben in einer Sekunde vervollständigen.
Experten des IBM Thomas J. Watson Research Center in den USA haben Graphen verwendet, um fotoelektrische Induktionsgeräte herzustellen, die bei einer Häufigkeit von 10 GHz arbeiten können [8]. Zunächst wurden Graphenflocken auf einem Silizium -Substrat hergestellt, das mit 300 nm dickem Siliciumdioxid mit „Bandrissmethode“ bedeckt war, und dann wurden Palladiumgold- oder Titangoldelektroden mit einem Intervall von 1 Mikron und einer Breite von 250 nm hergestellt. Auf diese Weise wird ein basiertes photoelektrisches Induktionsgerät erhalten.
Schematisches Diagramm der photoelektrischen Grapheninduktionsgeräte und Rasterelektronenmikroskop (SEM) Fotos von tatsächlichen Proben. Die schwarze kurze Linie in der Abbildung entspricht 5 Mikrometer, und der Abstand zwischen Metalllinien ist ein Mikrometer.
Durch Experimente stellten die Forscher fest, dass diese photoelektrische Induktionsvorrichtung für Metallgraphen -Metallstruktur die Arbeitsfrequenz von 16 GHz höchsten Das traditionelle photoelektrische Induktionsrohr kann nicht mit einer längeren Wellenlänge auf Infrarotlicht reagieren. Die Arbeitsfrequenz der photoelektrischen Einrichtungsgeräte von Graphen hat immer noch einen großen Raum für Verbesserungen. Durch die überlegene Leistung verfügt es über eine breite Palette von Anwendungsaussichten, einschließlich Kommunikation, Fernbedienung und Umweltüberwachung.
Als neues Material mit einzigartigen Eigenschaften entsteht nacheinander die Forschung zur Anwendung von Graphen. Es ist schwierig für uns, sie hier aufzuzählen. In Zukunft kann es Feldeffektröhrchen aus Graphen, molekularen Schalter aus Graphen und molekularen Detektoren aus Graphen im täglichen Leben geben. Graphen, die allmählich aus dem Labor kommen, wird im täglichen Leben glänzen.
Wir können erwarten, dass in naher Zukunft eine große Anzahl elektronischer Produkte mit Graphen auftreten wird. Denken Sie darüber nach, wie interessant es wäre, wenn unsere Smartphones und Netbooks aufgerollt, auf unsere Ohren geklemmt, in unsere Taschen gestopft oder um unsere Handgelenke eingewickelt sind, wenn sie nicht benutzt werden!
Postzeit: März 09-2022