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Wozu dient Graphen?Zwei Anwendungsfälle lassen Sie die Anwendungsaussichten von Graphen verstehen

2010 erhielten Geim und Novoselov den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zu Graphen.Diese Auszeichnung hat bei vielen Menschen einen tiefen Eindruck hinterlassen.Schließlich ist nicht jedes Nobelpreis-Experimentierwerkzeug so verbreitet wie Klebeband, und nicht jedes Forschungsobjekt ist so magisch und leicht zu verstehen wie „zweidimensionaler Kristall“ Graphen.Die Arbeit im Jahr 2004 kann im Jahr 2010 ausgezeichnet werden, was selten in der Liste der Nobelpreise der letzten Jahre ist.

Graphen ist eine Art Substanz, die aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die eng 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 Abbildung unten gezeigt, können Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren in gewisser Weise aus einer einzigen Graphenschicht aufgerollt gesehen werden, die von vielen Graphenschichten gestapelt wird.Die theoretische Forschung zur Verwendung von Graphen zur Beschreibung der Eigenschaften verschiedener einfacher Kohlenstoffsubstanzen (Graphit, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) dauert fast 60 Jahre, aber es wird allgemein angenommen, dass es schwierig ist, solche zweidimensionalen Materialien alleine stabil zu existieren. nur an der dreidimensionalen Substratoberfläche oder im Inneren von Substanzen wie Graphit befestigt.Erst als Andre Geim und sein Student Konstantin Novoselov 2004 durch Experimente eine einzelne Schicht Graphen von Graphit ablösten, erreichte die Forschung an Graphen eine neue Entwicklung.

Sowohl Fulleren (links) als auch Kohlenstoffnanoröhren (Mitte) können in gewisser Weise als von einer einzigen Graphenschicht aufgerollt betrachtet werden, während Graphit (rechts) durch die Verbindung der Van-der-Waals-Kraft von mehreren Graphenschichten gestapelt ist.

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, zogen sie Graphen, eine Graphitfolie mit nur einer Schicht aus Kohlenstoffatomen, von einem Stück pyrolytischen Graphits höherer Ordnung ab.Dies ist bequem, aber die Steuerbarkeit ist nicht so gut, und es kann nur Graphen mit einer Größe von weniger als 100 Mikron (ein Zehntel Millimeter) erhalten werden, das für Experimente verwendet werden kann, aber es ist schwierig, es für die Praxis zu verwenden 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 andere gängige Methode besteht darin, den Siliziumkarbid (SIC)-Kristall im Vakuum auf mehr als 1100 ℃ zu erhitzen, so dass die Siliziumatome in der Nähe der Oberfläche verdampfen und die verbleibenden Kohlenstoffatome neu angeordnet werden, wodurch auch 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 besser als jedes bekannte Material.Es ist sehr transparent.Nur ein kleiner Teil (2,3 %) des vertikal einfallenden sichtbaren Lichts wird von Graphen absorbiert, und das meiste Licht wird durchgelassen.Es ist so dicht, dass selbst Heliumatome (die kleinsten Gasmoleküle) nicht durchdringen können.Diese magischen Eigenschaften werden nicht direkt vom Graphit geerbt, sondern von der Quantenmechanik.Seine einzigartigen elektrischen und optischen Eigenschaften bestimmen, dass es breite Anwendungsperspektiven hat.

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 aus dem Labor in die Realität übergehen.Wozu dient Graphen?Schauen wir uns zwei Beispiele an.

Weiche transparente Elektrode
In vielen elektrischen Geräten müssen transparente leitfähige Materialien als Elektroden verwendet werden.Elektronische Uhren, Taschenrechner, Fernseher, Flüssigkristallanzeigen, Touchscreens, Sonnenkollektoren und viele andere Geräte können die Existenz transparenter Elektroden nicht verlassen.Die herkömmliche transparente Elektrode verwendet Indium-Zinn-Oxid (ITO).Aufgrund des hohen Preises und der begrenzten Verfügbarkeit von Indium ist das Material spröde und wenig flexibel, und die Elektrode muss in der mittleren Vakuumschicht abgeschieden werden, und die Kosten sind relativ hoch.Wissenschaftler haben lange versucht, einen Ersatz zu finden.Zusätzlich zu den Anforderungen an Transparenz, gute Leitfähigkeit und einfache Herstellung eignet sich das Material bei guter Flexibilität für die Herstellung von „elektronischem Papier“ oder anderen faltbaren Anzeigegeräten.Flexibilität ist daher auch ein sehr wichtiger Aspekt.Graphen ist ein solches Material, das sich sehr gut für transparente Elektroden eignet.

Forscher von Samsung und der Chengjungguan University in Südkorea erhielten Graphen mit einer Diagonalen von 30 Zoll durch chemische Gasphasenabscheidung und übertrugen es auf eine 188 Mikrometer dicke Polyethylenterephthalat (PET)-Folie, um einen Graphen-basierten Touchscreen herzustellen [4].Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird das auf der Kupferfolie gewachsene Graphen zuerst mit dem thermischen Abziehband (blauer transparenter Teil) verbunden, dann wird die Kupferfolie durch ein chemisches Verfahren 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 sie 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 Ladungsträgern (Elektronen und Löchern).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 bei 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 vom IBM Thomas J. Watson Research Center in den Vereinigten Staaten haben Graphen verwendet, um photoelektrische Induktionsgeräte herzustellen, die mit einer Frequenz von 10 GHz arbeiten können [8].Zunächst wurden Graphenflocken auf einem mit 300 nm dickem Siliziumdioxid bedeckten Siliziumsubstrat durch „Tape Tearing Method“ hergestellt, 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 eine photoelektrische Induktionsvorrichtung auf Graphenbasis erhalten.

Schematische Darstellung einer photoelektrischen Graphen-Induktionsausrüstung und Rasterelektronenmikroskop-Fotos (SEM) von tatsächlichen Proben.Die schwarze kurze Linie in der Abbildung entspricht 5 Mikrometern und der Abstand zwischen den Metallleitungen beträgt 1 Mikrometer.

Durch Experimente fanden die Forscher heraus, dass dieses photoelektrische Induktionsgerät mit Metallgraphen-Metallstruktur die Arbeitsfrequenz von höchstens 16 GHz erreichen und im Wellenlängenbereich von 300 nm (nahes Ultraviolett) bis 6 Mikrometer (Infrarot) mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann Die traditionelle photoelektrische Induktionsröhre kann nicht auf Infrarotlicht mit längerer Wellenlänge reagieren.Die Arbeitsfrequenz von fotoelektrischen Graphen-Induktionsgeräten hat noch viel Raum für Verbesserungen.Seine überlegene Leistung macht es zu einem breiten Anwendungsspektrum, einschließlich Kommunikation, Fernsteuerung und Umgebungsüberwachung.

Als neues Material mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt sich die Forschung zur Anwendung von Graphen nach und nach.Es fällt uns schwer, sie hier aufzuzählen.In Zukunft mag es Feldeffektröhren aus Graphen, molekulare Schalter aus Graphen und molekulare Detektoren aus Graphen im täglichen Leben geben … Graphen, das nach und nach aus dem Labor kommt, wird im täglichen Leben glänzen.

Wir können erwarten, dass in naher Zukunft eine große Anzahl elektronischer Produkte mit Graphen erscheinen wird.Stellen Sie sich vor, wie interessant es wäre, wenn unsere Smartphones und Netbooks zusammengerollt, an unsere Ohren geklemmt, in unsere Taschen gesteckt oder um unsere Handgelenke gewickelt werden könnten, wenn sie nicht verwendet werden!


Postzeit: 09.03.2022