מה התועלת בגרפן?שני מקרי יישום מאפשרים לך להבין את סיכוי היישום של גרפן

בשנת 2010 זכו גיים ונובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם על גרפן.הפרס הזה הותיר רושם עמוק על אנשים רבים.אחרי הכל, לא כל כלי ניסוי של פרס נובל נפוץ כמו סרט דבק, ולא כל חפץ מחקר קסום וקל להבנה כמו גרפן "גביש דו מימדי".ניתן להעניק את היצירה בשנת 2004 בשנת 2010, דבר נדיר ברשומה של פרס נובל בשנים האחרונות.

גרפן הוא סוג של חומר המורכב משכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים באופן הדוק לתוך סריג משושה של חלת דבש דו מימדי.כמו יהלום, גרפיט, פולרן, ננו-צינוריות פחמן ופחמן אמורפי, זהו חומר (חומר פשוט) המורכב מיסודות פחמן.כפי שמוצג באיור שלהלן, ניתן לראות את פולרנים וננו-צינורות פחמן כמגולגלים בדרך כלשהי משכבה אחת של גרפן, הנערמת על ידי שכבות רבות של גרפן.המחקר התיאורטי על השימוש בגרפן לתיאור תכונותיהם של חומרים פשוטים מפחמן שונים (גרפיט, ננו-צינוריות פחמן וגרפן) נמשך כמעט 60 שנה, אך נהוג להאמין שקשה להתקיים ביציבות של חומרים דו-ממדיים כאלה לבדם. מחובר רק למשטח המצע התלת מימדי או בתוך חומרים כמו גרפיט.רק בשנת 2004, אנדרה גיים ותלמידו קונסטנטין נובוסלוב הפשיטו שכבה אחת של גרפן מגרפיט באמצעות ניסויים שהמחקר על הגרפן השיג פיתוח חדש.

ניתן להתייחס גם לפולרן (משמאל) וגם לננו-צינור פחמן (באמצע) כמגולגלים על ידי שכבה אחת של גרפן בדרך כלשהי, בעוד שגרפיט (מימין) מוערם על ידי מספר שכבות של גרפן באמצעות חיבור כוח ואן דר ואלס.

כיום ניתן להשיג גרפן בדרכים רבות, ולשיטות שונות יש יתרונות וחסרונות משלהן.גיים ונובוסלוב השיגו גרפן בצורה פשוטה.באמצעות סרט שקוף הזמין בסופרמרקטים, הם פשטו את הגרפן, יריעת גרפיט בעובי שכבה אחת בלבד של אטומי פחמן, מחתיכת גרפיט פירוליטי מסדר גבוה.זה נוח, אבל יכולת השליטה לא כל כך טובה, וניתן להשיג רק גרפן בגודל של פחות מ-100 מיקרון (עשירית המילימטר), שאפשר להשתמש בו לניסויים, אבל קשה להשתמש בו למעשים יישומים.שקיעת אדים כימית יכולה להצמיח דגימות גרפן בגודל של עשרות סנטימטרים על פני המתכת.למרות שהאזור עם כיוון עקבי הוא רק 100 מיקרון [3,4], הוא התאים לצרכי הייצור של יישומים מסוימים.שיטה נפוצה נוספת היא לחמם את גביש הסיליקון קרביד (SIC) ליותר מ-1100 ℃ בוואקום, כך שאטומי הסיליקון ליד פני השטח מתאדים, ושאר אטומי הפחמן מסודרים מחדש, מה שיכול גם לקבל דגימות גרפן בעלות תכונות טובות.

הגרפן הוא חומר חדש בעל תכונות ייחודיות: המוליכות החשמלית שלו מצוינת כמו הנחושת, והמוליכות התרמית שלו טובה יותר מכל חומר מוכר.זה מאוד שקוף.רק חלק קטן (2.3%) מהאור הנראה הנכנס האנכי ייספג בגרפן, ורוב האור יעבור דרכו.הוא כל כך צפוף שאפילו אטומי הליום (מולקולות הגז הקטנות ביותר) לא יכולים לעבור דרכם.תכונות קסומות אלו אינן עוברות ישירות מהגרפיט, אלא ממכניקת הקוונטים.המאפיינים החשמליים והאופטיים הייחודיים שלו קובעים שיש לו סיכויי יישום רחבים.

למרות שהגרפן הופיע רק פחות מעשר שנים, הוא הראה יישומים טכניים רבים, דבר נדיר מאוד בתחומי הפיזיקה ומדע החומר.זה לוקח יותר מעשר שנים או אפילו עשרות שנים לחומרים כלליים לעבור ממעבדה לחיים האמיתיים.מה התועלת בגרפן?בואו נסתכל על שתי דוגמאות.

אלקטרודה שקופה רכה
במכשירי חשמל רבים, חומרים מוליכים שקופים צריכים לשמש כאלקטרודות.שעונים אלקטרוניים, מחשבונים, טלוויזיות, צגי גביש נוזלי, מסכי מגע, פאנלים סולאריים ומכשירים רבים אחרים אינם יכולים לעזוב את קיומן של אלקטרודות שקופות.האלקטרודה השקופה המסורתית משתמשת בתחמוצת פח אינדיום (ITO).בשל המחיר הגבוה וההיצע המצומצם של אינדיום, החומר שביר וחסר גמישות, ויש להפקיד את האלקטרודה בשכבת הוואקום האמצעית והעלות גבוהה יחסית.במשך זמן רב ניסו מדענים למצוא את התחליף שלו.בנוסף לדרישות של שקיפות, מוליכות טובה והכנה קלה, אם הגמישות של החומר עצמו טובה, הוא יתאים לייצור "נייר אלקטרוני" או מכשירי תצוגה מתקפלים אחרים.לכן, גמישות היא גם היבט חשוב מאוד.גרפן הוא חומר כזה, שמתאים מאוד לאלקטרודות שקופות.

חוקרים מסמסונג ומאוניברסיטת צ'נג'ונגואן בדרום קוריאה השיגו גרפן באורך אלכסוני של 30 אינץ' על ידי שקיעת אדים כימית והעבירו אותו לסרט פוליאתילן טרפתלט בעובי 188 מיקרון (PET) כדי לייצר מסך מגע מבוסס גרפן [4].כפי שמוצג באיור למטה, הגרפן הגדל על נייר הנחושת נקשר תחילה עם סרט ההפשטה התרמי (חלק שקוף כחול), לאחר מכן מומס נייר הנחושת בשיטה כימית, ולבסוף הגרפן מועבר לסרט PET על ידי חימום .

ציוד אינדוקציה פוטו-אלקטרי חדש
לגרפן תכונות אופטיות ייחודיות מאוד.למרות שיש רק שכבה אחת של אטומים, היא יכולה לספוג 2.3% מהאור הנפלט בכל טווח אורכי הגל מאור נראה לאינפרא אדום.למספר זה אין שום קשר לפרמטרים חומריים אחרים של גרפן והוא נקבע על ידי אלקטרודינמיקה קוונטית [6].האור הנספג יוביל ליצירת נשאים (אלקטרונים וחורים).היצירה וההובלה של נשאים בגרפן שונים מאוד מאלה שבמוליכים למחצה מסורתיים.זה הופך את הגרפן למתאים מאוד לציוד אינדוקציה פוטואלקטרי מהיר במיוחד.ההערכה היא שציוד אינדוקציה פוטואלקטרי כזה עשוי לעבוד בתדר של 500GHz.אם הוא משמש להעברת אותות, הוא יכול לשדר 500 מיליארד אפסים או אחדים בשנייה, ולהשלים את שידור התוכן של שני תקליטורי Blu ray בשנייה אחת.

מומחים ממרכז המחקר של IBM Thomas J. Watson בארצות הברית השתמשו בגרפן לייצור התקני אינדוקציה פוטו-אלקטריים שיכולים לעבוד בתדר 10GHz [8].ראשית, פתיתי גרפן הוכנו על מצע סיליקון מכוסה סיליקה בעובי 300 ננומטר ב"שיטת קריעת קלטת", ולאחר מכן נוצרו עליו אלקטרודות זהב פלדיום או טיטניום במרווח של 1 מיקרון ורוחב של 250 ננומטר.בדרך זו, מתקבל מכשיר אינדוקציה פוטואלקטרי מבוסס גרפן.

דיאגרמה סכמטית של ציוד אינדוקציה פוטואלקטרי גרפן ותצלומי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של דגימות בפועל.הקו הקצר השחור באיור מתאים ל-5 מיקרון, והמרחק בין קווי מתכת הוא מיקרון אחד.

באמצעות ניסויים, החוקרים מצאו כי התקן אינדוקציה פוטואלקטרי של מבנה מתכת גרפן מתכתי זה יכול להגיע לתדר עבודה של 16GHz לכל היותר, ויכול לעבוד במהירות גבוהה בטווח אורך גל מ-300 ננומטר (ליד אולטרה סגול) ל-6 מיקרון (אינפרא אדום), בעוד צינור האינדוקציה הפוטואלקטרי המסורתי אינו יכול להגיב לאור אינפרא אדום עם אורך גל ארוך יותר.לתדר העבודה של ציוד אינדוקציה פוטואלקטרי גרפן עדיין יש מקום גדול לשיפור.הביצועים המעולים שלו גורמים לו למגוון רחב של אפשרויות יישום, כולל תקשורת, שליטה מרחוק וניטור סביבתי.

כחומר חדש בעל תכונות ייחודיות, המחקר על היישום של גרפן מתעורר בזה אחר זה.קשה לנו למנות אותם כאן.בעתיד יתכנו צינורות אפקט שדה עשויים גרפן, מתגים מולקולריים עשויים גרפן וגלאים מולקולריים עשויים גרפן בחיי היומיום... גרפן שיוצא בהדרגה מהמעבדה יזרח בחיי היומיום.

אנו יכולים לצפות שמספר רב של מוצרים אלקטרוניים המשתמשים בגרפן יופיעו בעתיד הקרוב.חשבו כמה מעניין זה יהיה אם ניתן היה לגלגל את הסמארטפונים והנטבוקים שלנו, להצמיד אותם על האוזניים, לדחוס בכיסים שלנו, או לעטוף אותם סביב פרקי הידיים שלנו כאשר הם לא בשימוש!