מה השימוש בגרפן? שני מקרי בקשה מאפשרים לך להבין את סיכוי היישום של גרפן

בשנת 2010 זכו גים ונובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם על גרפן. פרס זה הותיר רושם עמוק על אנשים רבים. אחרי הכל, לא כל כלי ניסוי של פרס נובל נפוץ כמו סרט דבק, ולא כל אובייקט מחקר קסום וקל להבנה כמו גרפן "דו ממדי". ניתן להעניק את העבודות בשנת 2004 בשנת 2010, וזה נדיר ברשומת פרס נובל בשנים האחרונות.

גרפן הוא סוג של חומר המורכב משכבה יחידה של אטומי פחמן המסודרים מקרוב לסריג משושה דו-ממדי דו-ממדי. כמו יהלום, גרפיט, פולרן, צינורות פחמן ופחמן אמורפי, זהו חומר (חומר פשוט) המורכב מאלמנטים פחמניים. כפי שמוצג באיור שלהלן, ניתן לראות את פולרנים וננו -צינורות פחמן כמגולגלים בדרך כלשהי משכבה יחידה של גרפן, הנערמת על ידי שכבות רבות של גרפן. המחקר התיאורטי בנושא השימוש בגרפן לתיאור תכונותיהם של חומרים פשוטים פחמניים (גרפיט, צינורות פחמן וגרפן) נמשך כמעט 60 שנה, אך בדרך כלל מאמינים כי חומרים דו ממדיים כאלה קשים להתקיים לבדם, מחובר רק למשטח המצע התלת ממדי או לחומרים בתוך חומרים כמו גרפיט. רק בשנת 2004 הפסיקו אנדרה גים ותלמידו קונסטנטין נובוסלוב שכבה יחידה של גרפיט מגרפיט דרך ניסויים שהמחקר על גרפן השיג פיתוח חדש.

ניתן לראות גם פולרן (משמאל) וגם ננו -צינור פחמן (אמצע) כמגלגלים על ידי שכבה יחידה של גרפן בדרך כלשהי, ואילו גרפיט (מימין) נערם על ידי שכבות מרובות של גרפן דרך חיבור כוח ואן דר וואלס.

בימינו ניתן להשיג גרפן במובנים רבים, ולשיטות שונות יש יתרונות וחסרונות משלהם. GEIM ו- NOVOSELOV השיגו גרפן בצורה פשוטה. בעזרת קלטת שקופה הזמינה בסופרמרקטים, הם הפשיטו גרפן, גיליון גרפיט עם שכבה אחת בלבד של אטומי פחמן עבה, מחתיכת גרפיט פירוליטי בסדר גודל גבוה. זה נוח, אבל יכולת השליטה אינה כל כך טובה, וניתן להשיג גרפן בגודל של פחות ממאה מיקרון (עשירית אחת מהמילימטר) יישומים. תצהיר אדים כימי יכול לגדל דגימות גרפן בגודל של עשרות סנטימטרים על פני המתכת. למרות שהאזור עם אוריינטציה עקבית הוא רק 100 מיקרון [3,4], הוא היה מתאים לצרכי הייצור של יישומים מסוימים. שיטה נפוצה נוספת היא לחמם את קריסטל הסיליקון קרביד (SIC) ליותר מ- 1100 ℃ בוואקום, כך שאטומי הסיליקון הסמוכים לפני השטח מתאדים, וארכי האטומי הפחמן הנותרים מסודרים מחדש, שיכולים גם להשיג דגימות גרפן עם תכונות טובות.

גרפן הוא חומר חדש עם תכונות ייחודיות: המוליכות החשמלית שלו מצוינת כמו נחושת, והמוליכות התרמית שלו טובה יותר מכל חומר ידוע. זה מאוד שקוף. רק חלק קטן (2.3%) מהאור הנראה לאירוע אנכי ייקלט על ידי גרפן, ורוב האור יעבור דרכו. זה כל כך צפוף שאפילו אטומי הליום (מולקולות הגז הקטנות ביותר) לא יכולות לעבור. תכונות קסומות אלה אינן בירושה ישירות מגרפיט, אלא ממכניקת הקוונטים. המאפיינים החשמליים והאופטיים הייחודיים שלה קובעים כי יש לה סיכויי יישום רחבים.

למרות שגרפן הופיע רק פחות מעשר שנים, הוא הראה יישומים טכניים רבים, וזה נדיר מאוד בתחומי הפיזיקה והמדע החומרים. לוקח יותר מעשר שנים ואפילו עשורים עד שחומרים כלליים יעברו ממעבדה לחיים האמיתיים. מה השימוש בגרפן? בואו נסתכל על שתי דוגמאות.

אלקטרודה שקופה רכה
במכשירים חשמליים רבים, חומרים מוליכים שקופים צריכים לשמש כאלקטרודות. שעונים אלקטרוניים, מחשבונים, טלוויזיות, תצוגות גביש נוזלי, מסכי מגע, לוחות סולאריים ומכשירים רבים אחרים אינם יכולים להשאיר את קיומם של אלקטרודות שקופות. האלקטרודה השקופה המסורתית משתמשת בתחמוצת אינדיום פח (ITO). בשל המחיר הגבוה וההיצע המוגבל של אינדיום, החומר הוא שביר וחוסר גמישות, ויש להפקיד את האלקטרודה בשכבה האמצעית של ואקום, והעלות גבוהה יחסית. הרבה זמן, מדענים מנסים למצוא את תחליף. בנוסף לדרישות השקיפות, מוליכות טובה והכנה קלה, אם הגמישות של החומר עצמו טובה, היא תהיה מתאימה לייצור "נייר אלקטרוני" או התקני תצוגה מתקפלים אחרים. לכן גמישות היא גם היבט חשוב מאוד. גרפן הוא חומר כזה, המתאים מאוד לאלקטרודות שקופות.

חוקרים מאוניברסיטת סמסונג ואוניברסיטת צ'נג'ונגואן בדרום קוריאה השיגו גרפן באורך אלכסוני של 30 אינץ 'על ידי תצהיר אדים כימי והעבירו אותו לסרט טרשתלטים פוליאתילן עבה של 188 מיקרון (PET) כדי לייצר מסך מגע מבוסס גרפן [4]. כפי שמוצג באיור למטה, הגרפן הגדל על נייר הנחושת נקשר לראשונה עם קלטת הפשטה התרמית (חלק שקוף כחול), ואז סכל הנחושת מומס בשיטה כימית, ולבסוף הגרפן מועבר לסרט PET על ידי חימום ו

ציוד אינדוקציה פוטואלקטרי חדש
לגרפן יש תכונות אופטיות ייחודיות מאוד. למרות שיש רק שכבה אחת של אטומים, היא יכולה לספוג 2.3% מהאור הנפלט בכל אורך הגל נעים בין אור גלוי לאינפרא אדום. למספר זה אין שום קשר לפרמטרים חומריים אחרים של גרפן והוא נקבע על ידי אלקטרודינמיקה קוונטית [6]. האור הספוג יוביל לייצור נשאים (אלקטרונים וחורים). ייצור הנשאים וההובלה של גרפן שונים מאוד מאלה במוליכים למחצה מסורתיים. זה הופך את הגרפן למתאים מאוד לציוד אינדוקציה פוטו -אלקטרוני במיוחד. ההערכה היא כי ציוד אינדוקציה פוטואלקטרי כזה עשוי לעבוד בתדירות של 500 ג'יגה הרץ. אם הוא משמש להעברת אות, הוא יכול להעביר 500 מיליארד אפסים או כאלה בשנייה, ולהשלים את העברת התוכן של שני דיסקי Blu Ray בשנייה אחת.

מומחים ממרכז המחקר של יבמ תומאס ג'יי ווטסון בארצות הברית השתמשו בגרפן כדי לייצר מכשירי אינדוקציה פוטו -אלקטרוניים שיכולים לעבוד בתדר 10GHz [8]. ראשית, הוכנו פתיתי גרפן על מצע סיליקון המכוסה בסיליקה בעובי 300 ננומטר על ידי "שיטת קריעת קלטת", ואז נעשו עליו אלקטרודות זהב פלדיום או טיטניום עם מרווח של מיקרון 1 ורוחב של 250 ננומטר. באופן זה מתקבל מכשיר אינדוקציה פוטואלקטרי מבוסס גרפן.

תרשים סכמטי של ציוד אינדוקציה פוטו -אלקטרוני גרפן ותמונות סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) של דגימות בפועל. הקו הקצר השחור באיור תואם 5 מיקרון, והמרחק בין קווי מתכת הוא מיקרון אחד.

באמצעות ניסויים, החוקרים מצאו כי מכשיר האינדוקציה הפוטואלקטרי של מתכת מתכת זו יכול להגיע לתדר העבודה של 16 ג'יגה הרץ לכל היותר, ויכול לעבוד במהירות גבוהה בטווח אורך הגל בין 300 ננומטר (ליד אולטרה סגול) ל 6 מיקרון (אינפרא אדום), ואילו צינור האינדוקציה הפוטואלקטרי המסורתי אינו יכול להגיב לאור אינפרא אדום באורך גל ארוך יותר. לתדירות העבודה של ציוד אינדוקציה פוטו -אלקטרוני גרפן עדיין יש מקום נהדר לשיפור. הביצועים המעולים שלה גורמים לו למגוון רחב של סיכויי יישום, כולל תקשורת, שלט רחוק ומעקב סביבתי.

כחומר חדש עם תכונות ייחודיות, המחקר על יישום גרפן מתגלה בזה אחר זה. קשה לנו למנות אותם כאן. בעתיד יתכנו צינורות אפקט שדה העשויים גרפן, מתגים מולקולריים העשויים גרפן וגלאים מולקולריים העשויים גרפן בחיי היומיום ... גרפן שיוצא בהדרגה מהמעבדה יאיר בחיי היומיום.

אנו יכולים לצפות שמספר גדול של מוצרים אלקטרוניים המשתמשים בגרפן יופיע בעתיד הקרוב. חשוב על כמה מעניין היה אם ניתן היה לגלגל את הטלפונים החכמים והנטבוקים שלנו, להיצמד על אוזנינו, ממולאים בכיסים שלנו, או לעטוף סביב מפרקי כף היד שלנו כשלא בשימוש!