Yn 2010, enillodd Geim a Novoselov y Wobr Nobel mewn Ffiseg am eu gwaith ar Graphene. Mae'r wobr hon wedi gadael argraff ddofn ar lawer o bobl. Wedi'r cyfan, nid yw pob teclyn arbrofol Gwobr Nobel mor gyffredin â thâp gludiog, ac nid yw pob gwrthrych ymchwil mor hudolus a hawdd ei ddeall â graphene “crisial dau ddimensiwn”. Gellir dyfarnu'r gwaith yn 2004 yn 2010, sy'n brin yng nghofnod Gwobr Nobel yn ystod y blynyddoedd diwethaf.
Mae graphene yn fath o sylwedd sy'n cynnwys un haen o atomau carbon wedi'u trefnu'n agos i ddellt hecsagonol diliau dau ddimensiwn. Fel diemwnt, graffit, fullerene, nanotiwbiau carbon a charbon amorffaidd, mae'n sylwedd (sylwedd syml) sy'n cynnwys elfennau carbon. Fel y dangosir yn y ffigur isod, gellir ystyried bod fullerenes a nanotiwbiau carbon yn cael eu rholio i fyny mewn rhyw ffordd o un haen o graphene, sy'n cael ei bentyrru gan lawer o haenau o graphene. Mae'r ymchwil ddamcaniaethol ar ddefnyddio graphene i ddisgrifio priodweddau amrywiol sylweddau carbon syml (graffit, nanotiwbiau carbon a graphene) wedi para ers bron i 60 mlynedd, ond credir yn gyffredinol bod deunyddiau dau ddimensiwn o'r fath yn anodd bodoli ar eu pennau eu hunain, Dim ond ynghlwm wrth arwyneb swbstrad tri dimensiwn neu sylweddau y tu mewn fel graffit. Nid tan 2004 y tynnodd Andre Geim a'i fyfyriwr Konstantin Novoselov un haen o graphene o graffit trwy arbrofion y cyflawnodd yr ymchwil ar graphene ddatblygiad newydd.
Gellir ystyried bod fullerene (chwith) a nanotube carbon (canol) yn cael ei rolio gan un haen o graphene mewn rhyw ffordd, tra bod graffit (dde) yn cael ei bentyrru gan haenau lluosog o graphene trwy gysylltiad grym van der Waals.
Y dyddiau hyn, gellir cael graphene mewn sawl ffordd, ac mae gan wahanol ddulliau eu manteision a'u hanfanteision eu hunain. Cafodd Geim a Novoselov graphene mewn ffordd syml. Gan ddefnyddio tâp tryloyw sydd ar gael mewn archfarchnadoedd, fe wnaethant dynnu graphene, dalen graffit gyda dim ond un haen o atomau carbon o drwch, o ddarn o graffit pyrolytig uchel. Mae hyn yn gyfleus, ond nid yw'r rheolaeth mor dda, a dim ond, y gellir defnyddio graphene gyda maint llai na 100 micron (un rhan o ddegfed o filimetr), y gellir ei ddefnyddio ar gyfer arbrofion, ond mae'n anodd cael ei ddefnyddio ar gyfer ymarferol ceisiadau. Gall dyddodiad anwedd cemegol dyfu samplau graphene gyda maint degau o centimetrau ar yr wyneb metel. Er mai dim ond 100 micron yw'r ardal sydd â chyfeiriadedd cyson [3,4], mae wedi bod yn addas ar gyfer anghenion cynhyrchu rhai cymwysiadau. Dull cyffredin arall yw cynhesu'r grisial carbid silicon (sic) i fwy na 1100 ℃ mewn gwactod, fel bod yr atomau silicon ger yr wyneb yn anweddu, a'r atomau carbon sy'n weddill yn cael eu haildrefnu, a all hefyd gael samplau graphene ag eiddo da.
Mae graphene yn ddeunydd newydd sydd ag eiddo unigryw: mae ei ddargludedd trydanol yr un mor rhagorol â chopr, ac mae ei ddargludedd thermol yn well nag unrhyw ddeunydd hysbys. Mae'n dryloyw iawn. Dim ond rhan fach (2.3%) o'r digwyddiad fertigol y mae golau gweladwy yn cael ei amsugno gan graphene, a bydd y rhan fwyaf o'r golau yn pasio trwodd. Mae mor drwchus fel na all hyd yn oed atomau heliwm (y moleciwlau nwy lleiaf) basio trwodd. Nid yw'r priodweddau hudol hyn wedi'u hetifeddu yn uniongyrchol o graffit, ond o fecaneg cwantwm. Mae ei briodweddau trydanol ac optegol unigryw yn penderfynu bod ganddo ragolygon cymwysiadau eang.
Er mai dim ond am lai na deng mlynedd y mae graphene wedi ymddangos, mae wedi dangos llawer o gymwysiadau technegol, sy'n brin iawn ym meysydd ffiseg a gwyddoniaeth faterol. Mae'n cymryd mwy na deng mlynedd neu hyd yn oed ddegawdau i ddeunyddiau cyffredinol symud o labordy i fywyd go iawn. Beth yw'r defnydd o graphene? Gadewch i ni edrych ar ddwy enghraifft.
Electrod meddal tryloyw
Mewn llawer o offer trydanol, mae angen defnyddio deunyddiau dargludol tryloyw fel electrodau. Ni all gwylio electronig, cyfrifianellau, setiau teledu, arddangosfeydd crisial hylif, sgriniau cyffwrdd, paneli solar a llawer o ddyfeisiau eraill adael bodolaeth electrodau tryloyw. Mae'r electrod tryloyw traddodiadol yn defnyddio ocsid tun indium (ITO). Oherwydd y pris uchel a'r cyflenwad cyfyngedig o indium, mae'r deunydd yn frau a diffyg hyblygrwydd, ac mae angen adneuo'r electrod yn haen ganol y gwactod, ac mae'r gost yn gymharol uchel. Am amser hir, mae gwyddonwyr wedi bod yn ceisio dod o hyd i'w eilydd. Yn ychwanegol at ofynion tryloywder, dargludedd da a pharatoi hawdd, os yw hyblygrwydd y deunydd ei hun yn dda, bydd yn addas ar gyfer gwneud “papur electronig” neu ddyfeisiau arddangos plygadwy eraill. Felly, mae hyblygrwydd hefyd yn agwedd bwysig iawn. Mae graphene yn gymaint o ddeunydd, sy'n addas iawn ar gyfer electrodau tryloyw.
Cafodd ymchwilwyr o Brifysgol Samsung a Chengjunguan yn Ne Korea graphene gyda hyd croeslin o 30 modfedd trwy ddyddodiad anwedd cemegol a'i drosglwyddo i ffilm terephthalate polyethylen (PET) 188 micron o drwch i gynhyrchu sgrin gyffwrdd wedi'i seilio ar graphene [4]. Fel y dangosir yn y ffigur isod, mae'r graphene a dyfir ar y ffoil copr yn cael ei bondio gyntaf â'r tâp stripio thermol (rhan dryloyw glas), yna mae'r ffoil copr yn cael ei hydoddi trwy ddull cemegol, ac yn olaf mae'r graphene yn cael ei drosglwyddo i'r ffilm anifeiliaid anwes trwy wresogi .
Offer sefydlu ffotodrydanol newydd
Mae gan graphene briodweddau optegol unigryw iawn. Er mai dim ond un haen o atomau sydd yna, gall amsugno 2.3% o'r golau a allyrrir yn y donfedd gyfan yn amrywio o olau gweladwy i is -goch. Nid oes gan y rhif hwn unrhyw beth i'w wneud â pharamedrau materol eraill graphene ac mae'n cael ei bennu gan electrodynameg cwantwm [6]. Bydd y golau wedi'i amsugno yn arwain at gynhyrchu cludwyr (electronau a thyllau). Mae cynhyrchu a chludo cludwyr mewn graphene yn wahanol iawn i'r rhai mewn lled -ddargludyddion traddodiadol. Mae hyn yn gwneud graphene yn addas iawn ar gyfer offer sefydlu ffotodrydiol ultrafast. Amcangyfrifir y gall offer sefydlu ffotodrydanol o'r fath weithio ar amlder 500GHz. Os yw'n cael ei ddefnyddio ar gyfer trosglwyddo signal, gall drosglwyddo 500 biliwn o sero neu rai yr eiliad, a chwblhau trosglwyddiad cynnwys dau ddisg pelydr Blu mewn un eiliad.
Mae arbenigwyr o Ganolfan Ymchwil IBM Thomas J. Watson yn yr Unol Daleithiau wedi defnyddio graphene i gynhyrchu dyfeisiau sefydlu ffotodrydanol a all weithio ar amledd 10GHz [8]. Yn gyntaf, paratowyd naddion graphene ar swbstrad silicon wedi'i orchuddio â silica 300 nm o drwch trwy “ddull rhwygo tâp”, ac yna gwnaed electrodau aur palladium neu aur titaniwm gydag egwyl o 1 micron a lled o 250 nm arno. Yn y modd hwn, ceir dyfais sefydlu ffotodrydanol wedi'i seilio ar graphene.
Diagram sgematig o offer ymsefydlu ffotodrydiol graphene a sganio lluniau microsgop electron (SEM) o samplau gwirioneddol. Mae'r llinell fer ddu yn y ffigur yn cyfateb i 5 micron, ac mae'r pellter rhwng llinellau metel yn un micron.
Trwy arbrofion, canfu'r ymchwilwyr y gall y ddyfais ymsefydlu ffotodrydanol strwythur metel metel hon gyrraedd amledd gweithio 16GHz ar y mwyaf, a gall weithio ar gyflymder uchel yn y tonfedd amrediad o 300 nm (ger uwchfioled) i 6 micron (israddedig) Ni all y tiwb sefydlu ffotodrydanol traddodiadol ymateb i olau is -goch gyda thonfedd hirach. Mae gan amlder gweithio offer sefydlu ffotodrydanol graphene le gwych i wella o hyd. Mae ei berfformiad uwchraddol yn golygu bod ganddo ystod eang o ragolygon cais, gan gynnwys cyfathrebu, rheoli o bell a monitro amgylcheddol.
Fel deunydd newydd ag eiddo unigryw, mae'r ymchwil ar gymhwyso graphene yn dod i'r amlwg un ar ôl y llall. Mae'n anodd i ni eu cyfrif yma. Yn y dyfodol, efallai y bydd tiwbiau effaith maes wedi'u gwneud o graphene, switshis moleciwlaidd wedi'u gwneud o graphene a synwyryddion moleciwlaidd wedi'u gwneud o graphene ym mywyd beunyddiol ... bydd graphene sy'n dod allan o'r labordy yn raddol yn disgleirio mewn bywyd beunyddiol.
Gallwn ddisgwyl y bydd nifer fawr o gynhyrchion electronig sy'n defnyddio graphene yn ymddangos yn y dyfodol agos. Meddyliwch pa mor ddiddorol fyddai hynny pe gallai ein ffonau smart a'n llyfrau net gael eu rholio i fyny, eu clampio ar ein clustiau, eu stwffio yn ein pocedi, neu eu lapio o amgylch ein harddyrnau pan nad ydyn nhw'n cael eu defnyddio!
Amser Post: Mawrth-09-2022