استفاده از گرافن چیست؟دو مورد کاربردی به شما امکان می دهد چشم انداز کاربرد گرافن را درک کنید

در سال 2010، گیم و نووسلوف جایزه نوبل فیزیک را برای کارشان بر روی گرافن دریافت کردند.این جایزه تأثیر عمیقی بر بسیاری از افراد گذاشته است.از این گذشته، همه ابزارهای آزمایشی جایزه نوبل به اندازه نوار چسب رایج نیستند، و هر شی تحقیقاتی به اندازه گرافن «کریستال دو بعدی» جادویی و آسان نیست.این اثر در سال 2004 می تواند در سال 2010 اهدا شود، که در رکوردهای سال های اخیر جایزه نوبل نادر است.

گرافن نوعی ماده است که از یک لایه واحد از اتم‌های کربن تشکیل شده است که در یک شبکه شش ضلعی لانه زنبوری دو بعدی قرار گرفته‌اند.مانند الماس، گرافیت، فولرن، نانولوله های کربنی و کربن آمورف، ماده ای (ماده ساده) است که از عناصر کربنی تشکیل شده است.همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، فولرن‌ها و نانولوله‌های کربنی را می‌توان به شکلی از یک لایه گرافن که توسط لایه‌های زیادی از گرافن روی هم قرار گرفته‌اند، به‌صورت رول‌شده مشاهده کرد.تحقیقات نظری در مورد استفاده از گرافن برای توصیف خواص مواد مختلف کربنی ساده (گرافیت، نانولوله‌های کربنی و گرافن) نزدیک به 60 سال به طول انجامیده است، اما عموماً اعتقاد بر این است که وجود چنین مواد دو بعدی به تنهایی دشوار است. فقط به سطح زیرلایه سه بعدی یا درون موادی مانند گرافیت متصل می شود.در سال 2004 بود که آندره گیم و شاگردش کنستانتین نووسلوف از طریق آزمایش‌هایی یک لایه گرافن را از گرافیت جدا کردند که تحقیقات روی گرافن به پیشرفت جدیدی دست یافت.

هم فولرن (سمت چپ) و هم نانولوله کربنی (وسط) را می‌توان به‌صورتی در نظر گرفت که توسط یک لایه گرافن پیچیده شده‌اند، در حالی که گرافیت (راست) توسط چندین لایه گرافن از طریق اتصال نیروی واندروالس روی هم قرار می‌گیرد.

امروزه گرافن را می توان از راه های مختلفی به دست آورد و روش های مختلف مزایا و معایب خاص خود را دارند.گیم و نووسلوف گرافن را به روشی ساده به دست آوردند.آنها با استفاده از نوار شفاف موجود در سوپرمارکت ها، گرافن را که یک ورقه گرافیتی با ضخامت تنها یک لایه اتم کربن بود، از یک قطعه گرافیت پیرولیتیک درجه بالا جدا کردند.این راحت است، اما قابلیت کنترل چندان خوب نیست و گرافن با اندازه کمتر از 100 میکرون (یک دهم میلی متر) را فقط می توان به دست آورد که می تواند برای آزمایش استفاده شود، اما استفاده از آن برای عملی دشوار است. برنامه های کاربردی.رسوب بخار شیمیایی می تواند نمونه های گرافن را به اندازه ده ها سانتی متر روی سطح فلز رشد دهد.اگرچه منطقه با جهت گیری ثابت تنها 100 میکرون است [3،4]، اما برای نیازهای تولید برخی از کاربردها مناسب بوده است.یکی دیگر از روش های رایج گرم کردن کریستال کاربید سیلیکون (SIC) تا دمای بیش از 1100 درجه در خلاء است، به طوری که اتم های سیلیکون در نزدیکی سطح تبخیر می شوند و اتم های کربن باقی مانده دوباره مرتب می شوند، که می تواند نمونه های گرافن با خواص خوب را نیز به دست آورد.

گرافن یک ماده جدید با خواص منحصر به فرد است: رسانایی الکتریکی آن مانند مس عالی است و هدایت حرارتی آن بهتر از هر ماده شناخته شده است.بسیار شفاف است.تنها بخش کوچکی (2.3٪) از نور مرئی فرودی عمودی توسط گرافن جذب می شود و بیشتر نور از آن عبور می کند.چگالی آن به حدی است که حتی اتم های هلیوم (کوچک ترین مولکول های گاز) نیز نمی توانند از آن عبور کنند.این خواص جادویی مستقیماً از گرافیت به ارث نمی رسد، بلکه از مکانیک کوانتومی به ارث رسیده است.خواص الکتریکی و نوری منحصر به فرد آن مشخص می کند که چشم انداز کاربرد گسترده ای دارد.

اگرچه گرافن تنها کمتر از ده سال است که ظاهر شده است، اما کاربردهای فنی زیادی را نشان داده است که در زمینه های فیزیک و علم مواد بسیار نادر است.بیش از ده سال یا حتی دهه ها طول می کشد تا مواد عمومی از آزمایشگاه به زندگی واقعی منتقل شوند.استفاده از گرافن چیست؟بیایید به دو مثال نگاه کنیم.

الکترود شفاف نرم
در بسیاری از وسایل الکتریکی، مواد رسانای شفاف باید به عنوان الکترود استفاده شوند.ساعت های الکترونیکی، ماشین حساب، تلویزیون، نمایشگر کریستال مایع، صفحه نمایش لمسی، پنل های خورشیدی و بسیاری از وسایل دیگر نمی توانند وجود الکترودهای شفاف را ترک کنند.الکترود شفاف سنتی از اکسید قلع ایندیم (ITO) استفاده می کند.به دلیل قیمت بالا و عرضه محدود ایندیوم، مواد شکننده و عدم انعطاف پذیری هستند و الکترود باید در لایه میانی خلاء قرار گیرد و هزینه آن نسبتاً بالا است.برای مدت طولانی، دانشمندان در تلاش برای یافتن جایگزین آن بودند.علاوه بر الزامات شفافیت، رسانایی خوب و آماده سازی آسان، اگر انعطاف پذیری خود مواد خوب باشد، برای ساخت "کاغذ الکترونیکی" یا سایر وسایل نمایشگر تاشو مناسب خواهد بود.بنابراین، انعطاف پذیری نیز یک جنبه بسیار مهم است.گرافن چنین ماده ای است که برای الکترودهای شفاف بسیار مناسب است.

محققان سامسونگ و دانشگاه chengjunguan در کره جنوبی گرافن را با طول مورب 30 اینچ با رسوب بخار شیمیایی به دست آوردند و آن را به یک فیلم پلی اتیلن ترفتالات ضخامت 188 میکرون (PET) انتقال دادند تا صفحه لمسی مبتنی بر گرافن تولید کنند [4].همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، ابتدا گرافن رشد یافته روی فویل مسی با نوار حرارتی (قسمت شفاف آبی رنگ) چسبانده می شود، سپس فویل مسی به روش شیمیایی حل می شود و در نهایت گرافن با حرارت دادن به فیلم PET منتقل می شود. .

تجهیزات القایی فوتوالکتریک جدید
گرافن خواص نوری بسیار منحصر به فردی دارد.اگرچه تنها یک لایه اتم وجود دارد، اما می تواند 2.3 درصد از نور ساطع شده را در کل محدوده طول موج از نور مرئی تا مادون قرمز جذب کند.این عدد هیچ ارتباطی با سایر پارامترهای ماده گرافن ندارد و توسط الکترودینامیک کوانتومی تعیین می شود [6].نور جذب شده منجر به تولید حامل ها (الکترون ها و سوراخ ها) می شود.تولید و انتقال حامل ها در گرافن با نیمه هادی های سنتی بسیار متفاوت است.این باعث می شود که گرافن برای تجهیزات القای فوتوالکتریک فوق سریع بسیار مناسب باشد.تخمین زده می شود که چنین تجهیزات القایی فوتوالکتریک ممکن است در فرکانس 500 گیگاهرتز کار کنند.اگر برای انتقال سیگنال استفاده شود، می تواند 500 میلیارد صفر یا یک در ثانیه ارسال کند و در یک ثانیه انتقال محتویات دو دیسک بلو ری را کامل کند.

کارشناسان مرکز تحقیقات IBM Thomas J. Watson در ایالات متحده از گرافن برای تولید دستگاه‌های القایی فوتوالکتریک استفاده کرده‌اند که می‌توانند در فرکانس ۱۰ گیگاهرتز کار کنند.ابتدا تکه های گرافن بر روی بستر سیلیکونی پوشیده از سیلیس به ضخامت 300 نانومتر به روش پارگی نوار تهیه شد و سپس الکترودهای طلای پالادیوم یا طلای تیتانیوم با فاصله 1 میکرون و عرض 250 نانومتر روی آن ساخته شد.به این ترتیب، یک دستگاه القای فوتوالکتریک مبتنی بر گرافن به دست می آید.

نمودار شماتیک تجهیزات القای فوتوالکتریک گرافن و عکس های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نمونه های واقعی.خط کوتاه سیاه در شکل مربوط به 5 میکرون و فاصله خطوط فلزی یک میکرون است.

از طریق آزمایشات، محققان دریافتند که این دستگاه القایی فوتوالکتریک ساختار فلزی گرافن فلزی می تواند حداکثر به فرکانس کاری 16 گیگاهرتز برسد و می تواند با سرعت بالا در محدوده طول موج 300 نانومتر (نزدیک به اشعه ماوراء بنفش) تا 6 میکرون (مادون قرمز) کار کند. لوله القای فوتوالکتریک سنتی نمی تواند به نور مادون قرمز با طول موج بلندتر پاسخ دهد.فرکانس کاری تجهیزات القای فوتوالکتریک گرافن هنوز هم فضای زیادی برای بهبود دارد.عملکرد برتر آن باعث می‌شود تا طیف گسترده‌ای از چشم‌اندازهای کاربردی از جمله ارتباطات، کنترل از راه دور و نظارت بر محیط را داشته باشد.

به عنوان یک ماده جدید با خواص منحصر به فرد، تحقیقات در مورد کاربرد گرافن یکی پس از دیگری در حال ظهور است.شمارش آنها در اینجا برای ما دشوار است.در آینده، ممکن است لوله‌های اثر میدانی از گرافن، سوئیچ‌های مولکولی ساخته شده از گرافن و آشکارسازهای مولکولی ساخته شده از گرافن در زندگی روزمره وجود داشته باشند... گرافنی که به تدریج از آزمایشگاه خارج می‌شود، در زندگی روزمره می‌درخشد.

می‌توان انتظار داشت که تعداد زیادی از محصولات الکترونیکی با استفاده از گرافن در آینده نزدیک ظاهر شوند.به این فکر کنید که چقدر جالب خواهد بود اگر گوشی‌های هوشمند و نت‌بوک‌های ما را می‌توانیم جمع کنیم، روی گوش‌هایمان ببندیم، در جیب‌هایمان فرو کنیم یا در مواقعی که از آنها استفاده نمی‌کنیم، دور مچمان بپیچند!