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

در سال 2010 ، Geim و Novoselov به دلیل کار خود در گرافن ، جایزه نوبل فیزیک را به دست آوردند. این جایزه تأثیر عمیقی بر بسیاری از افراد به همراه داشته است. از این گذشته ، هر ابزار تجربی جایزه نوبل به اندازه نوار چسب معمول نیست ، و هر شیء تحقیقاتی به اندازه گرافن "کریستال دو بعدی" جادویی و آسان نیست. این کار در سال 2004 را می توان در سال 2010 اهدا کرد که در سالهای اخیر در سابقه جایزه نوبل نادر است.

گرافن نوعی ماده است که شامل یک لایه واحد از اتم های کربن است که از نزدیک به یک شبکه شش ضلعی لانه زنبوری دو بعدی مرتب شده اند. مانند الماس ، گرافیت ، فولرن ، نانولوله های کربن و کربن آمورف ، این ماده (ماده ساده) است که از عناصر کربن تشکیل شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، Fullerenes و نانولوله های کربن را می توان به نوعی از یک لایه واحد گرافن که توسط بسیاری از لایه های گرافن جمع شده است ، مشاهده کرد. تحقیقات نظری در مورد استفاده از گرافن برای توصیف خواص مواد مختلف کربن (گرافیت ، نانولوله های کربن و گرافن) نزدیک به 60 سال به طول انجامیده است ، اما به طور کلی اعتقاد بر این است که چنین مواد دو بعدی به طور پایدار به تنهایی وجود دارند. فقط به سطح بستر سه بعدی یا مواد داخل مواد مانند گرافیت وصل شده است. تا سال 2004 نگذشته بود که آندره گیم و دانش آموزش کنستانتین نووسلوف از طریق آزمایشاتی که تحقیقات در مورد گرافن به توسعه جدید دست یافتند ، یک لایه واحد از گرافن را از گرافیت سلب کردند.

هر دو فولرن (سمت چپ) و نانولوله کربن (وسط) را می توان به نوعی توسط یک لایه واحد گرافن در نظر گرفت ، در حالی که گرافیت (سمت راست) توسط چندین لایه گرافن از طریق اتصال نیروی ون در والس جمع می شود.

امروزه ، گرافن از بسیاری جهات قابل دستیابی است و روش های مختلف مزایا و معایب خاص خود را دارند. Geim و Novoselov گرافن را به روشی ساده بدست آوردند. آنها با استفاده از نوار شفاف موجود در سوپر مارکت ها ، آنها گرافن ، یک ورق گرافیتی را با تنها یک لایه اتم کربن ضخیم ، از یک تکه گرافیت پیرولیتیک مرتبه بالا ، سلب کردند. این راحت است ، اما کنترل پذیری چندان مناسب نیست و گرافن با اندازه کمتر از 100 میکرون (یک دهم میلی متر) فقط قابل دستیابی است که می تواند برای آزمایش ها استفاده شود ، اما استفاده از آن برای عملی دشوار است برنامه ها رسوب بخار شیمیایی می تواند نمونه های گرافن با اندازه ده ها سانتی متر روی سطح فلز رشد کند. اگرچه منطقه با جهت گیری مداوم فقط 100 میکرون است [3،4] ، اما برای نیازهای تولید برخی از برنامه ها مناسب بوده است. روش متداول دیگر گرم کردن کریستال کاربید سیلیکون (SIC) به بیش از 1100 ℃ در خلاء است ، به طوری که اتم های سیلیکون در نزدیکی سطح تبخیر می شوند و اتم های کربن باقیمانده دوباره تنظیم می شوند که می توانند نمونه های گرافن را با خاصیت خوبی بدست آورند.

گرافن یک ماده جدید با خواص منحصر به فرد است: هدایت الکتریکی آن به اندازه مس بسیار عالی است و هدایت حرارتی آن از هر ماده شناخته شده بهتر است. بسیار شفاف است. فقط یک قسمت کوچک (2.3 ٪) از حادثه عمودی نور قابل مشاهده توسط گرافن جذب می شود و بیشتر نور از آن عبور می کند. آنقدر متراکم است که حتی اتم های هلیوم (کوچکترین مولکول های گاز) نمی توانند از آن عبور کنند. این خصوصیات جادویی به طور مستقیم از گرافیت ، بلکه از مکانیک کوانتومی به ارث نمی رسند. خصوصیات الکتریکی و نوری منحصر به فرد آن تعیین می کند که چشم انداز کاربرد گسترده ای دارد.

اگرچه گرافن فقط کمتر از ده سال ظاهر شده است ، اما بسیاری از کاربردهای فنی را نشان داده است که در زمینه های فیزیک و علوم مواد بسیار نادر است. بیش از ده سال یا حتی چند دهه 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 لوازم الکتریکی ، از مواد رسانا شفاف به عنوان الکترودها استفاده می شود. ساعتهای الکترونیکی ، ماشین حساب ها ، تلویزیون ها ، نمایشگرهای کریستالی مایع ، صفحه های لمسی ، پانل های خورشیدی و بسیاری از دستگاه های دیگر نمی توانند وجود الکترودهای شفاف را ترک کنند. الکترود شفاف سنتی از اکسید قلع ایندیم (ITO) استفاده می کند. با توجه به قیمت بالا و عرضه محدود ایندیوم ، مواد شکننده و عدم انعطاف پذیری است و الکترود باید در لایه میانی خلاء قرار گیرد و هزینه آن نسبتاً زیاد است. مدتهاست که دانشمندان در تلاش هستند تا جایگزین آن را پیدا کنند. علاوه بر الزامات شفافیت ، هدایت خوب و آماده سازی آسان ، اگر انعطاف پذیری خود مواد خوب باشد ، برای تهیه "کاغذ الکترونیکی" یا سایر دستگاه های نمایشگر تاشو مناسب خواهد بود. بنابراین ، انعطاف پذیری نیز جنبه بسیار مهمی است. گرافن چنین ماده ای است که برای الکترودهای شفاف بسیار مناسب است.

محققان دانشگاه سامسونگ و دانشگاه چنگجونگوان در کره جنوبی با طول مورب 30 اینچ توسط رسوب بخار شیمیایی گرافن به دست آوردند و آن را به یک فیلم پلی اتیلن ضخیم 188 ضخیم (PET) منتقل کردند تا یک صفحه لمسی مبتنی بر گرافن تولید کنند [4]. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، گرافن رشد یافته بر روی فویل مس ابتدا با نوار سلب حرارتی (قسمت شفاف آبی) وصل می شود ، سپس فویل مس با روش شیمیایی حل می شود و در نهایت گرافن با گرمایش به فیلم PET منتقل می شود. بشر

تجهیزات جدید القایی فوتوالکتریک
گرافن خصوصیات نوری بسیار منحصر به فردی دارد. اگرچه فقط یک لایه اتم وجود دارد ، اما می تواند 2.3 ٪ از نور ساطع شده را در کل طول موج از نور قابل مشاهده تا مادون قرمز جذب کند. این تعداد هیچ ارتباطی با سایر پارامترهای مواد گرافن ندارد و توسط الکترودینامیک کوانتومی تعیین می شود [6]. نور جذب شده منجر به تولید حامل ها (الکترون و سوراخ) خواهد شد. تولید و حمل و نقل حامل ها در گرافن با موارد نیمه هادی های سنتی بسیار متفاوت است. این امر باعث می شود گرافن برای تجهیزات القایی فوتوالکتریک Ultrafast 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 موارد در ثانیه را منتقل کند و انتقال محتوای دو دیسک پرتوی Blu را در یک ثانیه تکمیل کند.

کارشناسان مرکز تحقیقات IBM Thomas J. Watson در ایالات متحده از گرافن برای تولید دستگاه های القایی فوتوالکتریک استفاده کرده اند که می توانند در فرکانس 10 گیگاهرتز کار کنند [8]. در مرحله اول ، پوسته های گرافن بر روی یک بستر سیلیکون پوشیده از سیلیس ضخامت 300 نانومتر با "روش پاره شدن نوار" تهیه شد ، و سپس الکترودهای طلای طلای پالادیوم یا تیتانیوم با فاصله 1 میکرون و عرض 250 نانومتر روی آن ساخته شد. در این روش ، یک دستگاه القایی فوتوالکتریک مبتنی بر گرافن بدست می آید.

نمودار شماتیک تجهیزات القایی فوتوالکتریک گرافن و میکروسکوپ الکترونی اسکن (SEM) از نمونه های واقعی. خط کوتاه سیاه در شکل با 5 میکرون مطابقت دارد و فاصله بین خطوط فلزی یک میکرون است.

از طریق آزمایشات ، محققان دریافتند که این دستگاه القایی فلزی فلزی فلزی می تواند حداکثر به فرکانس کار 16 گیگاهرتز برسد و می تواند با سرعت بالا در طول موج از 300 نانومتر (در نزدیکی ماوراء بنفش) تا 6 میکرون (مادون قرمز) کار کند ، در حالی که می تواند با سرعت بالا کار کند. لوله القایی سنتی فوتوالکتریک نمی تواند با طول موج طولانی تر به نور مادون قرمز پاسخ دهد. فرکانس کار تجهیزات القایی فوتوالکتریک گرافن هنوز هم فضای خوبی برای بهبود دارد. عملکرد برتر آن باعث می شود طیف گسترده ای از چشم اندازهای کاربردی از جمله ارتباطات ، کنترل از راه دور و نظارت بر محیط زیست داشته باشد.

به عنوان یک ماده جدید با خصوصیات 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 لوله های اثر میدانی ساخته شده از گرافن ، سوئیچ های مولکولی ساخته شده از گرافن و آشکارسازهای مولکولی ساخته شده از گرافن در زندگی روزمره وجود داشته باشد ... گرافن که به تدریج از آزمایشگاه بیرون می آید ، در زندگی روزمره می درخشد.

ما می توانیم انتظار داشته باشیم که تعداد زیادی از محصولات الکترونیکی با استفاده از گرافن در آینده نزدیک ظاهر شوند. به این فکر کنید که اگر تلفن های هوشمند و نت بوک های ما بتوانند به گوش خود برسند ، روی گوش ما چسبانده شوند ، در جیب های ما پر شوند ، یا در صورت عدم استفاده ، دور مچ دستان ما پیچیده شوند!