2010 жылы Гейм мен Новоселов графен бойынша жұмысы үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды.Бұл марапат көпшілікке үлкен әсер қалдырды.Ақыр соңында, Нобель сыйлығының әрбір эксперименттік құралы жабысқақ таспа сияқты кең таралған емес және әрбір зерттеу нысаны «екі өлшемді кристалды» графен сияқты сиқырлы және түсінуге оңай емес.2004 жылғы жұмыс 2010 жылы берілуі мүмкін, бұл соңғы жылдардағы Нобель сыйлығының рекордында сирек кездеседі.
Графен - екі өлшемді ұяшықты алтыбұрышты торға тығыз орналасқан көміртегі атомдарының бір қабатынан тұратын заттың бір түрі.Алмаз, графит, фуллерен, көміртекті нанотүтікшелер және аморфты көміртек сияқты ол көміртекті элементтерден тұратын зат (қарапайым зат) болып табылады.Төмендегі суретте көрсетілгендей, фуллерендер мен көміртекті нанотүтіктерді графеннің көптеген қабаттары орналасқан графеннің бір қабатынан қандай да бір түрде оралған түрінде көруге болады.Әртүрлі көміртекті қарапайым заттардың (графит, көміртекті нанотүтіктер және графен) қасиеттерін сипаттау үшін графенді қолдану бойынша теориялық зерттеулер шамамен 60 жылға созылды, бірақ әдетте мұндай екі өлшемді материалдардың жалғыз тұрақты болуы қиын деп саналады. тек үш өлшемді субстрат бетіне немесе графит сияқты ішкі заттарға бекітілген.Андре Гейм мен оның шәкірті Константин Новоселов 2004 жылы ғана эксперименттер арқылы графиттен графеннің бір қабатын алып тастаған кезде ғана графенді зерттеу жаңа дамуға қол жеткізді.
Фуллеренді (сол жақта) да, көміртекті нанотүтікшені де (ортаңғыда) қандай да бір жолмен графеннің бір қабаты орама деп санауға болады, ал графит (оң жақта) ван-дер-Ваальс күші арқылы графеннің бірнеше қабаттарымен жиналады.
Қазіргі уақытта графенді көптеген жолдармен алуға болады және әртүрлі әдістердің өзіндік артықшылықтары мен кемшіліктері бар.Гейм мен Новоселов графенді қарапайым жолмен алды.Супермаркеттерде бар мөлдір таспаны пайдаланып, олар жоғары ретті пиролитикалық графиттің бір бөлігінен қалыңдығы бір ғана көміртегі атомдары бар графит парағын, графенді алып тастады.Бұл ыңғайлы, бірақ бақыланатындығы соншалықты жақсы емес, өлшемі 100 микроннан (миллиметрдің оннан бір бөлігі) аз болатын графенді эксперименттер үшін ғана алуға болады, бірақ оны практикалық мақсатта пайдалану қиын. қолданбалар.Химиялық будың тұндыру металл бетінде ондаған сантиметр болатын графен үлгілерін өсіре алады.Тұрақты бағдары бар аумақ тек 100 микрон [3,4] болса да, ол кейбір қолданбалардың өндірістік қажеттіліктеріне қолайлы болды.Тағы бір кең таралған әдіс - кремний карбиді (SIC) кристалын вакуумда 1100 ℃-ден жоғары температураға дейін қыздыру, осылайша бетке жақын кремний атомдары буланып, қалған көміртек атомдары қайта реттеледі, бұл жақсы қасиеттері бар графен үлгілерін де алуға болады.
Графен - бірегей қасиеттері бар жаңа материал: оның электр өткізгіштігі мыс сияқты тамаша, ал жылу өткізгіштігі кез келген белгілі материалдан жақсы.Бұл өте мөлдір.Тік түскен көрінетін жарықтың аз ғана бөлігі (2,3%) графенмен жұтылады, ал жарықтың көп бөлігі арқылы өтеді.Оның тығыздығы сонша, тіпті гелий атомдары да (ең кішкентай газ молекулалары) өте алмайды.Бұл сиқырлы қасиеттер графиттен тікелей емес, кванттық механикадан алынған.Оның бірегей электрлік және оптикалық қасиеттері оның кең қолдану перспективалары бар екенін анықтайды.
Графен пайда болғанына он жылдан аз болса да, ол физика мен материалтану салаларында өте сирек кездесетін көптеген техникалық қолданбаларды көрсетті.Жалпы материалдардың зертханадан нақты өмірге өтуі үшін он жылдан астам, тіпті ондаған жылдар қажет.Графеннің пайдасы қандай?Екі мысалды қарастырайық.
Жұмсақ мөлдір электрод
Көптеген электр құрылғыларында электродтар ретінде мөлдір өткізгіш материалдарды пайдалану қажет.Электрондық сағаттар, калькуляторлар, теледидарлар, сұйық кристалды дисплейлер, сенсорлық экрандар, күн батареялары және басқа да көптеген құрылғылар мөлдір электродтардың болуын қалдыра алмайды.Дәстүрлі мөлдір электрод индий қалайы оксидін (ITO) пайдаланады.Индийдің жоғары бағасы мен шектеулі жеткізіліміне байланысты материал сынғыш және икемділіктің болмауына байланысты электродты вакуумның ортаңғы қабатына қою керек, ал құны салыстырмалы түрде жоғары.Ұзақ уақыт бойы ғалымдар оның алмастырушысын табуға тырысты.Мөлдірлік, жақсы өткізгіштік және оңай дайындалу талаптарына қосымша, егер материалдың икемділігі жақсы болса, ол «электрондық қағазды» немесе басқа жиналмалы дисплей құрылғыларын жасауға жарамды болады.Сондықтан икемділік те өте маңызды аспект болып табылады.Графен мөлдір электродтар үшін өте қолайлы осындай материал болып табылады.
Samsung және Оңтүстік Кореяның Ченгжуан университетінің зерттеушілері химиялық буларды тұндыру арқылы диагональ ұзындығы 30 дюйм болатын графенді алды және графен негізіндегі сенсорлық экран шығару үшін оны қалыңдығы 188 микрон полиэтилентерефталат (PET) пленкасына ауыстырды [4].Төмендегі суретте көрсетілгендей, мыс фольгада өсірілген графен алдымен термиялық аршу таспасымен (көк мөлдір бөлік) байланыстырылады, содан кейін мыс фольга химиялық әдіспен ерітіледі, ең соңында графен қыздыру арқылы ПЭТ пленкасына беріледі. .
Жаңа фотоэлектрлік индукциялық жабдық
Графен өте ерекше оптикалық қасиеттерге ие.Атомдардың бір ғана қабаты болса да, ол көрінетін жарықтан инфрақызылға дейінгі толқын ұзындығының барлық диапазонында шығарылатын жарықтың 2,3% сіңіре алады.Бұл санның графеннің басқа материалдық параметрлеріне еш қатысы жоқ және кванттық электродинамика арқылы анықталады [6].Жұтылған жарық тасымалдаушылардың (электрондар мен тесіктердің) генерациясына әкеледі.Графендегі тасымалдаушылардың генерациясы және тасымалдануы дәстүрлі жартылай өткізгіштердегіден айтарлықтай ерекшеленеді.Бұл графенді өте жылдам фотоэлектрлік индукциялық жабдық үшін қолайлы етеді.Мұндай фотоэлектрлік индукциялық жабдық 500 ГГц жиілікте жұмыс істей алады деп есептеледі.Егер ол сигнал беру үшін пайдаланылса, ол секундына 500 миллиард нөлді немесе бірді жібере алады және екі Blu ray дискісінің мазмұнын бір секундта жіберуді аяқтай алады.
Америка Құрама Штаттарындағы IBM Thomas J. Watson зерттеу орталығының сарапшылары графенді 10 ГГц жиілікте жұмыс істей алатын фотоэлектрлік индукциялық құрылғыларды өндіру үшін пайдаланды [8].Алдымен қалыңдығы 300 нм кремний диоксидімен жабылған кремний субстратында графен үлпектері «таспа жырту әдісімен» дайындалды, содан кейін 1 мкм және ені 250 нм аралықпен палладий алтыны немесе титан алтын электродтары жасалды.Осылайша графен негізіндегі фотоэлектрлік индукциялық құрылғы алынады.
Графендік фотоэлектрлік индукциялық жабдықтың схемалық диаграммасы және нақты үлгілердің сканерлеуші электрондық микроскоп (SEM) фотосуреттері.Суреттегі қара қысқа сызық 5 микронға сәйкес келеді, ал металл сызықтар арасындағы қашықтық бір микронды құрайды.
Тәжірибелер арқылы зерттеушілер бұл металл графен металл құрылымының фотоэлектрлік индукциялық құрылғысы ең көбі 16 Гц жұмыс жиілігіне жете алатынын және 300 нм (ультра күлгінге жақын) мен 6 микрон (инфрақызыл) толқын ұзындығы диапазонында жоғары жылдамдықта жұмыс істей алатынын анықтады. дәстүрлі фотоэлектрлік индукциялық түтік ұзағырақ толқын ұзындығы бар инфрақызыл сәулелерге жауап бере алмайды.Графендік фотоэлектрлік индукциялық жабдықтың жұмыс жиілігі әлі де жақсартуға үлкен мүмкіндіктерге ие.Оның жоғары өнімділігі байланыс, қашықтан басқару және қоршаған ортаны бақылауды қоса алғанда, қолданудың кең ауқымына ие етеді.
Бірегей қасиеттері бар жаңа материал ретінде графенді қолдану бойынша зерттеулер бірінен соң бірі пайда болуда.Бұл жерде оларды санамалап шығу бізге қиын.Болашақта күнделікті өмірде графеннен жасалған дала эффектісі бар түтіктер, графеннен жасалған молекулалық қосқыштар және графеннен жасалған молекулалық детекторлар болуы мүмкін... Зертханадан бірте-бірте шыққан графен күнделікті өмірде жарқырайды.
Жақын арада графенді пайдаланатын көптеген электронды өнімдер пайда болады деп күтуге болады.Смартфондарымыз бен нетбуктарымызды орап, құлағымызға қысып, қалтамызға тығып немесе пайдаланбаған кезде білегімізге орап алса, қандай қызық болар еді, ойланыңыз!
Жіберу уақыты: 09 наурыз 2022 ж