El 2010, Geim i Novoselov van guanyar el Premi Nobel de Física pel seu treball sobre el grafè.Aquest premi ha deixat una profunda impressió en moltes persones.Després de tot, no totes les eines experimentals del Premi Nobel són tan habituals com la cinta adhesiva, i no tots els objectes d'investigació són tan màgics i fàcils d'entendre com el grafè de "cristall bidimensional".El treball de l'any 2004 pot ser premiat l'any 2010, la qual cosa és poc freqüent en el palmarès dels Premis Nobel dels últims anys.
El grafè és un tipus de substància que consisteix en una sola capa d'àtoms de carboni estretament disposats en una xarxa hexagonal de bresca bidimensional.Igual que el diamant, el grafit, el fullerè, els nanotubs de carboni i el carboni amorf, és una substància (substància simple) composta per elements de carboni.Tal com es mostra a la figura següent, els fullerens i els nanotubs de carboni es poden veure enrotllats d'alguna manera a partir d'una sola capa de grafè, que està apilada per moltes capes de grafè.La investigació teòrica sobre l'ús del grafè per descriure les propietats de diverses substàncies simples de carboni (grafit, nanotubs de carboni i grafè) ha durat gairebé 60 anys, però en general es creu que aquests materials bidimensionals són difícils d'existir de manera estable sols. només s'adhereix a la superfície del substrat tridimensional o a l'interior de substàncies com el grafit.No va ser fins al 2004 que Andre Geim i el seu estudiant Konstantin Novoselov van treure una sola capa de grafè del grafit mitjançant experiments que la investigació sobre el grafè va aconseguir un nou desenvolupament.
Tant el fullerè (esquerra) com el nanotub de carboni (el mig) es poden considerar enrotllats per una sola capa de grafè d'alguna manera, mentre que el grafit (dreta) s'apila per múltiples capes de grafè mitjançant la connexió de la força de van der Waals.
Actualment, el grafè es pot obtenir de moltes maneres, i diferents mètodes tenen els seus propis avantatges i inconvenients.Geim i Novoselov van obtenir el grafè d'una manera senzilla.Amb una cinta transparent disponible als supermercats, van treure el grafè, una làmina de grafit amb només una capa d'àtoms de carboni de gruix, d'un tros de grafit pirolític d'alt ordre.Això és convenient, però la controlabilitat no és tan bona, i només es pot obtenir grafè amb una mida inferior a 100 micres (una dècima de mil·límetre), que es pot utilitzar per a experiments, però és difícil d'utilitzar per a la pràctica. aplicacions.La deposició química de vapor pot fer créixer mostres de grafè amb una mida de desenes de centímetres a la superfície metàl·lica.Tot i que l'àrea amb una orientació consistent és només de 100 micres [3,4], ha estat adequada per a les necessitats de producció d'algunes aplicacions.Un altre mètode comú és escalfar el cristall de carbur de silici (SIC) a més de 1100 ℃ al buit, de manera que els àtoms de silici propers a la superfície s'evaporin i es reorganitzin els àtoms de carboni restants, que també poden obtenir mostres de grafè amb bones propietats.
El grafè és un material nou amb propietats úniques: la seva conductivitat elèctrica és tan excel·lent com el coure i la seva conductivitat tèrmica és millor que qualsevol material conegut.És molt transparent.Només una petita part (2,3%) de la llum visible incident vertical serà absorbida pel grafè i la major part de la llum passarà.És tan dens que fins i tot els àtoms d'heli (les molècules de gas més petites) no poden passar.Aquestes propietats màgiques no s'hereten directament del grafit, sinó de la mecànica quàntica.Les seves propietats elèctriques i òptiques úniques determinen que té àmplies perspectives d'aplicació.
Tot i que el grafè només fa menys de deu anys que apareix, ha mostrat moltes aplicacions tècniques, cosa molt rara en els camps de la física i la ciència dels materials.Es necessiten més de deu anys o fins i tot dècades perquè els materials generals passin del laboratori a la vida real.Per a què serveix el grafè?Vegem dos exemples.
Elèctrode transparent suau
En molts aparells elèctrics, s'han d'utilitzar materials conductors transparents com a elèctrodes.Rellotges electrònics, calculadores, televisors, pantalles de cristall líquid, pantalles tàctils, plaques solars i molts altres dispositius no poden deixar l'existència d'elèctrodes transparents.L'elèctrode transparent tradicional utilitza òxid d'estany d'indi (ITO).A causa del preu elevat i el subministrament limitat d'indi, el material és fràgil i manca de flexibilitat, i l'elèctrode s'ha de dipositar a la capa mitjana del buit i el cost és relativament alt.Durant molt de temps, els científics intenten trobar-ne un substitut.A més dels requisits de transparència, bona conductivitat i fàcil preparació, si la flexibilitat del material en si és bona, serà adequat per fer "paper electrònic" o altres dispositius de visualització plegables.Per tant, la flexibilitat també és un aspecte molt important.El grafè és un material molt adequat per a elèctrodes transparents.
Investigadors de Samsung i de la Universitat de Chengjunguan a Corea del Sud van obtenir grafè amb una longitud diagonal de 30 polzades per deposició química de vapor i el van transferir a una pel·lícula de tereftalat de polietilè (PET) de 188 micres de gruix per produir una pantalla tàctil basada en grafè [4].Tal com es mostra a la figura següent, el grafè cultivat a la làmina de coure s'uneix primer amb la cinta tèrmica (part blava transparent), després la làmina de coure es dissol per mètode químic i, finalment, el grafè es transfereix a la pel·lícula de PET escalfant-se. .
Nou equip d'inducció fotoelèctrica
El grafè té propietats òptiques molt úniques.Tot i que només hi ha una capa d'àtoms, pot absorbir el 2,3% de la llum emesa en tot el rang de longituds d'ona des de la llum visible fins als infrarojos.Aquest nombre no té res a veure amb altres paràmetres materials del grafè i està determinat per l'electrodinàmica quàntica [6].La llum absorbida donarà lloc a la generació de portadors (electrons i forats).La generació i el transport de portadors en el grafè són molt diferents dels dels semiconductors tradicionals.Això fa que el grafè sigui molt adequat per a equips d'inducció fotoelèctrica ultraràpida.S'estima que aquest equip d'inducció fotoelèctrica pot funcionar a la freqüència de 500 GHz.Si s'utilitza per a la transmissió de senyals, pot transmetre 500 mil milions de zeros o uns per segon i completar la transmissió del contingut de dos discos Blu-ray en un segon.
Els experts de l'IBM Thomas J. Watson Research Center als Estats Units han utilitzat el grafè per fabricar dispositius d'inducció fotoelèctrica que poden funcionar a una freqüència de 10 GHz [8].En primer lloc, es van preparar flocs de grafè sobre un substrat de silici cobert amb sílice de 300 nm de gruix mitjançant el "mètode de trencament de la cinta", i després es van fer elèctrodes d'or de pal·ladi o d'or de titani amb un interval d'1 micra i una amplada de 250 nm.D'aquesta manera, s'obté un dispositiu d'inducció fotoelèctrica basat en grafè.
Diagrama esquemàtic d'equips d'inducció fotoelèctrica de grafè i fotos de microscopi electrònic d'escaneig (SEM) de mostres reals.La línia curta negra de la figura correspon a 5 micres i la distància entre línies metàl·liques és d'una micra.
Mitjançant experiments, els investigadors van trobar que aquest dispositiu d'inducció fotoelèctrica d'estructura metàl·lica de grafè metàl·lic pot assolir la freqüència de treball de 16 GHz com a màxim i pot funcionar a alta velocitat en el rang de longitud d'ona des de 300 nm (prop de l'ultraviolat) fins a 6 micres (infraroig), mentre que el tub d'inducció fotoelèctric tradicional no pot respondre a la llum infraroja amb una longitud d'ona més llarga.La freqüència de treball dels equips d'inducció fotoelèctrica de grafè encara té un gran marge de millora.El seu rendiment superior fa que tingui una àmplia gamma de perspectives d'aplicació, incloent comunicació, control remot i monitoratge ambiental.
Com a material nou amb propietats úniques, les investigacions sobre l'aplicació del grafè van sorgint una rere l'altra.Ens costa enumerar-los aquí.En el futur, pot haver-hi tubs d'efecte de camp fets de grafè, interruptors moleculars fets de grafè i detectors moleculars fets de grafè a la vida quotidiana... El grafè que surt gradualment del laboratori brillarà a la vida diària.
Podem esperar que un gran nombre de productes electrònics que utilitzen grafè apareguin en un futur proper.Penseu en com d'interessant seria si els nostres telèfons intel·ligents i netbooks poguessin enrotllar-se, subjectar-nos a les orelles, embotir-nos a les butxaques o embolicar-nos als canells quan no les utilitzem!
Hora de publicació: 09-mar-2022