El 2010, Geim i Novoselov van guanyar el premi Nobel de física pel seu treball en grafè. Aquest premi ha deixat una profunda impressió en molta gent. Al cap i a la fi, no totes les eines experimentals del premi Nobel són tan habituals com la cinta adhesiva, i no tots els objectes de recerca són tan màgics i fàcils d’entendre com el grafè “cristall bidimensional”. El treball del 2004 es pot atorgar el 2010, que és rar en el registre del premi Nobel dels darrers anys.
El grafè és una mena de substància que consisteix en una sola capa d’àtoms de carboni estretament disposats en una gelosia 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. Com es mostra a la figura següent, es pot veure que els nanotubs Fullerenes i el carboni es poden veure enrotllats d'alguna manera des d'una sola capa de grafè, que s'amuntega 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 durant gairebé 60 anys, però generalment es creu que aquests materials bidimensionals són difícils d’existir de manera estable, soles, soles, només unit a la superfície del substrat tridimensional o a les substàncies interiors com el grafit. No va ser fins al 2004 que Andre Geim i el seu estudiant Konstantin Novoselov van despullar una sola capa de grafè del grafit a través d’experiments que la investigació sobre grafè va aconseguir un nou desenvolupament.
Tant el fullerè (esquerre) com el nanotub de carboni (mig) es poden considerar enrotllats per una sola capa de grafè d’alguna manera, mentre que el grafit (a la dreta) s’apila per diverses capes de grafè mitjançant la connexió de la força de van der Waals.
Avui en dia, el grafè es pot obtenir de moltes maneres i diferents mètodes tenen els seus propis avantatges i desavantatges. Geim i Novoselov van obtenir el grafè de manera senzilla. Utilitzant cintes transparents disponibles als supermercats, van despullar el grafè, una fulla de grafit amb una sola capa d’àtoms de carboni de gruix, d’una peça de grafit pirolític d’alt ordre. Això és convenient, però la controlabilitat no és tan bona, i el grafè amb una mida inferior a 100 micres (una desena de mil·límetre) només es pot obtenir, que es pot utilitzar per a experiments, però és difícil utilitzar -lo per a la pràctica aplicacions. La deposició de vapor químic pot créixer mostres de grafè amb la mida de desenes de centímetres a la superfície metàl·lica. Tot i que l’àrea amb orientació constant és de només 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 a prop de la superfície s’evaporen i els àtoms de carboni restants es reordenen, cosa que també pot 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 de l'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 perspectives d’aplicació àmplies.
Tot i que el grafè només ha aparegut des de fa menys de deu anys, ha mostrat moltes aplicacions tècniques, molt rares en els camps de la física i la ciència de materials. Es necessita més de deu anys o fins i tot dècades perquè els materials generals passin de laboratori a la vida real. Per a què serveix el grafè? Vegem dos exemples.
Elèctrode transparent suau
En molts aparells elèctrics, cal utilitzar materials conductors transparents com a elèctrodes. Rellotges electrònics, calculadores, televisors, pantalles de cristall líquid, pantalles tàctils, panells solars i molts altres dispositius no poden deixar l'existència d'elèctrodes transparents. L’elèctrode transparent tradicional utilitza òxid d’estany indi (ITO). A causa de l’elevat preu i l’oferta limitada d’Indium, el material és trencadís i la manca de flexibilitat i l’elèctrode s’ha de dipositar a la capa mitjana del buit i el cost és relativament elevat. Durant molt de temps, els científics han intentat trobar el seu substitut. A més dels requisits de transparència, bona conductivitat i preparació fàcil, si la flexibilitat del material en si és bona, serà adequada 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 la Universitat de Samsung i Chengjunguan de Corea del Sud van obtenir un grafè amb una longitud en diagonal de 30 polzades mitjançant deposició de vapor químic i la van transferir a una pel·lícula de polietilè tereftalat (PET) de 188 micres per produir una pantalla tàctil basada en grafene [4]. Com es mostra a la figura següent, el grafè cultivat a la làmina de coure s’uneix primer amb la cinta tèrmica de stripping (part transparent blava), després la làmina de coure es dissol .
Nous equips d'inducció fotoelèctrics
El grafè té propietats òptiques molt singulars. Tot i que només hi ha una capa d’àtoms, pot absorbir el 2,3% de la llum emesa en tota la longitud d’ona oscil·lant des de la llum visible fins a la infraroja. Aquest nombre no té res a veure amb altres paràmetres de material del grafè i està determinat per electrodinàmica quàntica [6]. La llum absorbida comportarà la generació de transportistes (electrons i forats). La generació i el transport de transportistes en grafè són molt diferents de les de semiconductors tradicionals. Això fa que el grafè sigui molt adequat per a equips d’inducció fotoelèctrica ultrafastos. Es calcula que aquests equips d’inducció fotoelèctrics poden funcionar a la freqüència de 500 GHz. Si s’utilitza per a la transmissió de senyal, pot transmetre 500 mil milions de zeros o per segon i completar la transmissió del contingut de dos discos Blu Ray en un segon.
Els experts de l’IBM Thomas J. Watson Centre de Recerca dels Estats Units han utilitzat grafè per fabricar dispositius d’inducció fotoelèctrica que poden funcionar amb freqüència de 10 GHz [8]. En primer lloc, es van preparar flocs de grafè en un substrat de silici cobert amb sílice de 300 nm de gruix mitjançant el "mètode de llàgrima de cinta", i després es van fer els elèctrodes d'or de Palladium o de titani amb un interval d'1 micron 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 grafene i microscopi electrònic d’escaneig (SEM) de mostres reals. La línia curta negra de la figura correspon a 5 micres, i la distància entre les línies metàl·liques és un micron.
A través d’experiments, els investigadors van trobar que aquest dispositiu d’inducció fotoelèctrica de l’estructura de metall metàl·lic pot arribar a la freqüència de treball de 16 GHz com a màxim, i que poden funcionar a gran velocitat en la longitud d’ona oscil·len entre 300 nm (a prop d’ultraviolada) a 6 micres (infrarojos), mentre que El tradicional tub d'inducció fotoelèctrica 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 espai per millorar. El seu rendiment superior fa que tingui una àmplia gamma de perspectives d'aplicació, incloses la comunicació, el control remot i el control ambiental.
Com a material nou amb propietats úniques, la investigació sobre l'aplicació del grafè està sorgint una després de l'altra. Ens costa enumerar -los aquí. En el futur, pot haver -hi tubs d’efecte de camp fets de grafè, els interruptors moleculars fets de grafè i detectors moleculars fets de grafè a la vida diària ... el grafè que surt gradualment del laboratori brillarà en la vida diària.
Podem esperar que un gran nombre de productes electrònics que utilitzin grafè apareguin en un futur proper. Penseu en quina interessant seria si els nostres telèfons intel·ligents i netbooks es poguessin enrotllar, fixar -nos a les orelles, farcir -nos a les butxaques o embolicar -nos pels canells quan no s’utilitzin.
Post Horari: el 09 de març del 2022