Ո՞րն է գրաֆենի օգտագործումը:Երկու կիրառման դեպքեր թույլ են տալիս հասկանալ գրաֆենի կիրառման հեռանկարը

2010 թվականին Գեյմը և Նովոսելովը ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի են արժանացել գրաֆենի վրա իրենց աշխատանքի համար։Այս մրցանակը խորը տպավորություն է թողել շատերի վրա։Ի վերջո, Նոբելյան մրցանակի ամեն փորձնական գործիք չէ, որ այնքան տարածված է, որքան կպչուն ժապավենը, և ոչ բոլոր հետազոտական ​​օբյեկտներն են այնքան կախարդական և հեշտ հասկանալի, որքան «երկչափ բյուրեղյա» գրաֆենը:2004 թվականի աշխատանքը կարող է շնորհվել 2010 թվականին, ինչը հազվադեպ է վերջին տարիների Նոբելյան մրցանակի գրանցման մեջ։

Գրաֆենը մի տեսակ նյութ է, որը բաղկացած է ածխածնի ատոմների մեկ շերտից, որոնք սերտորեն դասավորված են երկչափ մեղրախորիսխ վեցանկյուն վանդակի մեջ:Ինչպես ադամանդը, գրաֆիտը, ֆուլերենը, ածխածնային նանոխողովակները և ամորֆ ածխածինը, այն ածխածնային տարրերից կազմված նյութ է (պարզ նյութ):Ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում, ֆուլերենները և ածխածնային նանոխողովակները կարող են երևալ որպես ինչ-որ կերպ փաթաթված գրաֆենի մեկ շերտից, որը շարված է գրաֆենի բազմաթիվ շերտերով:Գրաֆենի օգտագործման տեսական հետազոտությունը տարբեր ածխածնային պարզ նյութերի (գրաֆիտ, ածխածնային նանոխողովակներ և գրաֆեն) հատկությունները նկարագրելու համար տևել է մոտ 60 տարի, բայց ընդհանուր առմամբ ենթադրվում է, որ նման երկչափ նյութերը դժվար է կայունորեն գոյություն ունենալ միայնակ: կցվում է միայն եռաչափ ենթաշերտի մակերեսին կամ գրաֆիտի նման նյութերի ներսում:Միայն 2004թ.-ին Անդրե Գեյմը և նրա աշակերտ Կոնստանտին Նովոսելովը փորձերի միջոցով գրաֆինից հանեցին գրաֆենի մեկ շերտը, և գրաֆենի հետազոտությունը նոր զարգացում ստացավ:

Ե՛վ ֆուլերենը (ձախից), և՛ ածխածնային նանոխողովակը (միջին) կարելի է համարել որպես գրաֆենի մեկ շերտով փաթաթված, մինչդեռ գրաֆիտը (աջից) շարվում է գրաֆենի մի քանի շերտերով՝ վան դեր Վալսի ուժի միացման միջոցով:

Մեր օրերում գրաֆենը կարելի է ձեռք բերել բազմաթիվ եղանակներով, և տարբեր մեթոդներ ունեն իրենց առավելություններն ու թերությունները։Գեյմը և Նովոսելովը գրաֆեն են ստացել պարզ ճանապարհով։Օգտագործելով սուպերմարկետներում առկա թափանցիկ ժապավենը՝ նրանք բարձր կարգի պիրոլիտիկ գրաֆիտի մի կտորից հանել են գրաֆենը՝ գրաֆիտի թերթիկը, որի հաստությամբ ածխածնի ատոմների միայն մեկ շերտ կա:Սա հարմար է, բայց կառավարելիությունը այնքան էլ լավ չէ, և 100 մկմ (միլիմետրի մեկ տասներորդը) չափով գրաֆեն կարելի է ձեռք բերել միայն, որը կարող է օգտագործվել փորձերի համար, բայց դժվար է օգտագործել գործնականում: հավելվածներ։Քիմիական գոլորշիների նստվածքը կարող է մետաղի մակերեսին տասնյակ սանտիմետր չափերով գրաֆենի նմուշներ աճեցնել:Թեև հետևողական կողմնորոշմամբ տարածքը ընդամենը 100 միկրոն է [3,4], այն հարմար է եղել որոշ ծրագրերի արտադրական կարիքների համար:Մեկ այլ տարածված մեթոդ է սիլիցիումի կարբիդի (SIC) բյուրեղը վակուումում ավելի քան 1100 ℃ տաքացնելը, որպեսզի մակերեսի մոտ գտնվող սիլիցիումի ատոմները գոլորշիանան, իսկ մնացած ածխածնի ատոմները վերադասավորվեն, ինչը կարող է նաև լավ հատկություններով գրաֆենի նմուշներ ստանալ:

Գրաֆենը յուրահատուկ հատկություններով նոր նյութ է. նրա էլեկտրական հաղորդունակությունը նույնքան գերազանց է, որքան պղնձը, և նրա ջերմային հաղորդունակությունը ավելի լավ է, քան ցանկացած հայտնի նյութ:Շատ թափանցիկ է։Ուղղահայաց տեսանելի լույսի միայն մի փոքր մասը (2,3%) կներծծվի գրաֆենի կողմից, և լույսի մեծ մասը կանցնի միջով:Այն այնքան խիտ է, որ նույնիսկ հելիումի ատոմները (գազի ամենափոքր մոլեկուլները) չեն կարողանում միջով անցնել։Այս կախարդական հատկությունները ուղղակիորեն ժառանգված չեն գրաֆիտից, այլ քվանտային մեխանիկայից:Նրա եզակի էլեկտրական և օպտիկական հատկությունները որոշում են, որ այն ունի լայն կիրառման հեռանկարներ:

Թեև գրաֆենը ի հայտ է եկել ընդամենը տասը տարուց պակաս, այն ցույց է տվել բազմաթիվ տեխնիկական կիրառություններ, ինչը շատ հազվադեպ է ֆիզիկայի և նյութագիտության ոլորտներում։Ընդհանուր նյութերը լաբորատորիայից իրական կյանք տեղափոխելու համար պահանջվում է ավելի քան տասը տարի կամ նույնիսկ տասնամյակներ:Ո՞րն է գրաֆենի օգտագործումը:Դիտարկենք երկու օրինակ։

Փափուկ թափանցիկ էլեկտրոդ
Շատ էլեկտրական սարքերում թափանցիկ հաղորդիչ նյութերը պետք է օգտագործվեն որպես էլեկտրոդներ:Էլեկտրոնային ժամացույցները, հաշվիչները, հեռուստացույցները, հեղուկ բյուրեղյա դիսփլեյները, սենսորային էկրանները, արևային մարտկոցները և շատ այլ սարքեր չեն կարող թողնել թափանցիկ էլեկտրոդների գոյությունը։Ավանդական թափանցիկ էլեկտրոդում օգտագործվում է ինդիումի անագ օքսիդ (ITO):Ինդիումի բարձր գնի և սահմանափակ մատակարարման պատճառով նյութը փխրուն է և ճկունության բացակայություն, և էլեկտրոդը պետք է տեղադրվի վակուումի միջին շերտում, և արժեքը համեմատաբար բարձր է:Երկար ժամանակ գիտնականները փորձում էին գտնել դրա փոխարինողին։Բացի թափանցիկության, լավ հաղորդունակության և հեշտ պատրաստման պահանջներից, եթե նյութի ճկունությունն ինքնին լավ է, այն հարմար կլինի «էլեկտրոնային թուղթ» կամ այլ ծալովի ցուցադրման սարքեր պատրաստելու համար:Հետևաբար, ճկունությունը նույնպես շատ կարևոր ասպեկտ է:Գրաֆենը այնպիսի նյութ է, որը շատ հարմար է թափանցիկ էլեկտրոդների համար։

Samsung-ի և Հարավային Կորեայի Չենջունգուանի համալսարանի հետազոտողները քիմիական գոլորշիների նստեցման միջոցով ստացան 30 դյույմ անկյունագծով գրաֆեն և այն տեղափոխեցին 188 մկմ հաստությամբ պոլիէթիլենային տերեֆտալատ (PET) թաղանթ՝ գրաֆենի հիմքով սենսորային էկրան ստեղծելու համար [4]:Ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում, պղնձե փայլաթիթեղի վրա աճեցված գրաֆենը սկզբում կապվում է ջերմային ժապավենի հետ (կապույտ թափանցիկ մաս), այնուհետև պղնձե փայլաթիթեղը լուծվում է քիմիական մեթոդով, և վերջում գրաֆենը տաքացման միջոցով տեղափոխվում է PET թաղանթ: .

Նոր ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորում
Գրաֆենը շատ յուրահատուկ օպտիկական հատկություններ ունի։Չնայած կա ատոմների միայն մեկ շերտ, այն կարող է կլանել արտանետվող լույսի 2,3%-ը ողջ ալիքի երկարության միջակայքում՝ տեսանելի լույսից մինչև ինֆրակարմիր:Այս թիվը կապ չունի գրաֆենի այլ նյութական պարամետրերի հետ և որոշվում է քվանտային էլեկտրադինամիկայով [6]։Կլանված լույսը կհանգեցնի կրիչների (էլեկտրոնների և անցքերի) առաջացմանը:Գրաֆենում կրիչների առաջացումն ու փոխադրումը շատ տարբեր են ավանդական կիսահաղորդիչներում եղածներից:Սա գրաֆենը շատ հարմար է դարձնում գերարագ ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումների համար:Ենթադրվում է, որ նման ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումը կարող է աշխատել 500 ԳՀց հաճախականությամբ:Եթե ​​այն օգտագործվում է ազդանշանի փոխանցման համար, այն կարող է փոխանցել 500 միլիարդ զրո կամ մեկ վայրկյանում, և մեկ վայրկյանում ավարտել երկու Blu-ray սկավառակների բովանդակության փոխանցումը։

ԱՄՆ-ի IBM Thomas J. Watson հետազոտական ​​կենտրոնի փորձագետները գրաֆեն են օգտագործել ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքերի արտադրության համար, որոնք կարող են աշխատել 10 ԳՀց հաճախականությամբ [8]:Սկզբում գրաֆենի փաթիլներ պատրաստվեցին 300 նմ հաստությամբ սիլիցիումով պատված սիլիցիումի վրա «ժապավենի պատռման մեթոդով», այնուհետև դրա վրա պատրաստվեցին պալադիումի ոսկու կամ տիտանի ոսկու էլեկտրոդներ՝ 1 միկրոն ընդմիջումով և 250 նմ լայնությամբ։Այս կերպ ստացվում է գրաֆենի վրա հիմնված ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարք։

Գրաֆենի ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումների սխեմատիկ դիագրամ և իրական նմուշների սկանավորման էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) լուսանկարներ:Նկարի սև կարճ գիծը համապատասխանում է 5 միկրոն, իսկ մետաղական գծերի միջև հեռավորությունը մեկ միկրոն է:

Փորձերի միջոցով հետազոտողները պարզել են, որ այս մետաղական գրաֆենի մետաղական կառուցվածքի ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքը կարող է հասնել առավելագույնը 16 ԳՀց աշխատանքային հաճախականության և կարող է աշխատել բարձր արագությամբ 300 նմ (ուլտրամանուշակագույնի մոտ) մինչև 6 միկրոն (ինֆրակարմիր) ալիքի երկարության միջակայքում։ Ավանդական ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն խողովակը չի կարող արձագանքել ավելի երկար ալիքի երկարությամբ ինֆրակարմիր լույսին:Գրաֆենի ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումների աշխատանքային հաճախականությունը դեռևս բարելավման մեծ տեղ ունի:Նրա գերազանց կատարողականությունը ստիպում է նրան ունենալ կիրառման լայն հնարավորություններ, ներառյալ հաղորդակցությունը, հեռակառավարումը և շրջակա միջավայրի մոնիտորինգը:

Որպես եզակի հատկություններով նոր նյութ՝ գրաֆենի կիրառման հետազոտությունները մեկը մյուսի հետևից ի հայտ են գալիս։Մեզ համար դժվար է այստեղ թվարկել դրանք։Ապագայում կարող են լինել գրաֆենից պատրաստված դաշտային խողովակներ, գրաֆենից պատրաստված մոլեկուլային անջատիչներ և գրաֆենից պատրաստված մոլեկուլային դետեկտորներ… Գրաֆենը, որը աստիճանաբար դուրս է գալիս լաբորատորիայից, կփայլի առօրյա կյանքում:

Կարելի է ակնկալել, որ գրաֆեն օգտագործող մեծ թվով էլեկտրոնային ապրանքներ կհայտնվեն մոտ ապագայում։Մտածեք, թե որքան հետաքրքիր կլիներ, եթե մեր սմարթֆոններն ու նեթբուքերը կարողանային փաթաթել, սեղմել ականջներին, լցնել մեր գրպանները կամ փաթաթել դաստակներին, երբ այն չենք օգտագործվում: