En 2010, Geim y Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por su trabajo en Grafeno. Este premio ha dejado una profunda impresión en muchas personas. Después de todo, no todas las herramientas experimentales del Premio Nobel son tan comunes como la cinta adhesiva, y no todos los objetos de investigación son tan mágicos y fáciles de entender como el grafeno de "cristal bidimensional". El trabajo en 2004 se puede otorgar en 2010, lo cual es raro en el registro del Premio Nobel en los últimos años.
El grafeno es un tipo de sustancia que consiste en una sola capa de átomos de carbono estrechamente dispuestos en una red hexagonal de panal bidimensional. Al igual que el diamante, el grafito, el fullereno, los nanotubos de carbono y el carbono amorfo, es una sustancia (sustancia simple) compuesta de elementos de carbono. Como se muestra en la figura a continuación, los fullerenos y los nanotubos de carbono pueden verse como enrollados de alguna manera desde una sola capa de grafeno, que está apilada por muchas capas de grafeno. La investigación teórica sobre el uso de grafeno para describir las propiedades de varias sustancias simples de carbono (grafito, nanotubos de carbono y grafeno) ha durado casi 60 años, pero en general se cree que tales materiales bidimensionales son difíciles de existir solo, de manera estable, solo, Solo unido a la superficie del sustrato tridimensional o las sustancias internas como el grafito. No fue sino hasta 2004 que Andre Geim y su estudiante Konstantin Novoselov despojaron una sola capa de grafeno del grafito a través de experimentos que la investigación sobre grafeno logró un nuevo desarrollo.
Tanto el fullereno (izquierda) como el nanotubo de carbono (medio) pueden considerarse como enrollados por una sola capa de grafeno de alguna manera, mientras que el grafito (derecho) está apilado por múltiples capas de grafeno a través de la conexión de la fuerza de van der Waals.
Hoy en día, el grafeno se puede obtener de muchas maneras, y diferentes métodos tienen sus propias ventajas y desventajas. Geim y Novoselov obtuvieron grafeno de una manera simple. Utilizando cinta transparente disponible en supermercados, despojaron un grafeno, una hoja de grafito con solo una capa de átomos de carbono de espesor, de una pieza de grafito pirolítico de alto orden. Esto es conveniente, pero la capacidad de control no es tan buena, y el grafeno con un tamaño de menos de 100 micras (una décima parte de un milímetro) solo se puede obtener, lo que puede usarse para experimentos, pero es difícil ser utilizado para ser práctico aplicaciones. La deposición de vapor químico puede cultivar muestras de grafeno con el tamaño de decenas de centímetros en la superficie del metal. Aunque el área con orientación consistente es de solo 100 micras [3,4], ha sido adecuado para las necesidades de producción de algunas aplicaciones. Otro método común es calentar el cristal de carburo de silicio (SiC) a más de 1100 ℃ en vacío, de modo que los átomos de silicio cerca de la superficie se evaporan, y los átomos de carbono restantes se reorganizan, lo que también puede obtener muestras de grafeno con buenas propiedades.
El grafeno es un material nuevo con propiedades únicas: su conductividad eléctrica es tan excelente como el cobre, y su conductividad térmica es mejor que cualquier material conocido. Es muy transparente. Solo una pequeña parte (2.3%) de la luz visible del incidente vertical será absorbida por el grafeno, y la mayor parte de la luz pasará. Es tan denso que incluso los átomos de helio (las moléculas de gas más pequeñas) no pueden pasar. Estas propiedades mágicas no se heredan directamente del grafito, sino de la mecánica cuántica. Sus propiedades eléctricas y ópticas únicas determinan que tiene amplias perspectivas de aplicación.
Aunque el grafeno solo ha aparecido durante menos de diez años, ha mostrado muchas aplicaciones técnicas, que son muy raras en los campos de la física y la ciencia de los materiales. Se necesitan más de diez años o incluso décadas para que los materiales generales se muden del laboratorio a la vida real. ¿De qué sirve el grafeno? Veamos dos ejemplos.
Electrodo transparente suave
En muchos electrodomésticos, los materiales conductores transparentes deben usarse como electrodos. Relojes electrónicos, calculadoras, televisores, pantallas de cristal líquido, pantallas táctiles, paneles solares y muchos otros dispositivos no pueden dejar la existencia de electrodos transparentes. El electrodo transparente tradicional utiliza óxido de estaño de indio (ITO). Debido al alto precio y un suministro limitado de indio, el material es frágil y la falta de flexibilidad, y el electrodo debe depositarse en la capa media de vacío, y el costo es relativamente alto. Durante mucho tiempo, los científicos han estado tratando de encontrar su sustituto. Además de los requisitos de transparencia, buena conductividad y preparación fácil, si la flexibilidad del material en sí es buena, será adecuada para hacer "papel electrónico" u otros dispositivos de pantalla plegables. Por lo tanto, la flexibilidad también es un aspecto muy importante. El grafeno es un material así, que es muy adecuado para electrodos transparentes.
Los investigadores de la Universidad Samsung y Chengjunguan en Corea del Sur obtuvieron grafeno con una longitud diagonal de 30 pulgadas por deposición química de vapor y lo transferieron a una película de tereftalato de polietileno (PET) de 188 micras de espesor para producir una pantalla táctil basada en grafeno [4]. Como se muestra en la figura a continuación, el grafeno cultivado en la lámina de cobre primero se une con la cinta de desnudos térmicos (parte transparente azul), luego la lámina de cobre se disuelve por método químico y finalmente el grafeno se transfiere a la película de PET calentando .
Nuevo equipo de inducción fotoeléctrica
El grafeno tiene propiedades ópticas muy únicas. Aunque solo hay una capa de átomos, puede absorber el 2.3% de la luz emitida en toda la longitud de onda, desde la luz visible hasta el infrarrojo. Este número no tiene nada que ver con otros parámetros de material del grafeno y está determinado por la electrodinámica cuántica [6]. La luz absorbida conducirá a la generación de portadores (electrones y agujeros). La generación y el transporte de portadores en grafeno son muy diferentes de los de los semiconductores tradicionales. Esto hace que el grafeno sea muy adecuado para equipos de inducción fotoeléctrica ultrarrápida. Se estima que dicho equipo de inducción fotoeléctrica puede funcionar a la frecuencia de 500 GHz. Si se usa para la transmisión de señal, puede transmitir 500 mil millones de ceros o un por segundo, y completar la transmisión del contenido de dos discos de rayos Blu en un segundo.
Los expertos del Centro de Investigación de IBM Thomas J. Watson en los Estados Unidos han utilizado grafeno para fabricar dispositivos de inducción fotoeléctrica que pueden funcionar a la frecuencia de 10 GHz [8]. En primer lugar, los copos de grafeno se prepararon en un sustrato de silicio cubierto con sílice de 300 nm de espesor mediante el "método de desgarro de cinta", y luego se hicieron electrodos de oro de paladio o de oro de titanio con un intervalo de 1 micras y un ancho de 250 nm. De esta manera, se obtiene un dispositivo de inducción fotoeléctrica basado en grafeno.
Diagrama esquemático del equipo de inducción fotoeléctrica de grafeno y fotos de microscopio electrónico de barrido (SEM) de muestras reales. La línea corta negra en la figura corresponde a 5 micras, y la distancia entre las líneas metálicas es de un micrón.
A través de experimentos, los investigadores encontraron que este dispositivo de inducción fotoeléctrica de estructura metálica de grafeno metálico puede alcanzar la frecuencia de trabajo de 16 GHz como máximo, y puede funcionar a alta velocidad en el rango de longitud de onda de 300 nm (cerca de ultravioleta) a 6 micras (infrarrojos), mientras que El tubo de inducción fotoeléctrico tradicional no puede responder a la luz infrarroja con una longitud de onda más larga. La frecuencia de trabajo de los equipos de inducción fotoeléctrica de grafeno todavía tiene un gran margen de mejora. Su rendimiento superior lo hace tener una amplia gama de perspectivas de aplicaciones, incluida la comunicación, el control remoto y el monitoreo ambiental.
Como material nuevo con propiedades únicas, la investigación sobre la aplicación de grafeno está emergiendo uno tras otro. Es difícil para nosotros enumerarlos aquí. En el futuro, puede haber tubos de efecto de campo hechos de grafeno, los interruptores moleculares hechos de grafeno y detectores moleculares hechos de grafeno en la vida diaria ... El grafeno que sale gradualmente del laboratorio brillará en la vida diaria.
Podemos esperar que una gran cantidad de productos electrónicos con grafeno aparezca en el futuro cercano. ¡Piense en lo interesante que sería si nuestros teléfonos inteligentes y netbooks pudieran enrollarse, sujetarnos en nuestros oídos, estar rellenos en nuestros bolsillos o envueltos alrededor de nuestras muñecas cuando no estén en uso!
Tiempo de publicación: mar-09-2022