რა არის გრაფენის გამოყენება? ორი სააპლიკაციო შემთხვევა გაეცანით გრაფენის განაცხადის პერსპექტივას

2010 წელს, გეიმმა და ნოვოსელოვმა მოიპოვეს ნობელის პრემია ფიზიკაში გრაფენზე მუშაობისთვის. ამ ჯილდოს ღრმა შთაბეჭდილება დატოვა ბევრ ადამიანზე. ყოველივე ამის შემდეგ, ნობელის პრემიის ყველა ექსპერიმენტული ინსტრუმენტი არ არის ისეთივე გავრცელებული, როგორც წებოვანი ფირზე და ყველა კვლევის ობიექტი არ არის ისეთი ჯადოსნური და ადვილად გასაგები, როგორც "ორგანზომილებიანი კრისტალი" გრაფენი. ნამუშევარი 2004 წელს შეიძლება დაჯილდოვდეს 2010 წელს, რაც იშვიათია ბოლო წლების განმავლობაში ნობელის პრემიაზე.

გრაფენი არის ერთგვარი ნივთიერება, რომელიც შედგება ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან, რომელიც მჭიდროდ არის მოწყობილი ორგანზომილებიანი თაფლობის ექვსკუთხა ცხრილში. ალმასის, გრაფიტის, ფულრენის, ნახშირბადის ნანოტუბების და ამორფული ნახშირბადის მსგავსად, ეს არის ნახშირბადის ელემენტებისგან შემდგარი ნივთიერება (მარტივი ნივთიერება). როგორც ქვემოთ მოცემულ ფიგურაშია ნაჩვენები, ფულერენსი და ნახშირბადის ნანოტუბები შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც შემოტრიალებული გრაფენის ერთი ფენიდან, რომელიც დაფარულია გრაფენის მრავალი ფენით. თეორიული გამოკვლევა გრაფენის გამოყენების შესახებ სხვადასხვა ნახშირბადის მარტივი ნივთიერებების თვისებების აღწერისთვის (გრაფიტი, ნახშირბადის ნანოტუბები და გრაფენი) გაგრძელდა თითქმის 60 წლის განმავლობაში, მაგრამ ზოგადად ითვლება, რომ ასეთი ორგანზომილებიანი მასალები რთულია, რომ სტაბილურად არსებობდეს მარტო, მხოლოდ სამგანზომილებიანი სუბსტრატის ზედაპირზე ან გრაფიტის მსგავსი ნივთიერებების შიგნით. 2004 წლამდე არ მოხდა, რომ ანდრე გეიმმა და მისმა სტუდენტმა კონსტანტინ ნოვოსელოვმა გრაფენისგან ერთი ფენა გრაფიტისგან ჩამოართვეს ექსპერიმენტების საშუალებით, რომ გრაფენზე ჩატარებულმა კვლევამ მიაღწია ახალ განვითარებას.

როგორც ფულერენი (მარცხნივ) და ნახშირბადის ნანოტუბა (შუა) შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც გრაფენის ერთი ფენით შემოტრიალებული, ხოლო გრაფიტი (მარჯვნივ) გრაფენის მრავალი ფენის საშუალებით ხდება ვან დერ ვალის ძალის კავშირის გზით.

დღესდღეობით, გრაფენის მიღება შესაძლებელია მრავალი გზით, ხოლო სხვადასხვა მეთოდებს აქვთ საკუთარი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. გეიმმა და ნოვოსელოვმა გრაფენი მარტივი გზით მიიღეს. სუპერმარკეტებში ხელმისაწვდომი გამჭვირვალე ფირის გამოყენებით, მათ ჩამოართვეს გრაფენი, გრაფიტის ფურცელი, რომელზეც ნახშირბადის ატომების მხოლოდ ერთი ფენაა სქელი, მაღალი დონის პიროლიზური გრაფიტის ნაჭრიდან. ეს მოსახერხებელია, მაგრამ კონტროლურობა არც ისე კარგია, ხოლო გრაფენი, რომელსაც აქვს 100 მიკრონი ნაკლები ზომით (მილიმეტრის ერთი მეათედი) შეიძლება მიიღოთ მხოლოდ, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია ექსპერიმენტებისთვის, მაგრამ მისი გამოყენება რთულია პრაქტიკული გამოყენებისთვის პროგრამები. ქიმიური ორთქლის დეპონირება შეიძლება გაიზარდოს გრაფენის ნიმუშები ლითონის ზედაპირზე ათობით სანტიმეტრის ზომით. მიუხედავად იმისა, რომ თანმიმდევრული ორიენტაციის მქონე ტერიტორია მხოლოდ 100 მიკრონია [3,4], იგი შესაფერისი იყო ზოგიერთი პროგრამის წარმოების საჭიროებებისთვის. კიდევ ერთი გავრცელებული მეთოდია სილიკონის კარბიდის (SIC) ბროლის გაცხელება ვაკუუმში 1100 ℃ -ზე მეტს, ისე რომ ზედაპირთან ახლოს სილიკონის ატომები აორთქლდება, ხოლო დარჩენილი ნახშირბადის ატომები გადაკეთებულია, რომელსაც ასევე შეუძლია მიიღოს გრაფენის ნიმუშები კარგი თვისებებით.

გრაფენი არის ახალი მასალა, რომელსაც აქვს უნიკალური თვისებები: მისი ელექტრული გამტარობა ისეთივე შესანიშნავია, როგორც სპილენძი, ხოლო მისი თერმული კონდუქტომეტრული უკეთესია, ვიდრე ნებისმიერი ცნობილი მასალა. ეს ძალიან გამჭვირვალეა. ვერტიკალური ინციდენტის ხილული შუქის მხოლოდ მცირე ნაწილი (2.3%) შეიწოვება გრაფენით, ხოლო შუქის უმეტესი ნაწილი გაივლის. ეს ისეთი მკვრივია, რომ ჰელიუმის ატომებიც კი (ყველაზე პატარა გაზის მოლეკულები) ვერ გადის. ეს ჯადოსნური თვისებები პირდაპირ არ არის მემკვიდრეობით გრაფიტისგან, არამედ კვანტური მექანიკისგან. მისი უნიკალური ელექტრული და ოპტიკური თვისებები განსაზღვრავს, რომ მას აქვს ფართო განაცხადის პერსპექტივები.

მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენი მხოლოდ ათ წელზე ნაკლები ხნის განმავლობაში გამოჩნდა, მან აჩვენა მრავალი ტექნიკური პროგრამა, რაც ძალიან იშვიათია ფიზიკისა და მატერიალური მეცნიერების სფეროებში. ათზე მეტი ან თუნდაც ათწლეულების განმავლობაში სჭირდება ზოგადი მასალების ლაბორატორიიდან რეალურ ცხოვრებაში გადასვლას. რა არის გრაფენის გამოყენება? მოდით გადავხედოთ ორ მაგალითს.

რბილი გამჭვირვალე ელექტროდი
მრავალ ელექტრო ტექნიკაში, გამჭვირვალე გამტარ მასალები უნდა იქნას გამოყენებული, როგორც ელექტროდები. ელექტრონული საათები, კალკულატორები, ტელევიზორები, თხევადი ბროლის ეკრანები, სენსორული ეკრანები, მზის პანელები და მრავალი სხვა მოწყობილობა ვერ დატოვებენ გამჭვირვალე ელექტროდების არსებობას. ტრადიციული გამჭვირვალე ელექტროდი იყენებს ინდიუმის კალის ოქსიდს (ITO). ინდიუმის მაღალი ფასისა და შეზღუდული მიწოდების გამო, მასალა არის მყიფე და მოქნილობის ნაკლებობა, ხოლო ელექტროდი უნდა შეიტანოს ვაკუუმის შუა ფენაში, ხოლო ღირებულება შედარებით მაღალია. დიდი ხნის განმავლობაში, მეცნიერები ცდილობენ იპოვონ მისი შემცვლელი. გამჭვირვალეობის, კარგი გამტარობის და მარტივი მომზადების მოთხოვნების გარდა, თუ თავად მასალის მოქნილობა კარგია, ის შესაფერისი იქნება "ელექტრონული ქაღალდის" ან სხვა დასაკეცი დისპლეის მოწყობილობებისთვის. ამიტომ, მოქნილობა ასევე ძალიან მნიშვნელოვანი ასპექტია. გრაფენი არის ისეთი მასალა, რომელიც ძალიან შესაფერისია გამჭვირვალე ელექტროდებისთვის.

სამხრეთ კორეის სამსუნგისა და ჩენგუნგუანის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა მიიღეს გრაფენი, რომლის დიაგონალი 30 ინჩით ქიმიური ორთქლის დეპონირებით და გადაიტანეს იგი 188 მიკრონის სქელი პოლიეთილენის ტერეფტალატის (PET) ფილმში, რათა წარმოქმნან გრაფენის დაფუძნებული სენსორული ეკრანი [4]. როგორც ქვემოთ მოცემულ ფიგურაშია ნაჩვენები, სპილენძის კილიტაზე მოზრდილი გრაფენი პირველად არის მიბმული თერმული ზოლების ფირზე (ლურჯი გამჭვირვალე ნაწილი), შემდეგ სპილენძის კილიტა იხსნება ქიმიური მეთოდით, და ბოლოს გრაფენი გადაეცემა Pet ფილმს გათბობით .

ახალი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა
გრაფენს აქვს ძალიან უნიკალური ოპტიკური თვისებები. მიუხედავად იმისა, რომ ატომების მხოლოდ ერთი ფენაა, მას შეუძლია შთანთქოს ემსტრემული შუქის 2.3% მთლიანი ტალღის სიგრძეზე, ხილული შუქიდან ინფრაწითელამდე. ამ რიცხვს საერთო არაფერი აქვს გრაფენის სხვა მატერიალურ პარამეტრებთან და განისაზღვრება კვანტური ელექტროდინამიკით [6]. შთამნთქმელი შუქი გამოიწვევს გადამზიდავების (ელექტრონებისა და ხვრელების) წარმოქმნას. გრაფენში გადამზიდავების წარმოქმნა და ტრანსპორტირება ძალიან განსხვავდება ტრადიციული ნახევარგამტარებისგან. ეს გახდის გრაფენს ძალიან შესაფერისი ულტრაბგერითი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობებისთვის. დადგენილია, რომ ასეთი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობები შეიძლება მუშაობდეს 500GHz სიხშირით. თუ იგი გამოიყენება სიგნალის გადაცემისთვის, მას შეუძლია გადაიტანოს 500 მილიარდი ნული ან წამში, და შეავსოს ორი წამში ორი Blu Ray დისკის შინაარსის გადაცემა.

შეერთებულ შტატებში IBM Thomas J. Watson- ის კვლევითი ცენტრის ექსპერტებმა გამოიყენეს გრაფენი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობების დასამზადებლად, რომელთაც შეუძლიათ 10GHz სიხშირეზე მუშაობა [8]. პირველ რიგში, გრაფენის ფანტელები მომზადდა სილიკონის სუბსტრატზე, რომელიც დაფარული იყო 300 ნმ სისქის სილიციუმით "ფირის ცრემლის მეთოდით", შემდეგ კი პალადიუმის ოქროს ან ტიტანის ოქროს ელექტროდებით, მასზე 1 მიკრონის ინტერვალით და მასზე 250 ნმ სიგანე გაკეთდა. ამ გზით მიიღება გრაფენზე დაფუძნებული ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა.

გრაფენის ფოტოელექტრული ინდუქციური აღჭურვილობის სქემატური დიაგრამა და ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) სკანირების ფაქტობრივი ნიმუშების ფოტოები. ფიგურაში შავი მოკლე ხაზი შეესაბამება 5 მიკრონს, ხოლო ლითონის ხაზებს შორის მანძილი არის ერთი მიკრონი.

ექსპერიმენტების საშუალებით, მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ ამ ლითონის გრაფენის ლითონის სტრუქტურის ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობას შეუძლია მიაღწიოს მუშაობის სიხშირეს 16GHz უმეტესად, და შეუძლია დიდი სიჩქარით იმუშაოს ტალღის სიგრძის დიაპაზონში 300 ნმ -დან (ულტრაიისფერი მახლობლად) 6 მიკრონი (ინფრაწითელი), ხოლო ხოლო ტრადიციული ფოტოელექტრული ინდუქციური მილაკი ვერ პასუხობს ინფრაწითელ შუქს გრძელი ტალღის სიგრძით. გრაფენის ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობების სამუშაო სიხშირე ჯერ კიდევ აქვს შესანიშნავი ადგილი გაუმჯობესებისთვის. მისი უმაღლესი შესრულება მას აქვს ფართო სპექტრის აპლიკაციების პერსპექტივები, მათ შორის კომუნიკაცია, დისტანციური მართვის და გარემოსდაცვითი მონიტორინგი.

როგორც ახალი მასალა, რომელსაც აქვს უნიკალური თვისებები, გრაფენის გამოყენების შესახებ კვლევა ერთმანეთის მიყოლებით. ჩვენთვის ძნელია მათი ჩამოთვლა აქ. სამომავლოდ, შეიძლება არსებობდეს გრაფენისგან დამზადებული გრაფენისგან დამზადებული საველე ეფექტის მილები, გრაფენისგან დამზადებული გრაფენის და მოლეკულური დეტექტორები, რომლებიც დამზადებულია გრაფენისგან ყოველდღიურ ცხოვრებაში… გრაფენი, რომელიც თანდათანობით გამოდის ლაბორატორიიდან, გაანათებს ყოველდღიურ ცხოვრებაში.

ჩვენ შეგვიძლია ველოდოთ, რომ უახლოეს მომავალში გრაფენის გამოყენებით ელექტრონული პროდუქტის დიდი რაოდენობა გამოჩნდება. იფიქრეთ იმაზე, თუ რამდენად საინტერესო იქნებოდა, თუ ჩვენი სმარტფონები და ნეტბუქები შეიძლებოდა შემოხვეული, ჩვენს ყურებზე ჩაკეტილი, ჯიბეებში ჩაყრილი, ან ჩვენი მაჯის გარშემო გახვეული, როდესაც არ იყენებთ!