Em 2010, Geim e Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho em grafeno. Este prêmio deixou uma profunda impressão em muitas pessoas. Afinal, nem toda ferramenta experimental do Prêmio Nobel é tão comum quanto a fita adesiva, e nem todo objeto de pesquisa é tão mágico e fácil de entender quanto o grafeno de "cristal bidimensional". O trabalho em 2004 pode ser concedido em 2010, o que é raro no registro do Prêmio Nobel nos últimos anos.
O grafeno é um tipo de substância que consiste em uma única camada de átomos de carbono, dispostos de perto em uma treliça hexagonal bidimensional de favo de mel. Como diamante, grafite, fulereno, nanotubos de carbono e carbono amorfo, é uma substância (substância simples) composta por elementos de carbono. Como mostrado na figura abaixo, Fullerenes e nanotubos de carbono podem ser vistos como enrolados de alguma forma a partir de uma única camada de grafeno, que é empilhada por muitas camadas de grafeno. A pesquisa teórica sobre o uso de grafeno para descrever as propriedades de várias substâncias simples de carbono (grafite, nanotubos de carbono e grafeno) durou quase 60 anos, mas acredita-se que esses materiais bidimensionais são difíceis de existir apenas de forma apenas, apenas ligado à superfície do substrato tridimensional ou substâncias internas como grafite. Não foi até 2004 que Andre Geim e seu aluno Konstantin Novoselov retiraram uma única camada de grafeno de grafite através de experimentos que a pesquisa sobre grafeno alcançou um novo desenvolvimento.
Tanto o nanotubo Fullerene (esquerda) quanto o carbono (meio) podem ser considerados como sendo enrolados por uma única camada de grafeno de alguma forma, enquanto a grafite (à direita) é empilhada por várias camadas de grafeno através da conexão da força de van der Waals.
Atualmente, o grafeno pode ser obtido de várias maneiras, e diferentes métodos têm suas próprias vantagens e desvantagens. Geim e Novoselov obtiveram grafeno de maneira simples. Usando fita transparente disponível nos supermercados, eles despojam grafeno, uma folha de grafite com apenas uma camada de átomos de carbono de espessura, de um pedaço de grafite pirolítica de alta ordem. Isso é conveniente, mas a controlabilidade não é tão boa e o grafeno com tamanho inferior a 100 mícrons (um décimo de um milímetro) só pode ser obtido, o que pode ser usado para experimentos, mas é difícil de ser usado para prático Aplicações. A deposição de vapor químico pode cultivar amostras de grafeno com o tamanho de dezenas de centímetros na superfície do metal. Embora a área com orientação consistente seja de apenas 100 mícrons [3,4], ela foi adequada para as necessidades de produção de algumas aplicações. Outro método comum é aquecer o cristal de carboneto de silício (SiC) a mais de 1100 ℃ no vácuo, de modo que os átomos de silício próximos à superfície evaporam e os átomos de carbono restantes são reorganizados, que também podem obter amostras de grafeno com boas propriedades.
O grafeno é um novo material com propriedades únicas: sua condutividade elétrica é tão excelente quanto o cobre e sua condutividade térmica é melhor do que qualquer material conhecido. É muito transparente. Apenas uma pequena parte (2,3%) da luz visível do incidente vertical será absorvida pelo grafeno e a maior parte da luz passará. É tão denso que mesmo os átomos de hélio (as menores moléculas de gás) não podem passar. Essas propriedades mágicas não são diretamente herdadas da grafite, mas da mecânica quântica. Suas propriedades elétricas e ópticas exclusivas determinam que possui amplas perspectivas de aplicação.
Embora o grafeno tenha aparecido apenas por menos de dez anos, ele mostrou muitas aplicações técnicas, o que é muito raro nos campos da física e da ciência material. Demora mais de dez anos ou até décadas para que os materiais gerais passassem de laboratório para a vida real. Qual é a utilidade do grafeno? Vejamos dois exemplos.
Eletrodo transparente suave
Em muitos aparelhos elétricos, os materiais condutores transparentes precisam ser usados como eletrodos. Relógios eletrônicos, calculadoras, televisões, telas de cristal líquido, telas de toque, painéis solares e muitos outros dispositivos não podem deixar a existência de eletrodos transparentes. O eletrodo transparente tradicional usa óxido de lata de índio (ITO). Devido ao alto preço e à oferta limitada de índio, o material é quebradiço e a falta de flexibilidade, e o eletrodo precisa ser depositado na camada média do vácuo, e o custo é relativamente alto. Há muito tempo, os cientistas tentam encontrar seu substituto. Além dos requisitos de transparência, boa condutividade e fácil preparação, se a flexibilidade do material em si for bom, será adequado para fabricar “papel eletrônico” ou outros dispositivos de exibição dobráveis. Portanto, a flexibilidade também é um aspecto muito importante. O grafeno é um material, que é muito adequado para eletrodos transparentes.
Pesquisadores da Universidade Samsung e Chengjunguan, na Coréia do Sul, obtiveram grafeno com um comprimento diagonal de 30 polegadas por deposição de vapor químico e o transferiram para um filme de 188 mícrons de polietileno tereftalato (PET) para produzir uma tela de toque baseada em grafeno [4]. Conforme mostrado na figura abaixo, o grafeno cultivado na folha de cobre é primeiro ligado à fita térmica (parte transparente azul), então a folha de cobre é dissolvida pelo método químico e, finalmente, o grafeno é transferido para o filme PET por aquecimento .
Novo equipamento de indução fotoelétrica
O grafeno possui propriedades ópticas muito exclusivas. Embora exista apenas uma camada de átomos, ela pode absorver 2,3% da luz emitida em toda a faixa do comprimento de onda, da luz visível a infravermelho. Esse número não tem nada a ver com outros parâmetros materiais de grafeno e é determinado pela eletrodinâmica quântica [6]. A luz absorvida levará à geração de transportadoras (elétrons e orifícios). A geração e o transporte de transportadoras no grafeno são muito diferentes daqueles nos semicondutores tradicionais. Isso torna o grafeno muito adequado para equipamentos de indução fotoelétricos ultra -rápidos. Estima -se que esse equipamento de indução fotoelétrica possa funcionar na frequência de 500 GHz. Se for usado para transmissão de sinal, poderá transmitir 500 bilhões de zeros ou por segundo e preencher a transmissão do conteúdo de dois discos de raio em um segundo.
Especialistas do IBM Thomas J. Watson Research Center nos Estados Unidos usaram grafeno para fabricar dispositivos de indução fotoelétricos que podem funcionar na frequência de 10 GHz [8]. Em primeiro lugar, os flocos de grafeno foram preparados em um substrato de silício coberto com sílica de 300 nm de espessura por "método de rasgo de fita" e, em seguida, foram feitos eletrodos de ouro de ouro ou titânio com um intervalo de 1 mícrons e uma largura de 250 nm. Dessa forma, é obtido um dispositivo de indução fotoelétrica baseado em grafeno.
Diagrama esquemático de equipamentos de indução fotoelétricos de grafeno e microscópio eletrônico de varredura (SEM) Fotos de amostras reais. A linha curta preta na figura corresponde a 5 mícrons e a distância entre as linhas de metal é um mícron.
Através de experimentos, os pesquisadores descobriram que esse dispositivo de indução fotoelétrica de estrutura de grafeno de metal pode atingir a frequência de trabalho de 16 GHz no máximo e pode trabalhar em alta velocidade no intervalo de comprimento de onda de 300 nm (próximo a ultravioleta) a 6 microns (infravermelho), enquanto O tubo de indução fotoelétrica tradicional não pode responder à luz infravermelha com um comprimento de onda mais longo. A frequência de trabalho do equipamento de indução fotoelétrica de grafeno ainda tem grande espaço para melhorias. Seu desempenho superior faz com que ele tenha uma ampla gama de perspectivas de aplicativos, incluindo comunicação, controle remoto e monitoramento ambiental.
Como um novo material com propriedades únicas, a pesquisa sobre a aplicação do grafeno está emergindo uma após a outra. É difícil para nós enumerá -los aqui. No futuro, pode haver tubos de efeito de campo feitos de grafeno, interruptores moleculares feitos de grafeno e detectores moleculares feitos de grafeno na vida cotidiana ... grafeno que gradualmente sai do laboratório brilhará na vida cotidiana.
Podemos esperar que um grande número de produtos eletrônicos usando grafeno apareça em um futuro próximo. Pense em como seria interessante se nossos smartphones e netbooks pudessem ser enrolados, presos em nossos ouvidos, recheados em nossos bolsos ou enrolados em volta dos pulsos quando não estiver em uso!
Hora de postagem: mar-09-2022