Em 2010, Geim e Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho com o grafeno.Este prêmio deixou uma impressão profunda 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”.A obra de 2004 poderá ser premiada 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 em uma rede hexagonal bidimensional em favo de mel.Assim como o diamante, o grafite, o fulereno, os nanotubos de carbono e o carbono amorfo, é uma substância (substância simples) composta por elementos de carbono.Conforme mostrado na figura abaixo, os fulerenos e os nanotubos de carbono podem ser vistos 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 do grafeno para descrever as propriedades de várias substâncias simples de carbono (grafite, nanotubos de carbono e grafeno) já dura quase 60 anos, mas geralmente acredita-se que tais materiais bidimensionais são difíceis de existir de forma estável sozinhos, fixado apenas à superfície tridimensional do substrato ou dentro de substâncias como grafite.Somente em 2004, quando Andre Geim e seu aluno Konstantin Novoselov retiraram uma única camada de grafeno do grafite por meio de experimentos, é que a pesquisa sobre o grafeno alcançou um novo desenvolvimento.
Tanto o fulereno (esquerda) quanto o nanotubo de carbono (meio) podem ser considerados enrolados por uma única camada de grafeno de alguma forma, enquanto o grafite (direita) é empilhado por múltiplas camadas de grafeno através da conexão da força de van der Waals.
Hoje em dia, o grafeno pode ser obtido de várias maneiras, e diferentes métodos têm suas vantagens e desvantagens.Geim e Novoselov obtiveram grafeno de forma simples.Usando fita transparente disponível em supermercados, eles retiraram o 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 milímetro) só pode ser obtido, que pode ser usado para experimentos, mas é difícil de ser usado para fins práticos. formulários.A deposição química de vapor pode fazer crescer 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 tem sido 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 evaporem e os átomos de carbono restantes sejam reorganizados, o que também pode obter amostras de grafeno com boas propriedades.
O grafeno é um novo material com propriedades únicas: sua condutividade elétrica é tão excelente quanto a do cobre e sua condutividade térmica é melhor do que qualquer material conhecido.É muito transparente.Apenas uma pequena parte (2,3%) da luz visível 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 conseguem passar.Essas propriedades mágicas não são herdadas diretamente do grafite, mas da mecânica quântica.Suas propriedades elétricas e ópticas únicas determinam que ele tenha amplas perspectivas de aplicação.
Embora o grafeno só tenha surgido há menos de dez anos, ele mostrou muitas aplicações técnicas, o que é muito raro nas áreas de física e ciência dos materiais.São necessários mais de dez anos ou mesmo décadas para que os materiais em geral passem do laboratório para a vida real.Qual é a utilidade do grafeno?Vejamos dois exemplos.
Eletrodo transparente macio
Em muitos aparelhos elétricos, materiais condutores transparentes precisam ser usados como eletrodos.Relógios eletrônicos, calculadoras, televisores, telas de cristal líquido, telas sensíveis ao toque, painéis solares e muitos outros dispositivos não podem deixar de existir eletrodos transparentes.O eletrodo transparente tradicional usa óxido de índio e estanho (ITO).Devido ao alto preço e à oferta limitada de índio, o material é frágil e pouco flexível, e o eletrodo precisa ser depositado na camada intermediária de vácuo, e o custo é relativamente alto.Há muito tempo que os cientistas tentam encontrar o seu substituto.Além dos requisitos de transparência, boa condutividade e fácil preparação, se a flexibilidade do material em si for boa, ele será adequado para fazer “papel eletrônico” ou outros dispositivos de exibição dobráveis.Portanto, a flexibilidade também é um aspecto muito importante.O grafeno é um material muito adequado para eletrodos transparentes.
Pesquisadores da Samsung e da Universidade de Chengjunguan, na Coreia do Sul, obtiveram grafeno com um comprimento diagonal de 30 polegadas por deposição química de vapor e o transferiram para um filme de tereftalato de polietileno (PET) de 188 mícrons de espessura para produzir uma tela sensível ao toque baseada em grafeno [4].Conforme mostrado na figura abaixo, o grafeno cultivado na folha de cobre é primeiro ligado à fita de remoção térmica (parte azul transparente), depois a folha de cobre é dissolvida por método químico e, finalmente, o grafeno é transferido para o filme PET por aquecimento. .
Novo equipamento de indução fotoelétrica
O grafeno tem propriedades ópticas únicas.Embora exista apenas uma camada de átomos, ela pode absorver 2,3% da luz emitida em toda a faixa de comprimento de onda, da luz visível ao infravermelho.Este número não tem nada a ver com outros parâmetros materiais do grafeno e é determinado pela eletrodinâmica quântica [6].A luz absorvida levará à geração de portadores (elétrons e lacunas).A geração e o transporte de portadores no grafeno são muito diferentes daqueles dos semicondutores tradicionais.Isso torna o grafeno muito adequado para equipamentos de indução fotoelétrica ultrarrápidos.Estima-se que tais equipamentos de indução fotoelétrica possam funcionar na frequência de 500 GHz.Se for usado para transmissão de sinal, pode transmitir 500 bilhões de zeros ou uns por segundo e completar a transmissão do conteúdo de dois discos Blu-ray em um segundo.
Especialistas do IBM Thomas J. Watson Research Center, nos Estados Unidos, usaram o grafeno para fabricar dispositivos de indução fotoelétrica que podem funcionar na frequência de 10 GHz [8].Primeiramente, flocos de grafeno foram preparados sobre um substrato de silício coberto com sílica de 300 nm de espessura pelo “método de rasgamento de fita” e, em seguida, foram confeccionados eletrodos de ouro paládio ou ouro titânio com intervalo de 1 mícron e largura de 250 nm.Desta forma, obtém-se um dispositivo de indução fotoelétrica à base de grafeno.
Diagrama esquemático do equipamento de indução fotoelétrica de grafeno e fotos de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de amostras reais.A linha preta curta na figura corresponde a 5 mícrons e a distância entre as linhas metálicas é de um mícron.
Por meio de experimentos, os pesquisadores descobriram que este dispositivo de indução fotoelétrica com estrutura metálica de grafeno pode atingir a frequência de trabalho de no máximo 16 GHz e pode funcionar em alta velocidade na faixa de comprimento de onda de 300 nm (ultravioleta próximo) a 6 mícrons (infravermelho), enquanto o tubo de indução fotoelétrico tradicional não responde à luz infravermelha com comprimento de onda mais longo.A frequência de trabalho do equipamento de indução fotoelétrica de grafeno ainda tem muito espaço para melhorias.Seu desempenho superior faz com que ele tenha uma ampla gama de possibilidades de aplicação, incluindo comunicação, controle remoto e monitoramento ambiental.
Por ser um novo material com propriedades únicas, as pesquisas sobre a aplicação do grafeno vão surgindo uma após a outra.É difícil 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… O grafeno que sai gradualmente do laboratório brilhará na vida cotidiana.
Podemos esperar que um grande número de produtos eletrônicos utilizando grafeno apareça em um futuro próximo.Pense em como seria interessante se nossos smartphones e netbooks pudessem ser enrolados, presos nas orelhas, enfiados nos bolsos ou enrolados nos pulsos quando não estiverem em uso!
Horário da postagem: 09/03/2022