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Para que serve o grafeno?Dois casos de aplicação permitem que você entenda a perspectiva de aplicação do grafeno

Em 2010, Geim e Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho com o 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 “cristal bidimensional”.O trabalho em 2004 pode ser premiado em 2010, o que é raro no registro de 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 forma 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, fulerenos 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 do grafeno para descrever as propriedades de várias substâncias simples de carbono (grafite, nanotubos de carbono e grafeno) durou quase 60 anos, mas geralmente acredita-se que esses materiais bidimensionais são difíceis de existir de forma estável sozinhos, apenas ligado à superfície tridimensional do substrato ou no interior de substâncias como a grafite.Foi somente em 2004 que Andre Geim e seu aluno Konstantin Novoselov retiraram uma única camada de grafeno do grafite por meio de experimentos que a pesquisa sobre o grafeno alcançou um novo desenvolvimento.

Tanto o fulereno (à esquerda) quanto o nanotubo de carbono (no meio) podem ser considerados enrolados por uma única camada de grafeno de alguma forma, enquanto o grafite (à direita) é empilhado 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 em supermercados, eles retiraram grafeno, uma folha de grafite com apenas uma camada de átomos de carbono de espessura, de um pedaço de grafite pirolítico 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, o que pode ser usado para experimentos, mas é difícil de ser usado para fins práticos. formulários.A deposição de vapor químico pode 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, para que os átomos de silício próximos à superfície evaporem e os átomos de carbono restantes sejam rearranjados, 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 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 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 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 tenha surgido há menos de dez anos, ele tem mostrado muitas aplicações técnicas, o que é muito raro nos campos da física e da ciência dos materiais.Leva mais de dez anos ou mesmo décadas para que materiais gerais passem do laboratório para a vida real.Para que serve o 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-estanho (ITO).Devido ao alto preço e oferta limitada de índio, o material é quebradiço e falta de flexibilidade, e o eletrodo precisa ser depositado na camada intermediária de vácuo, e o custo é relativamente alto.Por muito tempo, os cientistas vêm tentando encontrar seu substituto.Além dos requisitos de transparência, boa condutividade e fácil preparação, se a flexibilidade do próprio material 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 desse tipo, muito adequado para eletrodos transparentes.

Pesquisadores da Samsung e da Universidade 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 polietileno tereftalato (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 colado com a fita de decapagem 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 muito únicas.Embora haja 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 buracos).A geração e o transporte de portadores em grafeno são muito diferentes daqueles em semicondutores tradicionais.Isso torna o grafeno muito adequado para equipamentos de indução fotoelétrica ultrarrápida.Estima-se que tais equipamentos de indução fotoelétrica possam funcionar na frequência de 500ghz.Se for usado para transmissão de sinal, pode transmitir 500 bilhões de zeros ou uns por segundo e concluir a transmissão do conteúdo de dois discos Blu ray em um segundo.

Especialistas do IBM Thomas J. Watson Research Center, nos Estados Unidos, usaram grafeno para fabricar dispositivos de indução fotoelétrica que podem trabalhar na frequência de 10 GHz [8].Primeiramente, foram preparados flocos de grafeno sobre um substrato de silício coberto com sílica de 300 nm de espessura pelo “método de rasgamento de fita” e, em seguida, eletrodos de ouro de paládio ou ouro de titânio com intervalo de 1 mícron e largura de 250 nm foram feitos sobre ele.Desta forma, obtém-se um dispositivo de indução fotoelétrica baseado em 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 de metal é de um mícron.

Através de experimentos, os pesquisadores descobriram que este dispositivo de indução fotoelétrica de estrutura metálica de grafeno metálico pode atingir a frequência de trabalho de 16ghz no máximo, e pode funcionar em alta velocidade na faixa de comprimento de onda de 300 nm (próximo ao ultravioleta) a 6 mícrons (infravermelho), enquanto o tubo de indução fotoelétrico tradicional não pode responder à luz infravermelha com comprimento de onda mais longo.A frequência de trabalho dos equipamentos de indução fotoelétrica de grafeno ainda tem grande espaço para melhorias.Seu desempenho superior faz com que tenha uma ampla gama de possibilidades de aplicação, incluindo comunicação, controle remoto e monitoramento ambiental.

Como um novo material com propriedades únicas, as pesquisas sobre a aplicação do grafeno estão surgindo uma após a outra.É difícil para nós enumerá-los aqui.No futuro, poderão existir tubos de efeito de campo feitos de grafeno, interruptores moleculares feitos de grafeno e detectores moleculares feitos de grafeno no dia a dia... O grafeno que sai gradualmente do laboratório vai brilhar no dia a dia.

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, enfiados em nossos bolsos ou enrolados em nossos pulsos quando não estiverem em uso!


Hora da postagem: Mar-09-2022