Năm 2010, Geim và Novoselov đã giành giải thưởng Nobel về vật lý cho công việc của họ trên graphene. Giải thưởng này đã để lại ấn tượng sâu sắc với nhiều người. Rốt cuộc, không phải mọi công cụ thử nghiệm giải thưởng Nobel đều phổ biến như băng dính, và không phải mọi đối tượng nghiên cứu đều kỳ diệu và dễ hiểu như graphene tinh thể hai chiều. Công việc năm 2004 có thể được trao vào năm 2010, điều này rất hiếm trong hồ sơ của giải thưởng Nobel trong những năm gần đây.
Graphene là một loại chất bao gồm một lớp nguyên tử carbon duy nhất được sắp xếp chặt chẽ thành một mạng hình lục giác tổ ong hai chiều. Giống như kim cương, than chì, fullerene, ống nano carbon và carbon vô định hình, nó là một chất (chất đơn giản) bao gồm các yếu tố carbon. Như thể hiện trong hình dưới đây, các ống nano fulleren và carbon có thể được nhìn thấy như được cuộn lên theo một cách nào đó từ một lớp graphene duy nhất, được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene. Nghiên cứu lý thuyết về việc sử dụng graphene để mô tả các tính chất của các chất đơn giản carbon khác nhau (than chì, ống nano carbon và graphene) đã tồn tại trong gần 60 năm, nhưng thường tin rằng các vật liệu hai chiều như vậy rất khó tồn tại một mình, Chỉ được gắn vào bề mặt chất nền ba chiều hoặc bên trong các chất như than chì. Mãi đến năm 2004, Andre Geim và sinh viên Konstantin Novoselov của mình đã tước một lớp graphene duy nhất từ than chì thông qua các thí nghiệm mà nghiên cứu về graphene đạt được sự phát triển mới.
Cả fullerene (trái) và ống nano carbon (giữa) có thể được coi là được cuộn lên bởi một lớp graphene duy nhất theo một cách nào đó, trong khi than chì (phải) được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene thông qua kết nối của lực van der Waals.
Ngày nay, graphene có thể được lấy theo nhiều cách, và các phương pháp khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm riêng của chúng. Geim và Novoselov thu được graphene một cách đơn giản. Sử dụng băng trong suốt có sẵn trong các siêu thị, họ đã tước graphene, một tấm than chì chỉ có một lớp nguyên tử carbon dày, từ một miếng than chì pyrolytic bậc cao. Điều này thuận tiện, nhưng khả năng kiểm soát không tốt và graphene với kích thước nhỏ hơn 100 micron (một phần mười milimet) chỉ có thể được sử dụng ứng dụng. Sự lắng đọng hơi hóa học có thể phát triển các mẫu graphene với kích thước hàng chục cm trên bề mặt kim loại. Mặc dù khu vực có định hướng nhất quán chỉ là 100 micron [3,4], nhưng nó phù hợp với nhu cầu sản xuất của một số ứng dụng. Một phương pháp phổ biến khác là làm nóng tinh thể cacbua silicon (SIC) đến hơn 1100 ℃ trong chân không, do đó các nguyên tử silicon gần bề mặt bay hơi và các nguyên tử carbon còn lại được sắp xếp lại, cũng có thể thu được các mẫu graphene có tính chất tốt.
Graphene là một vật liệu mới có tính chất độc đáo: độ dẫn điện của nó cũng tuyệt vời như đồng và độ dẫn nhiệt của nó tốt hơn bất kỳ vật liệu nào đã biết. Nó rất minh bạch. Chỉ một phần nhỏ (2,3%) ánh sáng nhìn thấy sự cố thẳng đứng sẽ được hấp thụ bởi graphene và hầu hết ánh sáng sẽ đi qua. Nó dày đặc đến nỗi ngay cả các nguyên tử helium (các phân tử khí nhỏ nhất) cũng không thể đi qua. Các tính chất ma thuật này không được kế thừa trực tiếp từ than chì, mà từ cơ học lượng tử. Các tính chất điện và quang học độc đáo của nó xác định rằng nó có triển vọng ứng dụng rộng.
Mặc dù graphene chỉ xuất hiện chưa đầy mười năm, nhưng nó đã cho thấy nhiều ứng dụng kỹ thuật, điều này rất hiếm trong các lĩnh vực vật lý và khoa học vật liệu. Phải mất hơn mười năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ để các vật liệu chung chuyển từ phòng thí nghiệm sang cuộc sống thực. Việc sử dụng graphene là gì? Hãy xem xét hai ví dụ.
Điện cực trong suốt mềm
Trong nhiều thiết bị điện, các vật liệu dẫn điện trong suốt cần được sử dụng làm điện cực. Đồng hồ điện tử, máy tính, TV, màn hình tinh thể lỏng, màn hình cảm ứng, tấm pin mặt trời và nhiều thiết bị khác không thể để lại sự tồn tại của các điện cực trong suốt. Điện cực trong suốt truyền thống sử dụng oxit thiếc indi (ITO). Do giá cao và nguồn cung cấp indium hạn chế, vật liệu là giòn và thiếu tính linh hoạt, và điện cực cần phải được gửi trong lớp chân không, và chi phí tương đối cao. Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã cố gắng tìm kiếm sự thay thế của nó. Ngoài các yêu cầu về tính minh bạch, độ dẫn tốt và chuẩn bị dễ dàng, nếu tính linh hoạt của chính vật liệu là tốt, nó sẽ phù hợp để làm giấy điện tử của Hồi giáo hoặc các thiết bị hiển thị có thể gập lại khác. Do đó, tính linh hoạt cũng là một khía cạnh rất quan trọng. Graphene là một vật liệu như vậy, rất phù hợp cho các điện cực trong suốt.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Samsung và Chengjunguan ở Hàn Quốc đã thu được graphene với chiều dài đường chéo 30 inch bằng cách lắng đọng hơi hóa học và chuyển nó sang màng polyetylen terephthalate dày 188 micron (PET) để tạo ra màn hình cảm ứng dựa trên graphene [4]. Như thể hiện trong hình dưới đây, graphene được trồng trên lá đồng được liên kết đầu tiên với băng tước nhiệt (phần trong suốt màu xanh), sau đó lá đồng được hòa tan bằng phương pháp hóa học, và cuối cùng graphene được chuyển sang màng PET bằng cách sưởi ấm .
Thiết bị cảm ứng quang điện mới
Graphene có đặc tính quang học rất độc đáo. Mặc dù chỉ có một lớp nguyên tử, nhưng nó có thể hấp thụ 2,3% ánh sáng phát ra trong toàn bộ phạm vi bước sóng từ ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại. Số này không liên quan gì đến các tham số vật liệu khác của graphene và được xác định bằng điện động lực học lượng tử [6]. Ánh sáng hấp thụ sẽ dẫn đến việc tạo ra các chất mang (electron và lỗ). Việc tạo ra và vận chuyển các chất mang trong graphene rất khác với các sản phẩm trong chất bán dẫn truyền thống. Điều này làm cho graphene rất phù hợp cho thiết bị cảm ứng quang điện cực nhanh. Người ta ước tính rằng thiết bị cảm ứng quang điện như vậy có thể hoạt động ở tần số 500GHz. Nếu nó được sử dụng để truyền tín hiệu, nó có thể truyền 500 tỷ số không hoặc một số không mỗi giây và hoàn thành việc truyền nội dung của hai đĩa tia Blu trong một giây.
Các chuyên gia từ Trung tâm nghiên cứu IBM Thomas J. Watson ở Hoa Kỳ đã sử dụng graphene để sản xuất các thiết bị cảm ứng quang điện có thể hoạt động ở tần số 10GHz [8]. Đầu tiên, các mảnh graphene đã được điều chế trên một chất nền silicon được phủ bằng silica dày 300nm bằng phương pháp xé băng băng, sau đó các điện cực vàng hoặc vàng titan với khoảng 1 micron và chiều rộng 250nm được tạo ra trên đó. Theo cách này, một thiết bị cảm ứng quang điện dựa trên graphene.
Sơ đồ sơ đồ của thiết bị cảm ứng quang điện graphene và chụp ảnh kính hiển vi điện tử (SEM) của các mẫu thực tế. Đường ngắn màu đen trong hình tương ứng với 5 micron và khoảng cách giữa các đường kim loại là một micron.
Thông qua các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thiết bị cảm ứng quang điện kết cấu kim loại kim loại này có thể đạt đến tần số làm việc nhiều nhất là 16GHz và có thể hoạt động ở tốc độ cao trong phạm vi bước sóng từ 300nm (gần tia cực tím) đến 6 micron (hồng ngoại), trong khi Các ống cảm ứng quang điện truyền thống không thể đáp ứng với ánh sáng hồng ngoại với bước sóng dài hơn. Tần suất làm việc của thiết bị cảm ứng quang điện graphene vẫn có chỗ tuyệt vời để cải thiện. Hiệu suất vượt trội của nó làm cho nó có một loạt các triển vọng ứng dụng, bao gồm giao tiếp, kiểm soát từ xa và giám sát môi trường.
Là một vật liệu mới với các thuộc tính độc đáo, nghiên cứu về ứng dụng của graphene đang nổi lên lần lượt. Rất khó để chúng tôi liệt kê chúng ở đây. Trong tương lai, có thể có các ống hiệu ứng trường được làm bằng graphene, các công tắc phân tử được làm bằng graphene và máy dò phân tử làm bằng graphene trong cuộc sống hàng ngày, graphene dần dần ra khỏi phòng thí nghiệm sẽ tỏa sáng trong cuộc sống hàng ngày.
Chúng ta có thể hy vọng rằng một số lượng lớn các sản phẩm điện tử sử dụng graphene sẽ xuất hiện trong tương lai gần. Hãy suy nghĩ về việc nó sẽ thú vị như thế nào nếu điện thoại thông minh và netbook của chúng tôi có thể được cuộn lên, kẹp vào tai chúng tôi, nhét vào túi của chúng tôi hoặc quấn quanh cổ tay của chúng tôi khi không sử dụng!
Thời gian đăng: Mar-09-2022