A grafén megszerzésének módjai
A múlt évig a grafén előállításának egyetlen ismert módja a tapadószalagra vékony grafit réteggel történt, majd a szubsztrátum eltávolítása után. Ezt a technikát Scotch technikának nevezték. Nemrég azonban a tudósok felfedezték, hogy hatékonyabb módja van egy új anyag megszerzésének: alapul véve réz, nikkel vagy szilícium réteget, amelyet ezután eltávolítással eltávolítanak (2. Ilyen módon 76 cm szélességű, négyszög alakú graféneket hoztak létre egy koreai, japán és szingapúri tudósok csoportja. Nem csak a kutatók rögzítették az egyrétegű szén-atomok méretének rekordját, hanem rugalmas lapok alapján érzékeny képernyőket is létrehoztak.
2. ábra: Grafén előállítása maratással
Ruoff és munkatársai szén-atomokat alkalmaztak rézfóliára kémiai gőzölés (CVD) módszerrel. A Sunkhunkhvana Egyetemen Bunya Hee-khon professzor laboratóriumi kutatói tovább mentek, és megnövelték a lapokat a teljes képernyő méretére. Az új "roll-to-roll feldolgozás" lehetővé teszi, hogy egy hosszú szalagot kapjon a grafénből (3. ábra).
3. ábra: A nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkópos módszerrel előállított graflensrétegek képe egymás tetején.
A grafén fizikai lemezek felett egy ragasztós polimer réteget helyeztünk, réz-szubsztrátokat feloldottunk, majd a polimer filmet elválasztottuk - egyetlen grafitréteget kaptunk. Annak érdekében, hogy a lapok még erősebbek legyenek, a tudósok ugyanúgy "növelték" három további grafitréteget. Végül a kapott "szendvics" salétromsavval kezeltük, hogy javítsuk a vezetőképességet. A grafén egy új lapja poliészter hordozóra van helyezve, és a fűtött görgők között áthalad (4. ábra).
4. ábra: gördülő technológia a grafén előállításához
Az így kapott szerkezet a fény 90% -át eléri, és kisebb elektromos ellenállással rendelkezik, mint a szabványos, de még mindig nagyon drága átlátszó vezető - indium és ón-oxid (ITO). By the way, a grafén lapok alapját az érintőképernyők, a kutatók úgy találta, hogy szerkezetük is kevésbé törékeny.
Igaz, minden eredmény ellenére, még mielőtt a technológia kereskedelmi forgalomba kerülne. A transzparens szén nanotube-filmek régóta próbálják megtenni az ITO-t, de a gyártók nem tudnak megbirkózni a filmhibákon megjelenő "halott képpontok" problémájával.
A grafének alkalmazása az elektrotechnika és elektronika területén
A síkképernyős képernyők képpontjainak fényerejét a két elektróda közötti feszültség határozza meg, amelyek közül az egyik a néző felé néz (5. Ezeknek az elektródáknak feltétlenül átlátszónak kell lenniük. Jelenleg indium-adalékolt indium-oxidot (ITO) használnak átlátszó elektródák előállítására, de az ITO egy drága és nem a legstabilabb anyag. Ráadásul a világ hamarosan kimeríti az indium tartalékait. A grafén átláthatóbb és stabilabb, mint az ITO, és egy grafikus elektróddal ellátott LCD már bizonyított.
5. ábra: Grafén képernyő fényereje az alkalmazott feszültségtől függően
A grafén nemcsak kiváló elektromos vezető. A legmagasabb hővezető képességgel rendelkezik: az atomok rezgése könnyen eloszlik a méhsejtszerkezet szénhálóján. Az elektronika hőelvezetése komoly probléma, hiszen az elektronika ellenáll a magas hőmérsékletnek. Azonban az Illinois Egyetem tudósai azt találták, hogy a transzferorok, amelyekben a grafént használják, érdekes tulajdonsággal rendelkeznek. Termoelektromos hatásuk van, ami a készülék hőmérsékletének csökkenéséhez vezet. Ez azt jelentheti, hogy a grafén segítségével épített elektronika a múltban elhagyja a radiátorokat és a rajongókat. Így a grafén vonzereje, mint ígéretes anyag a jövőbeni mikroáramkörökhöz, szintén növeli (6.
6. ábra: Egy atom-erőmikroszkóprő vizsgálata egy grafén-fém érintkező felületének vizsgálatára a hőmérséklet méréséhez.
Nem volt nehéz a tudósok számára a grafén hővezető képességének mérésére. Kifejlesztettek egy teljesen új módszert a hőmérséklet mérésére úgy, hogy egy 3 g-os grafén filmet rendeztek egy pontosan ugyanolyan apró lyukon egy szilícium-dioxid kristályban. Ezután a filmet lézersugárral melegítették, ami rezegni kezdett. Ezek a rezgések segítettek kiszámolni a hőmérsékletet és a hővezetőképességet.
Nagy tiszta graglén lapok elérése még mindig nagyon nehéz, de a feladat egyszerűsíthető, ha a szénréteg más elemekkel keveredik. A Northwestern Egyetemen a grafit oxidálódott és feloldódott vízben. Az eredmény egy papírszerű anyag - grafén-oxid-papír (7. Nagyon nehéz és meglehetősen egyszerű gyártani. A grafenoxid szilárd membránként használható az elemekben és üzemanyagcellákban.
7. ábra: Grafén-oxid-papír
A grafén membrán ideális szubsztrát az elektronmikroszkóp alatt lévő tárgyak számára. A hibátlan sejtek egységes szürke háttéren egyesülnek a képeken, amelyeken más atomok egyértelműen megkülönböztethetők. Eddig gyakorlatilag lehetetlen volt megkülönböztetni a legvékonyabb atomokat egy elektronmikroszkópban, de a grafénnel akár kis hidrogénatom is észlelhető szubsztrátumként.
A grafén alkalmazási lehetőségei meghatározatlanul felsorolhatók. Nemrégiben az Egyesült Államok északnyugati egyetemének fizikusai azt találták, hogy a grafén keverhető műanyaggal. Az eredmény egy vékony, szuperálló anyag, amely ellenáll a magas hőmérsékletnek, és át nem eresztő a gázok és folyadékok számára.
Alkalmazási területe a könnyű benzinállomások, az autók és repülőgépek pótalkatrészei, a szélturbinák erőteljes lapjai. A műanyagból csomagolhatja az élelmiszereket, hosszú ideig tartva frisset.
A grafén nem csak a legszebb, de a legtartósabb anyag a világon. A New York-i Columbia Egyetem tudósai meg voltak róla győződve arról, hogy a grafént apró lyukak fölé helyezték egy szilíciumkristályban. Ezután a legvékonyabb gyémánt tű segítségével megpróbálták elpusztítani a grafénréteget és megmértük a nyomóerőt (8. Kiderült, hogy a grafén 200-szor erősebb az acélnál. Ha elképzelni egy grafitréteget, amely egy élelmiszer-filmmel vastag, akkor ellenállna egy olyan ceruza pontjának nyomásának, amelynek másik végén az elefánt vagy az autó kiegyenlített volna.
8. ábra: Nyomás a grafén gyémánt tűkre