กราฟีนคืออะไร และเหตุใดจึงน่าสนใจ คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และไฟฟ้าอันน่าทึ่งของกราฟีนช่วยให้สามารถนำไปใช้งานได้ในเกือบทุกสาขา
กราฟีนอยู่ในกลุ่มสารประกอบคาร์บอนที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งมีสารเคมีและคุณสมบัติที่โดดเด่น คุณสมบัติทางกายภาพเช่นการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมซึ่งผสมผสานกับความเบาและความแข็งแกร่งที่น่าทึ่ง
Jpeg?.jpeg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-osobennosti-reshyotki.jpeg 746w" size="(ความกว้างสูงสุด: 600px) 100vw, 600px">
คุณสมบัติของโครงตาข่ายคริสตัล
คาดว่าเมื่อเวลาผ่านไปจะสามารถทดแทนซิลิคอนซึ่งเป็นพื้นฐานของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ได้ ปัจจุบันสารประกอบนี้ได้รักษาสถานะของ "วัสดุแห่งอนาคต" อย่างมั่นคง
คุณสมบัติของวัสดุ
กราฟีน ซึ่งส่วนใหญ่มักพบภายใต้ชื่อ “G” คือคาร์บอนรูปแบบสองมิติที่มีโครงสร้างที่ผิดปกติในรูปของอะตอมที่เชื่อมต่อกันเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยม นอกจากนี้ความหนารวมไม่เกินขนาดของแต่ละอัน
เพื่อความเข้าใจที่ชัดเจนยิ่งขึ้นว่ากราฟีนคืออะไร ขอแนะนำให้ทำความคุ้นเคยกับคุณลักษณะเฉพาะ เช่น:
- บันทึกค่าการนำความร้อนสูง
- ความแข็งแรงเชิงกลสูงและความยืดหยุ่นของวัสดุ สูงกว่าตัวบ่งชี้เดียวกันสำหรับผลิตภัณฑ์เหล็กหลายร้อยเท่า
- การนำไฟฟ้าที่ไม่มีใครเทียบได้
- จุดหลอมเหลวสูง (มากกว่า 3 พันองศา)
- ความไม่สามารถเข้าถึงได้และความโปร่งใส
ข้อเท็จจริงง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นโครงสร้างที่ผิดปกติของกราฟีน: เมื่อรวมช่องว่างกราฟีน 3 ล้านแผ่น ความหนารวมของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะไม่เกิน 1 มม.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-fizicheskaja-struktura.jpg 750w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
โครงสร้างทางกายภาพ
เพื่อให้เข้าใจถึงคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุที่ผิดปกตินี้ก็เพียงพอแล้วที่จะทราบว่าในแหล่งกำเนิดของมันนั้นคล้ายคลึงกับกราไฟท์ชั้นธรรมดาที่ใช้ในไส้ดินสอ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการจัดเรียงอะตอมแบบพิเศษในโครงตาข่ายหกเหลี่ยม โครงสร้างของมันจึงมีลักษณะเฉพาะที่มีอยู่ในวัสดุแข็งเช่นเพชร
เมื่อกราฟีนถูกแยกออกจากกราไฟต์ จะพบว่าคุณสมบัติ "อัศจรรย์" ที่สุดของกราฟีนซึ่งเป็นคุณลักษณะของวัสดุ 2 มิติสมัยใหม่ จะถูกสังเกตได้ในความหนาของอะตอมของฟิล์ม ทุกวันนี้เป็นเรื่องยากที่จะหาพื้นที่ของเศรษฐกิจของประเทศที่ใช้สารประกอบพิเศษนี้และที่ที่ไม่ถือว่ามีแนวโน้มดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ
วิธีการได้รับ
การค้นพบวัสดุนี้สามารถย้อนกลับไปในปี 2547 หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็เชี่ยวชาญวิธีการต่าง ๆ ในการได้มาซึ่งดังที่แสดงด้านล่าง:
- การทำความเย็นด้วยสารเคมีดำเนินการโดยวิธีการเปลี่ยนเฟส (เรียกว่ากระบวนการ CVD)
- สิ่งที่เรียกว่า "การเจริญเติบโตของ epitaxis" ดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศ
- “วิธีการขัดผิวด้วยเครื่องกล”
Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-mehanicheskij-metod.jpg?.jpg 546w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/03/3-mehanicheskij-metod-352x293.jpg 352w" ขนาด="(ความกว้างสูงสุด: 546px) 100vw, 546px">
วิธีการทางกล
มาดูรายละเอียดเพิ่มเติมกัน
เครื่องกล
เริ่มจากวิธีการสุดท้ายเหล่านี้ซึ่งถือว่าเข้าถึงได้มากที่สุดสำหรับการใช้งานอิสระ เพื่อให้ได้กราฟีนที่บ้าน จำเป็นต้องดำเนินการตามลำดับต่อไปนี้:
- ก่อนอื่นคุณต้องเตรียมแผ่นกราไฟท์บาง ๆ ซึ่งติดไว้กับด้านกาวของเทปพิเศษ
- หลังจากนั้นจะพับครึ่งแล้วกลับสู่สภาพเดิม (ปลายแยกออกจากกัน)
- จากผลของการปรับเปลี่ยนดังกล่าว จึงเป็นไปได้ที่จะได้กราไฟท์สองชั้นที่ด้านกาวของเทป
- หากคุณดำเนินการนี้หลายครั้งจะไม่ยากที่จะได้ความหนาเล็กน้อยของชั้นวัสดุที่ใช้
- หลังจากนั้น จะใช้เทปกาวที่มีฟิล์มแยกและบางมากกับซับสเตรตซิลิคอนออกไซด์
- เป็นผลให้ฟิล์มบางส่วนยังคงอยู่บนพื้นผิวทำให้เกิดชั้นกราฟีน
ข้อเสียของวิธีนี้คือความยากในการได้ฟิล์มบางที่มีขนาดและรูปร่างที่กำหนดซึ่งสามารถติดเข้ากับส่วนที่กำหนดของวัสดุพิมพ์ได้อย่างน่าเชื่อถือ
ตอนนี้ ส่วนใหญ่กราฟีนที่ใช้ในการฝึกปฏิบัติในชีวิตประจำวันได้รับการผลิตในลักษณะนี้ เนื่องจากการขัดผิวด้วยกลไก จึงเป็นไปได้ที่จะได้สารประกอบที่มีคุณภาพค่อนข้างสูง แต่สำหรับสภาวะการผลิตจำนวนมาก วิธีนี้ไม่เหมาะสมอย่างยิ่ง
วิธีการทางอุตสาหกรรม
หนึ่งในวิธีการทางอุตสาหกรรมในการผลิตกราฟีนคือการปลูกกราฟีนในสุญญากาศ ซึ่งมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
- ในการผลิตนั้น ต้องใช้ชั้นผิวของซิลิคอนคาร์ไบด์ซึ่งมีอยู่บนพื้นผิวของวัสดุนี้เสมอ
- จากนั้นเวเฟอร์ซิลิคอนที่เตรียมไว้ล่วงหน้าจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง (ประมาณ 1,000 K)
- เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในกรณีนี้จึงสังเกตการแยกอะตอมของซิลิคอนและคาร์บอนซึ่งอะตอมแรกจะระเหยไปทันที
- จากปฏิกิริยานี้ กราฟีนบริสุทธิ์ (G) ยังคงอยู่บนจาน
ข้อเสียของวิธีนี้ ได้แก่ ความจำเป็นในการทำความร้อนที่อุณหภูมิสูงซึ่งมักก่อให้เกิดปัญหาทางเทคนิค
วิธีการทางอุตสาหกรรมที่เชื่อถือได้มากที่สุดซึ่งหลีกเลี่ยงปัญหาที่อธิบายไว้ข้างต้นเรียกว่า "กระบวนการ CVD" เมื่อนำมาใช้ ปฏิกิริยาทางเคมีจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเมื่อรวมกับก๊าซไฮโดรคาร์บอน
จากวิธีการทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้น จึงเป็นไปได้ที่จะได้รับสารประกอบ allotropic บริสุทธิ์ของคาร์บอนสองมิติในรูปแบบของชั้นที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว คุณลักษณะของการก่อตัวนี้คือการเชื่อมต่อของอะตอมเหล่านี้เข้ากับโครงตาข่ายหกเหลี่ยมเนื่องจากการก่อตัวของพันธะที่เรียกว่า "σ" และ "π"
ผู้ให้บริการ ค่าไฟฟ้าในโครงตาข่ายกราฟีนนั้นมีลักษณะเฉพาะคือมีความคล่องตัวในระดับสูง ซึ่งเกินกว่าตัวบ่งชี้นี้อย่างมีนัยสำคัญสำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ที่รู้จัก ด้วยเหตุนี้จึงสามารถแทนที่ซิลิคอนแบบคลาสสิกซึ่งใช้กันทั่วไปในการผลิตวงจรรวมได้
PNG?x15027" alt="Silicon wafers" width="525" height="376">!}
เวเฟอร์ซิลิคอน
พื้นที่ใช้งาน
ความเป็นไปได้ของการประยุกต์ใช้วัสดุที่ใช้กราฟีนในทางปฏิบัตินั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับคุณลักษณะของการผลิต ปัจจุบันมีการฝึกฝนวิธีการมากมายเพื่อให้ได้ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นซึ่งมีรูปร่างคุณภาพและขนาดแตกต่างกัน
ในบรรดาวิธีการที่รู้จักทั้งหมด มีแนวทางต่อไปนี้ที่โดดเด่น:
- การผลิตกราฟีนออกไซด์หลากหลายชนิดในรูปของเกล็ด ซึ่งใช้ในการผลิตสีที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า รวมถึงวัสดุคอมโพสิตประเภทต่างๆ
- การได้รับกราฟีนแบบแบน G ซึ่งใช้ในการผลิตส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
- การปลูกวัสดุประเภทเดียวกับที่ใช้เป็นส่วนประกอบที่ไม่ใช้งาน
คุณสมบัติหลักของสารประกอบนี้และการทำงานของมันจะถูกกำหนดโดยคุณภาพของสารตั้งต้นตลอดจนลักษณะของวัสดุที่ใช้ปลูก ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตที่ใช้ในที่สุด
ขึ้นอยู่กับวิธีการได้มาซึ่งวัสดุพิเศษนี้ สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย กล่าวคือ:
- กราฟีนที่ได้จากการขัดผิวด้วยกลไกนั้นมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อการวิจัย ซึ่งอธิบายได้จากความคล่องตัวที่ต่ำของตัวพาที่ไม่มีค่าใช้จ่าย
- เมื่อกราฟีนถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยาทางเคมี (ความร้อน) กราฟีนมักถูกใช้เพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิต เช่นเดียวกับการเคลือบป้องกัน หมึก และสีย้อม ความคล่องตัวของตัวพาอิสระนั้นค่อนข้างสูงกว่าซึ่งทำให้สามารถใช้สำหรับการผลิตตัวเก็บประจุและฉนวนฟิล์มได้
- หากใช้วิธี CVD เพื่อให้ได้สารประกอบนี้ ก็สามารถนำมาใช้ในนาโนอิเล็กทรอนิกส์ เช่นเดียวกับการผลิตเซ็นเซอร์และฟิล์มยืดหยุ่นโปร่งใส
- กราฟีนที่ได้จากวิธี "ซิลิคอนเวเฟอร์" ใช้ในการผลิตส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ทรานซิสเตอร์ RF และส่วนประกอบที่คล้ายกัน ความคล่องตัวของผู้ให้บริการฟรีในบริเวณดังกล่าวนั้นสูงสุด
Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-gibkie-plyonki-600x369.jpg?.jpg 600w, https:// elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-gibkie-plyonki-120x74.jpg 120w" ขนาด="(ความกว้างสูงสุด: 600px) 100vw, 600px">
ฟิล์มยืดหยุ่น
คุณสมบัติที่ระบุไว้ของกราฟีนเปิดโลกทัศน์ที่กว้างสำหรับผู้ผลิต และทำให้พวกเขามุ่งความสนใจไปที่การใช้งานในด้านที่มีแนวโน้มดังต่อไปนี้:
- ในด้านทางเลือกของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนส่วนประกอบซิลิกอน
- ในอุตสาหกรรมเคมีชั้นนำ
- เมื่อออกแบบ ผลิตภัณฑ์ที่เป็นเอกลักษณ์(เช่น ตัวอย่างเช่น วัสดุคอมโพสิตและเมมเบรนกราฟีน)
- ในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (ในฐานะตัวนำ "ในอุดมคติ")
นอกจากนี้ สารประกอบนี้สามารถผลิตแคโทดเย็น แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ตลอดจนอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าพิเศษ และการเคลือบฟิล์มโปร่งใสได้ คุณสมบัติเฉพาะของวัสดุนาโนนี้มอบให้ด้วย หุ้นขนาดใหญ่โอกาสในการใช้ในการพัฒนาที่มีแนวโน้ม
ข้อดีและข้อเสีย
ข้อดีของผลิตภัณฑ์ที่ใช้กราฟีน:
- การนำไฟฟ้าในระดับสูงเทียบได้กับทองแดงธรรมดา
- ความบริสุทธิ์ทางแสงที่เกือบจะสมบูรณ์แบบด้วยการดูดซับช่วงแสงที่มองเห็นได้ไม่เกินสองเปอร์เซ็นต์ ดังนั้นจากภายนอกจึงดูแทบไม่มีสีและมองไม่เห็นสำหรับผู้สังเกต
- ความแข็งแรงทางกลที่เหนือกว่าเพชร
- ความยืดหยุ่นในแง่ของกราฟีนชั้นเดียวที่เหนือกว่ายางยืดหยุ่น คุณภาพนี้ช่วยให้คุณเปลี่ยนรูปร่างของฟิล์มได้อย่างง่ายดายและยืดออกหากจำเป็น
- ความต้านทานต่ออิทธิพลทางกลภายนอก
- การนำความร้อนที่ไม่มีใครเทียบได้ซึ่งสูงกว่าทองแดงหลายสิบเท่า
Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/6-oblasti-primenenija-600x450.jpg?.jpg 600w, https:// elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/6-oblasti-primenenija-768x576..jpg 960w" ขนาด="(ความกว้างสูงสุด: 600px) 100vw, 600px">
พื้นที่ใช้งาน
ข้อเสียของสารประกอบคาร์บอนพิเศษนี้ได้แก่:
- ไม่สามารถได้รับปริมาณที่เพียงพอสำหรับการผลิตภาคอุตสาหกรรมตลอดจนบรรลุปริมาณที่ต้องการเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพสูง คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี. ในทางปฏิบัติ เป็นไปได้ที่จะได้เพียงเศษกราฟีนที่เป็นแผ่นขนาดเล็กเท่านั้น
- ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตทางอุตสาหกรรมมักมีลักษณะด้อยกว่าตัวอย่างที่ได้รับในห้องปฏิบัติการวิจัย ไม่สามารถทำได้โดยใช้เทคโนโลยีอุตสาหกรรมทั่วไป
- ต้นทุนที่ไม่ใช่ค่าแรงสูง ซึ่งจำกัดความเป็นไปได้ในการผลิตและการใช้งานจริงอย่างมาก
แม้จะมีความยากลำบากเหล่านี้ แต่นักวิจัยก็ไม่ละทิ้งความพยายามในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่สำหรับการผลิตกราฟีน
โดยสรุปควรระบุด้วยว่าโอกาสสำหรับวัสดุนี้ยอดเยี่ยมมากเนื่องจากสามารถใช้ในการผลิตอุปกรณ์ที่ทันสมัยบางเฉียบและยืดหยุ่นได้ นอกจากนี้ บนพื้นฐานของมันเป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์ทางการแพทย์และยาที่ทันสมัย ซึ่งสามารถต่อสู้กับโรคมะเร็งและโรคเนื้องอกอื่น ๆ ทั่วไปได้
วีดีโอ
กระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์แห่งยูเครน
มหาวิทยาลัยแห่งรัฐสอนสลาฟ
ภาควิชาฟิสิกส์
งานหลักสูตร
ในหัวข้อ: กราฟีนและคุณสมบัติของมัน รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2010
ดำเนินการแล้ว
นักศึกษาชั้นปีที่ 3
คณะฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ กลุ่มที่ 3
ชเชอร์บินา อิ.ล.
ครู
Kostikov A.P.
สลาเวียนสค์ 2011
1. ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ
2. ใบเสร็จรับเงิน
3. ข้อบกพร่อง
4. แอปพลิเคชันที่เป็นไปได้
5.1 ทฤษฎี
5.1.1 โครงสร้างผลึก
5.1.2 โครงสร้างโซน
5.1.3 กฎการกระจายเชิงเส้น
5.1.4 มวลประสิทธิผล
5.1.5 Chirality และความขัดแย้งของไคลน์
5.2 การทดลอง
5.2.1 การนำไฟฟ้า
5.2.2 เอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์
6. ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ
วรรณกรรม
1. ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ
กราฟีนเป็นผลึกสองมิติที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนชั้นเดียวที่จัดเรียงอยู่ในโครงตาข่ายหกเหลี่ยม ของเขา การวิจัยเชิงทฤษฎีเริ่มต้นมานานก่อนที่จะได้รับตัวอย่างจริงของวัสดุ เนื่องจากกราฟีนสามารถใช้ในการประกอบผลึกกราไฟท์สามมิติได้
กราฟีนเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างทฤษฎีของคริสตัลนี้ กราไฟท์เป็นโลหะกึ่งโลหะ ดังที่แสดงไว้ในปี 1947 โดย P. วอลเลซ โครงสร้างแถบของกราฟีนยังขาดช่องว่างของแถบ และที่จุดสัมผัสของแถบเวเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้า สเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนและรูจะเป็นเส้นตรงในฐานะฟังก์ชันของเวกเตอร์คลื่น โฟตอนที่ไม่มีมวลและอนุภาคสัมพัทธภาพสูง เช่นเดียวกับนิวตริโน มีสเปกตรัมประเภทนี้ ดังนั้นพวกเขากล่าวว่ามวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอนและรูในกราฟีนใกล้กับจุดสัมผัสระหว่างแถบนั้นเป็นศูนย์ แต่ที่นี่เป็นที่น่าสังเกตว่า แม้ว่าโฟตอนและตัวพาที่ไม่มีมวลจะมีความคล้ายคลึงกัน แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญหลายประการในกราฟีนที่ทำให้ตัวพาในกราฟีนมีเอกลักษณ์เฉพาะในลักษณะทางกายภาพ กล่าวคือ อิเล็กตรอนและรูเป็นเฟอร์มิออนและมีประจุ ปัจจุบันมีความคล้ายคลึงกันสำหรับเฟอร์มิออนที่มีประจุไร้มวลเหล่านี้เป็นที่รู้จัก อนุภาคมูลฐานเลขที่
แม้จะมีคุณสมบัติเฉพาะดังกล่าว ข้อสรุปเหล่านี้ยังไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลองจนกระทั่งปี 2005 เนื่องจากไม่สามารถสร้างกราฟีนได้ นอกจากนี้ ได้รับการพิสูจน์ทางทฤษฎีก่อนหน้านี้แล้วว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะได้ฟิล์มสองมิติในอุดมคติฟรี เนื่องจากความไม่มั่นคงเกี่ยวกับการพับหรือการบิด ความผันผวนของความร้อนนำไปสู่การหลอมเหลวของผลึกสองมิติที่อุณหภูมิจำกัดใดๆ
ความสนใจในกราฟีนกลับมาปรากฏอีกครั้งหลังจากการค้นพบท่อนาโนคาร์บอน เนื่องจากทฤษฎีเริ่มแรกทั้งหมดมีพื้นฐานมาจากแบบจำลองง่ายๆ ของท่อนาโนที่เป็นทรงกระบอกที่กางออก ดังนั้นทฤษฎีของกราฟีนที่ใช้กับท่อนาโนจึงได้รับการพัฒนาอย่างดี
ความพยายามที่จะได้กราฟีนที่ติดอยู่กับวัสดุอื่นเริ่มต้นด้วยการทดลองโดยใช้ดินสอง่ายๆ และต่อด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเพื่อกำจัดชั้นกราไฟท์ด้วยกลไก แต่ก็ไม่ประสบผลสำเร็จ การใช้กราไฟท์ที่มีอะตอมแปลกปลอมฝังอยู่ (กราไฟท์แบบอินเทอร์คาเลชัน) ในพื้นที่ระหว่างระนาบ (ใช้เพื่อเพิ่มระยะห่างระหว่างชั้นที่อยู่ติดกันและการแยกออกจากกัน) ก็ไม่ได้นำไปสู่ผลลัพธ์เช่นกัน
ในปี 2004 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและอังกฤษตีพิมพ์ผลงานในวารสาร Science ซึ่งพวกเขารายงานเกี่ยวกับการผลิตกราฟีนบนพื้นผิวซิลิกอนที่ถูกออกซิไดซ์ ดังนั้น การรักษาเสถียรภาพของฟิล์มสองมิติจึงเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเชื่อมต่อกับชั้นบางของไดอิเล็กตริก SiO2 โดยการเปรียบเทียบกับฟิล์มบางที่ปลูกโดยใช้ MBE เป็นครั้งแรกที่มีการวัดค่าการนำไฟฟ้า เอฟเฟกต์ Shubnikov-de Haas และเอฟเฟกต์ Hall สำหรับตัวอย่างที่ประกอบด้วยฟิล์มคาร์บอนที่มีความหนาอะตอม
วิธีการขัดผิวนั้นค่อนข้างง่ายและยืดหยุ่น เนื่องจากช่วยให้คุณสามารถทำงานกับคริสตัลทุกชั้นได้ ซึ่งก็คือวัสดุที่ดูอ่อนแอ (เมื่อเทียบกับแรงในระนาบ) ที่เชื่อมต่อชั้นของคริสตัลสองมิติเข้าด้วยกัน ในงานต่อมา ผู้เขียนแสดงให้เห็นว่าสามารถใช้เพื่อรับผลึกสองมิติอื่น ๆ ได้: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox
2. ใบเสร็จรับเงิน
ชิ้นส่วนของกราฟีนได้มาจากการกระทำเชิงกลกับกราไฟท์กราไฟท์แบบไพโรไลติกที่มีทิศทางสูง ขั้นแรก ให้วางแกรไฟต์แผ่นแบนระหว่างเทปกาว (สก๊อตเทป) แล้วแยกซ้ำแล้วซ้ำอีก ทำให้เกิดชั้นที่ค่อนข้างบาง (ในบรรดาฟิล์มหลาย ๆ ตัว อาจเป็นฟิล์มชั้นเดียวและสองชั้นก็ได้ ซึ่งเป็นที่สนใจ) หลังจากการลอกออก เทปที่มีฟิล์มกราไฟท์บางๆ จะถูกกดลงบนพื้นผิวซิลิกอนที่ถูกออกซิไดซ์ ในขณะเดียวกันก็ยากที่จะได้ฟิล์มที่มีขนาดและรูปร่างที่แน่นอนในส่วนคงที่ของสารตั้งต้น (ขนาดฟิล์มในแนวนอนมักจะอยู่ที่ประมาณ 10 ไมครอน) ฟิล์มที่พบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ที่มีความหนาอิเล็กทริก 300 นาโนเมตร) เตรียมไว้สำหรับการวัด ความหนาสามารถกำหนดได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (สามารถเปลี่ยนแปลงได้ภายใน 1 นาโนเมตรสำหรับกราฟีน) หรือใช้การกระเจิงแบบรามัน รูปร่างของฟิล์มจะถูกกำหนดสำหรับการวัดทางไฟฟ้าโดยใช้การพิมพ์หินอิเล็กตรอนมาตรฐานและการกัดพลาสมาปฏิกิริยา
ชิ้นกราฟีนสามารถเตรียมได้จากกราไฟท์โดยใช้วิธีทางเคมี ประการแรก ไมโครคริสตัลของกราไฟต์สัมผัสกับส่วนผสมของกรดซัลฟิวริกและกรดไฮโดรคลอริก กราไฟต์ออกซิไดซ์และกลุ่มคาร์บอกซิลของกราฟีนปรากฏที่ขอบของตัวอย่าง พวกมันจะถูกแปลงเป็นคลอไรด์โดยใช้ไทโอนิลคลอไรด์ จากนั้น ภายใต้อิทธิพลของออคตาเดซิลามีนในสารละลายเตตระไฮโดรฟูราน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ และไดคลอโรอีเทน พวกมันจะเปลี่ยนเป็นชั้นกราฟีนที่มีความหนา 0.54 นาโนเมตร วิธีการทางเคมีนี้ไม่ใช่วิธีเดียว และด้วยการเปลี่ยนตัวทำละลายอินทรีย์และสารเคมี ทำให้ได้กราไฟท์เป็นชั้นนาโนเมตร
บทความอธิบายถึงวิธีการทางเคมีอีกวิธีหนึ่งในการผลิตกราฟีนที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์โพลีเมอร์ ควรกล่าวถึงอีกสองวิธี: การสะสมไอสารเคมีในพลาสมาความถี่วิทยุ (อังกฤษ พีอีซีวีดี) การเจริญเติบโตที่ ความดันโลหิตสูงและอุณหภูมิ HPHT) . จากวิธีการเหล่านี้ สามารถใช้วิธีสุดท้ายเท่านั้นเพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่
หากวางคริสตัลกราไฟท์แบบไพโรไลติกและสารตั้งต้นไว้ระหว่างอิเล็กโทรด ก็สามารถทำได้ว่าชิ้นส่วนของกราไฟท์จากพื้นผิวซึ่งอาจมีฟิล์มที่มีความหนาอะตอมสามารถเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าไปยังซิลิคอนออกซิไดซ์ วัสดุพิมพ์ เพื่อป้องกันการพัง (ใช้แรงดันไฟฟ้า 1 ถึง 13 kV ระหว่างอิเล็กโทรด) จึงวางแผ่นไมกาบาง ๆ ระหว่างอิเล็กโทรด
นอกจากนี้ยังมีรายงานหลายฉบับที่เกี่ยวข้องกับการผลิตกราฟีนที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ SiC (0001) ฟิล์มกราไฟท์เกิดขึ้นจากการสลายตัวด้วยความร้อนของพื้นผิวของสารตั้งต้น SiC (วิธีการผลิตกราฟีนนี้มีความใกล้เคียงกับการผลิตทางอุตสาหกรรมมากขึ้น) และคุณภาพของฟิล์มที่ปลูกขึ้นอยู่กับความเสถียรของคริสตัล: ค- มีเสถียรภาพหรือ ศรี- พื้นผิวมีความเสถียร - ในกรณีแรก คุณภาพของฟิล์มจะสูงขึ้น ในงานดังกล่าว นักวิจัยกลุ่มเดียวกันแสดงให้เห็นว่าแม้ว่าความหนาของชั้นกราไฟท์จะมีมากกว่าหนึ่งชั้นเดียว แต่มีเพียงชั้นเดียวในบริเวณใกล้เคียงกับสารตั้งต้นเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้า เนื่องจากประจุที่ไม่มีการชดเชยจะเกิดขึ้นที่ อินเทอร์เฟซ SiC-C เนื่องจากฟังก์ชั่นการทำงานของวัสดุทั้งสองแตกต่างกัน คุณสมบัติของฟิล์มดังกล่าวนั้นเทียบเท่ากับคุณสมบัติของกราฟีน
3. ข้อบกพร่อง
กราฟีนในอุดมคติประกอบด้วยเซลล์หกเหลี่ยมเท่านั้น การปรากฏตัวของเซลล์ห้าเหลี่ยมและเจ็ดเหลี่ยมจะทำให้เกิดข้อบกพร่องประเภทต่างๆ
การมีอยู่ของเซลล์ห้าเหลี่ยมนำไปสู่การพับของระนาบอะตอมให้เป็นกรวย โครงสร้างที่มีข้อบกพร่องดังกล่าว 12 รายการพร้อมกันเรียกว่าฟูลเลอรีน การมีอยู่ของเซลล์เจ็ดเหลี่ยมทำให้เกิดความโค้งรูปอานของระนาบอะตอม การรวมกันของข้อบกพร่องเหล่านี้และเซลล์ปกติสามารถนำไปสู่การก่อตัวของรูปร่างพื้นผิวต่างๆ
4. แอปพลิเคชันที่เป็นไปได้
เชื่อกันว่าสามารถสร้างทรานซิสเตอร์แบบ ballistic โดยใช้กราฟีนได้ ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2549 กลุ่มนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียประกาศว่าพวกเขาได้รับทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามแบบกราฟีน และอุปกรณ์รบกวนควอนตัม นักวิจัยเชื่อว่าต้องขอบคุณความสำเร็จของพวกเขาที่จะเกิดขึ้นในไม่ช้า ชั้นเรียนใหม่นาโนอิเล็กทรอนิกส์แบบกราฟีนที่มีความหนาของทรานซิสเตอร์พื้นฐานสูงถึง 10 นาโนเมตร ทรานซิสเตอร์นี้มีกระแสรั่วไหลมากนั่นคือไม่สามารถแยกสองสถานะด้วยช่องปิดและเปิดได้
ไม่สามารถใช้กราฟีนโดยตรงเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโดยไม่มีกระแสรั่วไหลเนื่องจากไม่มี bandgap ในวัสดุนี้เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุความต้านทานที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่แรงดันไฟฟ้าใด ๆ ที่ใช้กับประตูนั่นคือ ไม่สามารถตั้งค่าสถานะสองสถานะที่เหมาะสมสำหรับตรรกะไบนารี่ได้: กำลังดำเนินการและไม่ดำเนินการ ก่อนอื่นคุณต้องสร้างเขตต้องห้ามที่มีความกว้างเพียงพอที่ อุณหภูมิในการทำงาน(เพื่อให้พาหะที่ถูกกระตุ้นด้วยความร้อนมีส่วนช่วยในการนำไฟฟ้าเล็กน้อย) หนึ่งใน วิธีที่เป็นไปได้ที่นำเสนอในงาน บทความนี้เสนอให้สร้างกราฟีนแถบบางๆ ที่มีความกว้าง ซึ่งเนื่องจากเอฟเฟกต์ขนาดควอนตัม ช่องว่างของแถบความถี่จึงเพียงพอที่จะเปลี่ยนอุปกรณ์เป็นสถานะไดอิเล็กตริก (สถานะปิด) ที่อุณหภูมิห้อง (28 meV สอดคล้องกับความกว้างของแถบ 20 นาโนเมตร) เนื่องจากมีความคล่องตัวสูง (หมายถึงความคล่องตัวสูงกว่าซิลิคอนที่ใช้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์) 104 ซม. ² V−1 s−1 ประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ดังกล่าวจะสูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัด แม้ว่าอุปกรณ์นี้จะสามารถทำงานได้เป็นทรานซิสเตอร์อยู่แล้ว แต่ยังไม่ได้สร้างประตูสำหรับอุปกรณ์ดังกล่าว
แอปพลิเคชันอื่นที่เสนอในบทความนี้คือการใช้กราฟีนเป็นเซ็นเซอร์ที่มีความไวสูงในการตรวจจับโมเลกุลแต่ละตัว สารเคมี, ติดไว้กับพื้นผิวของฟิล์ม ในงานนี้ได้ทำการศึกษาสารต่างๆ เช่น NH3, CO, H2O, NO2 เซ็นเซอร์ขนาด 1 µm × 1 µm ถูกใช้เพื่อตรวจจับการเกาะติดของโมเลกุล NO2 แต่ละตัวกับกราฟีน หลักการทำงานของเซ็นเซอร์นี้คือ โมเลกุลต่างๆ สามารถทำหน้าที่เป็นผู้ให้และผู้รับได้ ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของกราฟีน งานนี้ตรวจสอบอิทธิพลของสิ่งเจือปนต่างๆ (ที่ใช้ในการทดลองที่ระบุไว้ข้างต้น) ในทางทฤษฎีต่อค่าการนำไฟฟ้าของกราฟีน งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าโมเลกุล NO2 เป็นตัวรับที่ดีเนื่องจากคุณสมบัติพาราแมกเนติกของมัน โมเลกุลอะเดียแมกเนติก N2O4 สร้างระดับที่ใกล้กับจุดอิเลคโตรนิวตราลิตี้ โดยทั่วไป สิ่งเจือปนที่โมเลกุลมีโมเมนต์แม่เหล็ก (อิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่) จะมีคุณสมบัติการเติมที่แรงกว่า
มันแข็งแกร่ง ยืดหยุ่น และมาถึงแล้ว: หลังจากนั้น เป็นเวลานานหลายปีการวิจัยและการทดลอง กราฟีนเข้ามาในชีวิตของเรา รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่เราใช้ทุกวัน กราฟีนจะเปลี่ยนโลกของสมาร์ทโฟน แบตเตอรี่ อุปกรณ์กีฬา ซุปเปอร์คาร์ และตัวนำยิ่งยวดในไม่ช้า คุณสมบัติของวัสดุนี้น่าทึ่งมากจนบางคนถึงกับเชื่อว่าเราได้กราฟีนจากเรือเอเลี่ยนที่เหลืออยู่บนโลกของเราก่อนที่มนุษยชาติจะถือกำเนิด
แน่นอนว่านี่คือจินตนาการ แต่ศักยภาพของกราฟีนไม่สามารถก่อให้เกิดทฤษฎีสมคบคิดดังกล่าวได้ เวลาผ่านไปกว่า 60 ปีแล้วนับตั้งแต่นักวิทยาศาสตร์และผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พยายามปลดล็อกพลังของวัสดุชนิดใหม่นี้เป็นครั้งแรกแต่กลับเป็นเช่นนั้น การใช้งานจริงได้กลายเป็นจริงแล้วเท่านั้น ข่าวเกี่ยวกับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในพื้นที่นี้ไม่หยุดนิ่ง และข้อมูลอื่น ๆ ในหัวข้อนี้เกิดขึ้นระหว่างนิทรรศการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ล่าสุด MWC 2018 ต่อไป เราจะพูดถึง 10 วิธีในการใช้กราฟีนที่จะเปลี่ยนชีวิตของคุณในอนาคตอันใกล้ .
เสื้อผ้าปกติช่วยปกป้องเราจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่เป็นอันตราย แต่มักจะไม่เพียงพอ โดยเฉพาะในประเทศที่ร้อนและมีแดดจ้า ปัญหาจะได้รับการแก้ไขด้วยความช่วยเหลือของเครื่องสแกนยูวีขนาดเล็กที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งสามารถติดเข้ากับผิวหนังได้เหมือนแผ่นแปะทั่วไปหรือติดไว้ในเสื้อผ้า เมื่อเครื่องสแกนตรวจพบว่าคุณอยู่ใต้เส้นตรงนานเกินไป แสงอาทิตย์โดยจะส่งการแจ้งเตือนที่เกี่ยวข้องไปยังสมาร์ทโฟนของคุณเพื่อเตือนคุณถึงอันตราย
ผู้ผลิตรองเท้าและอุปกรณ์กีฬาต่างวางเดิมพันครั้งใหญ่กับกราฟีน วันนี้มีถุงเท้าและพื้นรองเท้าที่ตรวจจับแรงกดในบริเวณเฉพาะของพื้นรองเท้าอยู่แล้ว แต่ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวส่วนใหญ่มีเซ็นเซอร์เพียงไม่กี่ตัว ซึ่งกราฟีนช่วยให้คุณวางเซ็นเซอร์ได้มากกว่า 100 ตัวซึ่งจะไม่ส่งผลต่อน้ำหนักของรองเท้า ปัจจุบันต้นแบบแผ่นรองรองเท้าแบบไฮเทคมีอยู่แล้วโดยทำจากโฟมชนิดพิเศษและวัดแรงกดด้วยความแม่นยำระดับมิลลิกรัม
Graphene cryo-cooler สำหรับสถานีฐานทำความเย็น 5ช
โมดูลการสื่อสารไร้สายทั้งหมดต้องการการระบายความร้อนมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อปริมาณข้อมูลที่ส่งเพิ่มขึ้น มิฉะนั้นอุปกรณ์จะร้อนเกินไป จึงเพิ่มขึ้นหลายเท่า แบนด์วิธในเครือข่าย 5G ที่กำลังจะมาถึง ปั๊มทำความเย็นขนาดกะทัดรัดได้รับการพัฒนาในประเทศสวีเดน โดยสามารถลดอุณหภูมิของสถานีฐานลงได้ถึง -150 องศา โดยคงสัญญาณที่เสถียร
แม้ว่ากราฟีนจะได้รับครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ แต่การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุนี้ยังดำเนินไปทั่วโลก และ จำนวนมากที่สุดสิทธิบัตรการใช้กราฟีนเป็นของจีน ไม่น่าแปลกใจเลยที่ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รายใหญ่ที่สุดของประเทศได้กลายเป็นหนึ่งในแบรนด์แรกๆ ที่รวมกราฟีนไว้ในผลิตภัณฑ์ของตน ดังนั้น Xiaomi Mi Pro HD จึงเป็นหูฟังที่มีไดอะแฟรมกราฟีนซึ่งช่วยให้คุณส่งเสียงที่ดังขึ้น ชัดเจนยิ่งขึ้น และสมบูรณ์ยิ่งขึ้น Xiaomi ยังมีเข็มขัดบำบัด PMA A10 ที่ทำจากผ้าเคลือบกราฟีน
ในอิตาลี นักวิทยาศาสตร์กำลังพัฒนาแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้กราฟีนและคริสตัลอินทรีย์ เทคโนโลยีนี้ทำให้สามารถขยายเซลล์แสงอาทิตย์ให้ใหญ่ขึ้นได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บพลังงานและลดต้นทุนการผลิตถึง 4 เท่า
เครื่องบินกราฟีน
ในการบิน น้ำหนักคือทุกสิ่ง ส่วนราคาตั๋วเครื่องบินขึ้นอยู่กับน้ำหนักโดยตรง นี่คือเหตุผลที่ Richard Branson (และคนอื่นๆ น้อยกว่านั้น) คนดัง) ทำนายการเปลี่ยนแปลงโดยสมบูรณ์ของสายการบินเชิงพาณิชย์ไปสู่กราฟีนที่เบากว่าและแข็งแกร่งกว่ามากภายในทศวรรษหน้า และนี่ไม่ใช่แค่คำพูดเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แอร์บัสมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในด้านนี้มาหลายปีแล้ว
เคสสมาร์ทโฟน
เคสที่มีแบตเตอรี่ในตัวไม่เคยหยั่งรากลึกในตลาด และปัญหาการคายประจุแบตเตอรี่มือถืออย่างรวดเร็วก็ยังไม่หมดไป เคสที่มีแผงด้านหลังแบบกราฟีนจะทำให้สมาร์ทโฟนของคุณเย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์มือถือของคุณสูงสุดถึง 20%
e-reader ที่บางเฉียบ
ที่งาน MWC 2017 FlexEnable สาธิตเมทริกซ์พิกเซลแบบเต็มสีที่ใช้กราฟีนสำหรับจอแสดงผลแบบประหยัดพลังงานและหมึกอิเล็กทรอนิกส์ หน้าจอดังกล่าวจะเป็นความหนาของกระดาษธรรมดา นอกจากนี้ เมทริกซ์เหล่านี้จะมีความยืดหยุ่น โดยไม่จำเป็นต้องใช้กระจกป้องกันหนา
กราฟีนเปิดโอกาสในวงกว้างสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ความจริงก็คือยานพาหนะที่ทำจากกราฟีนมีน้ำหนักน้อยกว่าและมีความแข็งแกร่งของตัวถังมากกว่า ซึ่งช่วยให้เร่งความเร็วได้เร็วขึ้นและกินไฟฟ้าน้อยลงอย่างมาก
การชาร์จที่รวดเร็วเป็นพิเศษ
จะเป็นอย่างไรหากคุณสามารถชาร์จสมาร์ทโฟนของคุณให้เต็ม 100% ได้ใน 5 นาที? นั่นคือระยะเวลาที่ชาร์จจาก Zap & Go ใช้เวลานาน และถึงแม้ว่าต้นแบบการทดสอบจะมีความจุเพียง 750 mAh แต่ผลลัพธ์นี้ก็น่าประทับใจ และปีหน้าวิศวกรของบริษัทสัญญาว่าจะลดตัวเลขนี้ลงเหลือ 15-20 วินาที ในขณะเดียวกัน Huawei ได้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมที่สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 60 ° C ซึ่งสูงกว่าแบตเตอรี่มาตรฐานถึง 10 องศา ซึ่งต้องขอบคุณการใช้กราฟีน ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้เกือบ 2 เท่า
จากบรรณาธิการ: เมื่อสัมผัสกับหัวข้อความทันสมัยของเศรษฐกิจรัสเซียและการพัฒนาเทคโนโลยีชั้นสูงในประเทศของเรา เราได้กำหนดภารกิจไม่เพียง แต่จะดึงดูดความสนใจของผู้อ่านถึงข้อบกพร่องเท่านั้น แต่ยังรวมถึงพูดคุยเกี่ยวกับตัวอย่างเชิงบวกด้วย นอกจากนี้ยังมีจำนวนไม่น้อย สัปดาห์ที่แล้วเราพูดคุยเกี่ยวกับการพัฒนาในรัสเซีย เซลล์เชื้อเพลิงและวันนี้เราจะมาพูดถึงกราฟีนเพื่อศึกษาคุณสมบัติที่ “คนเก่าของเรา” เพิ่งได้รับรางวัลโนเบล ปรากฎว่าในรัสเซียหรืออย่างแม่นยำในโนโวซีบีร์สค์พวกเขากำลังทำงานกับเนื้อหานี้อย่างจริงจัง
ซิลิคอนซึ่งเป็นพื้นฐานของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ได้รับตำแหน่งอย่างมั่นคงในพื้นที่เทคโนโลยีขั้นสูงและสิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ ประการแรก มันค่อนข้างง่ายที่จะบอกคุณสมบัติที่ต้องการให้กับซิลิคอน ประการที่สอง วิทยาศาสตร์เป็นที่รู้จักมาเป็นเวลานานและได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง เหตุผลที่สามก็คือ มีการลงทุนในเทคโนโลยีซิลิคอนจำนวนมหาศาลอย่างแท้จริง และตอนนี้ก็เดิมพันอยู่ วัสดุใหม่บางทีน้อยคนนักที่จะกล้า ท้ายที่สุดแล้ว สิ่งนี้จะต้องสร้างภาคอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ขึ้นใหม่ หรือค่อนข้างสร้างมันขึ้นมาเกือบจะตั้งแต่เริ่มต้น
อย่างไรก็ตาม ยังมีคู่แข่งรายอื่นในการเป็นผู้นำในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น กราฟีน ซึ่งกลายเป็นแฟชั่นอย่างมากหลังจากได้รับรางวัลโนเบลจากการศึกษาคุณสมบัติของมัน มีเหตุผลมากมายที่จะเปลี่ยนจากซิลิคอน เนื่องจากกราฟีนมีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการ แต่สุดท้ายแล้วเราจะได้รับ "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนกราฟีน" หรือไม่นั้นยังไม่เป็นที่แน่ชัด เพราะนอกจากข้อดีแล้วก็ยังมีข้อเสียด้วย
เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับโอกาสของกราฟีนในไมโครอิเล็กทรอนิกส์และของมัน คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์เราพบกันที่โนโวซีบีสค์กับหัวหน้านักวิจัยของสถาบันเคมีอนินทรีย์ซึ่งตั้งชื่อตาม A.V. Nikolaev SB RAS วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์เคมี ศาสตราจารย์ Vladimir Fedorov
อัลลา อาร์ชิโนวา: Vladimir Efimovich ตำแหน่งปัจจุบันของซิลิคอนในไมโครอิเล็กทรอนิกส์คืออะไร?
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: ซิลิคอนถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมมาเป็นเวลานานมากในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลัก ความจริงก็คือว่ามันเจือได้ง่ายนั่นคือสามารถเพิ่มอะตอมขององค์ประกอบต่าง ๆ ลงไปได้ซึ่งเปลี่ยนทางกายภาพและ คุณสมบัติทางเคมี. การดัดแปลงซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงนี้ทำให้ได้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n หรือ p ดังนั้นการเติมทิศทางของซิลิคอนจะควบคุมคุณสมบัติการทำงานของวัสดุที่มีความสำคัญสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์
ซิลิคอนเป็นวัสดุที่มีเอกลักษณ์อย่างแท้จริง และนี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงทุ่มความพยายาม เงิน และทรัพยากรทางปัญญามากมายไปกับมัน คุณสมบัติพื้นฐานซิลิคอนได้รับการศึกษาอย่างละเอียดจนมีความเชื่ออย่างกว้างขวางว่าไม่สามารถทดแทนได้ อย่างไรก็ตาม การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับกราฟีนได้ให้แสงสีเขียวเป็นอีกมุมมองหนึ่ง นั่นคือ วัสดุใหม่สามารถพัฒนาได้จนถึงจุดที่สามารถทดแทนซิลิคอนได้
โครงสร้างผลึกของซิลิคอน
การอภิปรายดังกล่าวเกิดขึ้นเป็นระยะ ๆ ในทางวิทยาศาสตร์ และตามกฎแล้วจะได้รับการแก้ไขหลังจากการวิจัยอย่างจริงจังเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีสถานการณ์คล้ายกันกับตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง ในปี 1986 Bednorz และ Müller ค้นพบความเป็นตัวนำยิ่งยวดในแบเรียม-แลนทานัม-ทองแดงออกไซด์ (สำหรับการค้นพบนี้ พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1987 - หนึ่งปีหลังจากการค้นพบ!) ซึ่งตรวจพบที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าอย่างมีนัยสำคัญ ลักษณะเฉพาะของเวลาที่ทราบก่อนหน้านี้ของวัสดุตัวนำยิ่งยวด นอกจากนี้ โครงสร้างของสารประกอบตัวนำยิ่งยวดแบบคัพเรตยังแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นการศึกษาระบบที่เกี่ยวข้องอย่างถล่มทลายทำให้เกิดการผลิตวัสดุที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด 90 K และสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าแทนที่จะใช้ฮีเลียมเหลวที่มีราคาแพงและไม่แน่นอน ไนโตรเจนเหลวสามารถใช้เป็นสารหล่อเย็นได้ - มีจำนวนมากอยู่ในรูปก๊าซในธรรมชาติและยิ่งไปกว่านั้นยังมีราคาถูกกว่าฮีเลียมอย่างมาก
แต่น่าเสียดายที่ความอิ่มเอมใจนี้หายไปในไม่ช้าหลังจากการวิจัยอย่างรอบคอบเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงตัวใหม่ วัสดุโพลีคริสตัลไลน์เหล่านี้ เช่นเดียวกับออกไซด์เชิงซ้อนอื่นๆ ก็เหมือนกับเซรามิก: พวกมันเปราะและไม่เหนียว ปรากฎว่าภายในตัวนำยิ่งยวดของคริสตัลแต่ละตัวมีพารามิเตอร์ที่ดี แต่ในตัวอย่างขนาดกะทัดรัดกระแสวิกฤติค่อนข้างต่ำซึ่งเกิดจากการสัมผัสที่อ่อนแอระหว่างเม็ดของวัสดุ จุดเชื่อมต่อโจเซฟสันที่อ่อนแอระหว่างเม็ดตัวนำยิ่งยวดไม่อนุญาตให้มีการผลิตวัสดุ (เช่น ลวด) ที่มีลักษณะเป็นตัวนำยิ่งยวดสูง
แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอน
สถานการณ์เดียวกันนี้สามารถเกิดขึ้นได้กับกราฟีน ปัจจุบันพบคุณสมบัติที่น่าสนใจมาก แต่ยังต้องมีการวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อตอบคำถามเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการผลิตวัสดุนี้ในระดับอุตสาหกรรมและใช้ในนาโนอิเล็กทรอนิกส์
อัลลา อาร์ชิโนวา: โปรดอธิบายว่ากราฟีนคืออะไร และแตกต่างจากกราไฟท์อย่างไร
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: กราฟีนเป็นชั้นอะตอมเดี่ยวที่เกิดจากอะตอมของคาร์บอน ซึ่งมีโครงตาข่ายรูปรังผึ้งเช่นเดียวกับกราไฟท์ และกราไฟท์ก็คือชั้นกราฟีนที่ซ้อนกันทับกัน ชั้นของกราฟีนในกราไฟท์เชื่อมต่อกันด้วยพันธะ van der Waals ที่อ่อนแอมาก ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมในที่สุดจึงเป็นไปได้ที่จะแยกพวกมันออกจากกัน เมื่อเราเขียนด้วยดินสอ นี่คือตัวอย่างการเอาชั้นกราไฟท์ออก จริงอยู่ ร่องรอยของดินสอที่เหลืออยู่บนกระดาษยังไม่ใช่กราฟีน แต่เป็นโครงสร้างหลายชั้นของกราฟีน
ตอนนี้เด็กทุกคนสามารถอ้างได้อย่างจริงจังว่าเขาไม่ได้เป็นเพียงการถ่ายโอนกระดาษ แต่ยังสร้างโครงสร้างหลายชั้นกราฟีนที่ซับซ้อน
แต่ถ้าเป็นไปได้ที่จะแยกโครงสร้างดังกล่าวออกเป็นชั้นเดียว ก็จะได้กราฟีนที่แท้จริง การแยกที่คล้ายกันนี้ดำเนินการโดย Geim และ Novoselov ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ พวกเขาสามารถแยกกราไฟท์ได้โดยใช้เทป และหลังจากศึกษาคุณสมบัติของ "ชั้นกราไฟท์" นี้ ปรากฎว่ามีพารามิเตอร์ที่ดีมากสำหรับใช้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัติที่โดดเด่นประการหนึ่งของกราฟีนคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระดับสูง พวกเขากล่าวว่ากราฟีนจะกลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ และอุปกรณ์อื่นๆ ทำไม เพราะในบริเวณนี้ มีแนวโน้มเพื่อเร่งกระบวนการประมวลผลข้อมูลให้เร็วขึ้น ขั้นตอนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความเร็วสัญญาณนาฬิกา ยิ่งความถี่ในการทำงานสูงเท่าใด ก็สามารถประมวลผลการดำเนินการต่อหน่วยเวลาได้มากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นความเร็วของตัวพาประจุจึงมีความสำคัญมาก ปรากฎว่าตัวพาประจุในกราฟีนมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคเชิงสัมพัทธภาพซึ่งมีมวลประสิทธิผลเป็นศูนย์ คุณสมบัติของกราฟีนเหล่านี้ให้ความหวังอย่างยิ่งว่าจะสามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ที่ความถี่เทราเฮิร์ตซ์ ซึ่งซิลิคอนไม่สามารถเข้าถึงได้ นี่เป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดของวัสดุ
Andre Geim และ Konstantin Novoselov ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2010
ฟิล์มยืดหยุ่นและโปร่งใสสามารถหาได้จากกราฟีน ซึ่งน่าสนใจมากสำหรับการใช้งานหลายประเภท ข้อดีอีกประการหนึ่งคือมันเป็นวัสดุที่เรียบง่ายและเบามาก เบากว่าซิลิคอน นอกจากนี้ ยังมีคาร์บอนในธรรมชาติอยู่มากมาย ดังนั้นหากพวกเขาพบวิธีใช้วัสดุนี้ในเทคโนโลยีชั้นสูงจริงๆ มันก็จะมีแน่นอน โอกาสที่ดีและอาจเข้ามาแทนที่ซิลิคอนในที่สุด
แต่มีปัญหาพื้นฐานประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์ของตัวนำขนาดต่ำ ดังที่ทราบกันดีว่า ของแข็งจะถูกแบ่งออกเป็นต่างๆ ระบบอวกาศ; ตัวอย่างเช่น ระบบ 3 มิติ (สามมิติ) รวมถึงผลึกเชิงปริมาตร ระบบสองมิติ (2D) แสดงด้วยคริสตัลหลายชั้น และโครงสร้างลูกโซ่อยู่ในระบบหนึ่งมิติ (1D) ดังนั้น มิติต่ำ - โครงสร้างลูกโซ่ 1D และ 2D ที่มีคุณสมบัติเป็นโลหะจึงไม่เสถียรจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ เมื่ออุณหภูมิลดลง พวกมันมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นระบบที่สูญเสียคุณสมบัติทางโลหะไป สิ่งเหล่านี้เรียกว่าการเปลี่ยนผ่านของโลหะ - อิเล็กทริก วัสดุกราฟีนจะมีเสถียรภาพเพียงใดในอุปกรณ์บางชนิดยังคงต้องรอดูต่อไป แน่นอนว่ากราฟีนมีความน่าสนใจทั้งจากมุมมองของคุณสมบัติทางไฟฟ้าฟิสิกส์และทางกล เชื่อกันว่าชั้นเสาหินของกราฟีนมีความแข็งแรงมาก
อัลลา อาร์ชิโนวา: แข็งแกร่งกว่าเพชร?
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: เพชรมีพันธะสามมิติและมีกลไกที่แข็งแกร่งมาก ในกราไฟท์ พันธะระหว่างอะตอมในระนาบจะเท่ากัน หรืออาจจะแข็งแกร่งกว่าด้วยซ้ำ ความจริงก็คือจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ เพชรควรเปลี่ยนเป็นกราไฟท์ เนื่องจากกราไฟท์มีความเสถียรมากกว่าเพชร แต่ในทางเคมีมีปัจจัยสำคัญสองประการที่ควบคุมกระบวนการเปลี่ยนรูป: ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของเฟสและจลนศาสตร์ของกระบวนการนั่นคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของเฟสหนึ่งไปสู่อีกเฟสหนึ่ง ดังนั้น เพชรจึงวางอยู่ในพิพิธภัณฑ์ต่างๆ ทั่วโลกมานานหลายศตวรรษ และไม่ต้องการเปลี่ยนเป็นกราไฟท์ แม้ว่าควรทำก็ตาม บางทีในอีกหลายล้านปีพวกมันจะยังคงกลายเป็นกราไฟท์แม้ว่าจะน่าเสียดายก็ตาม กระบวนการเปลี่ยนเพชรเป็นกราไฟท์ที่อุณหภูมิห้องเกิดขึ้นในอัตราที่ช้ามาก แต่ถ้าคุณให้ความร้อนแก่เพชรที่อุณหภูมิสูง ก็จะเอาชนะกำแพงจลนศาสตร์ได้ง่ายกว่า และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นอย่างแน่นอน
กราไฟท์ในรูปแบบดั้งเดิม
อัลลา อาร์ชิโนวา: เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่ากราไฟท์สามารถแบ่งออกเป็นเกล็ดบางๆ ได้ ความสำเร็จตอนนั้นคืออะไร? ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในวิชาฟิสิกส์ปี 2010?
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: คุณคงรู้จักตัวละครเช่น Petrik หลังจากมอบรางวัลโนเบลให้กับ Andrei Geim และ Konstantin Novoselov แล้ว เขาระบุว่ารางวัลโนเบลถูกขโมยไปจากเขา Geim กล่าวว่าแท้จริงแล้ว วัสดุดังกล่าวเป็นที่รู้จักมาเป็นเวลานานมากแล้ว แต่ได้รับรางวัลจากการศึกษาคุณสมบัติของกราฟีน ไม่ใช่การค้นพบวิธีการผลิตกราฟีนเช่นนี้ ความจริงแล้ว ข้อดีของพวกเขาก็คือสามารถแยกชั้นกราฟีนคุณภาพดีมากออกจากกราไฟท์ที่มีทิศทางสูง และศึกษาคุณสมบัติของพวกมันโดยละเอียดได้ คุณภาพของกราฟีนมีความสำคัญมาก เช่นเดียวกับในเทคโนโลยีซิลิคอน เมื่อพวกเขาเรียนรู้ที่จะได้ซิลิคอนอย่างมาก ระดับสูงความบริสุทธิ์แล้วอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้มันเท่านั้นจึงจะเป็นไปได้ สถานการณ์ก็เช่นเดียวกันกับกราฟีน Geim และ Novoselov นำกราไฟท์บริสุทธิ์ที่มีชั้นที่สมบูรณ์แบบมาแยกออกเป็นชั้นหนึ่งและศึกษาคุณสมบัติของมัน พวกเขาเป็นคนแรกที่พิสูจน์ว่าวัสดุนี้มีคุณสมบัติพิเศษมากมาย
อัลลา อาร์ชิโนวา: ในการเชื่อมต่อกับการมอบรางวัลโนเบลให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่มีรากฐานมาจากรัสเซียที่ทำงานในต่างประเทศ เพื่อนร่วมชาติของเราซึ่งห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ กำลังสงสัยว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะบรรลุผลเช่นเดียวกันที่นี่ในรัสเซีย
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: อาจเป็นไปได้ พวกเขาจากไปในเวลาที่เหมาะสม บทความแรกของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ได้รับการเขียนร่วมกับนักวิทยาศาสตร์หลายคนจากเชอร์โนโกลอฟกา เห็นได้ชัดว่านักวิจัยชาวรัสเซียของเราก็ทำงานไปในทิศทางนี้เช่นกัน แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำมันให้สำเร็จอย่างน่าเชื่อ มันน่าเสียดาย บางทีเหตุผลหนึ่งอาจมีมากกว่านั้น เงื่อนไขที่ดีเพื่อทำงานในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ต่างประเทศ ฉันเพิ่งมาจากเกาหลีและสามารถเปรียบเทียบสภาพการทำงานที่ได้รับที่นั่นกับการทำงานที่บ้านได้ ดังนั้นฉันจึงไม่ได้หมกมุ่นอยู่กับสิ่งใดเลย แต่ที่บ้านฉันเต็มไปด้วยงานประจำที่กินเวลามากและทำให้ฉันเสียสมาธิจากสิ่งสำคัญอยู่ตลอดเวลา ฉันได้รับทุกสิ่งที่ฉันต้องการ และสิ่งนี้เสร็จสิ้นด้วยความเร็วที่น่าทึ่ง ตัวอย่างเช่น ถ้าฉันต้องการรีเอเจนต์บางชนิด ฉันจะเขียนบันทึกและพวกเขาจะนำมาให้ฉันในวันรุ่งขึ้น ฉันสงสัยว่าผู้ได้รับรางวัลโนเบลก็เช่นกัน เงื่อนไขที่ดีสำหรับการทำงาน. พวกเขามีความพากเพียรเพียงพอ: พวกเขาพยายามหลายครั้งเพื่อให้ได้วัสดุที่ดีและในที่สุดก็ประสบความสำเร็จ พวกเขาใช้เวลาจริงๆ จำนวนมากเวลาและความพยายามในการนี้และได้รับรางวัลในแง่นี้สมควรได้รับ
อัลลา อาร์ชิโนวา: อะไรคือข้อดีของกราฟีนเมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน?
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: ประการแรก เราได้กล่าวไปแล้วว่ามันมีความคล่องตัวสูงของตัวพา ดังที่นักฟิสิกส์กล่าวว่า ตัวพาประจุไม่มีมวล มวลจะทำให้การเคลื่อนไหวช้าลงเสมอ และในกราฟีน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในลักษณะที่ถือว่าไม่มีมวล คุณสมบัตินี้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว: หากมีวัสดุและอนุภาคอื่นที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันก็จะพบได้ยากมาก นี่คือสิ่งที่กราฟีนพบว่าดีสำหรับ และนี่คือเหตุผลว่าทำไมกราฟีนจึงเปรียบเทียบได้ดีกับซิลิคอน
ประการที่สอง กราฟีนมีค่าการนำความร้อนสูง และสิ่งนี้สำคัญมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มันเบามากและแผ่นกราฟีนก็โปร่งใสและยืดหยุ่นและสามารถม้วนขึ้นได้ กราฟีนอาจมีราคาถูกมากหากมีการพัฒนาวิธีการผลิตที่เหมาะสมที่สุด ท้ายที่สุดแล้ว "วิธีสก๊อตเทป" ที่ Game และ Novoselov แสดงให้เห็นนั้นไม่ใช่อุตสาหกรรม วิธีนี้จะสร้างตัวอย่างคุณภาพสูงจริงๆ แต่ในปริมาณที่น้อยมากสำหรับการวิจัยเท่านั้น
และตอนนี้นักเคมีกำลังพัฒนาวิธีอื่นในการผลิตกราฟีน ท้ายที่สุดแล้ว คุณจะต้องมีชีตขนาดใหญ่เพื่อดำเนินการผลิตกราฟีน เรายังจัดการกับปัญหาเหล่านี้ที่สถาบันเคมีอนินทรีย์อีกด้วย หากพวกเขาเรียนรู้ที่จะสังเคราะห์กราฟีนโดยใช้วิธีการที่จะทำให้ได้วัสดุคุณภาพสูงมา ระดับอุตสาหกรรมจากนั้นก็มีความหวังว่ามันจะปฏิวัติไมโครอิเล็กทรอนิกส์
อัลลา อาร์ชิโนวา: ดังที่ทุกคนคงรู้อยู่แล้วจากสื่อว่า โครงสร้างหลายชั้นของกราฟีนสามารถหาได้โดยใช้ดินสอและเทปกาว เทคโนโลยีในการผลิตกราฟีนที่ใช้ในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์คืออะไร?
วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: มีหลายวิธี หนึ่งในนั้นเป็นที่รู้จักกันมานานมากโดยมีพื้นฐานมาจากการใช้กราไฟท์ออกไซด์ หลักการของมันค่อนข้างง่าย กราไฟท์ถูกวางไว้ในสารละลายของสารออกซิไดซ์สูง (เช่น ซัลฟิวริก, กรดไนตริก ฯลฯ ) และเมื่อถูกความร้อนจะเริ่มทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์ ในกรณีนี้ กราไฟท์จะถูกแบ่งออกเป็นหลายแผ่นหรือแม้แต่ชั้นเดียว แต่ผลลัพธ์ที่เป็นชั้นเดียวไม่ใช่กราฟีน แต่เป็นกราฟีนที่ถูกออกซิไดซ์ ซึ่งประกอบด้วยหมู่ออกซิเจน ไฮดรอกซิล และคาร์บอกซิล ตอนนี้ภารกิจหลักคือการคืนค่าเลเยอร์เหล่านี้ให้เป็นกราฟีน เนื่องจากออกซิเดชันทำให้เกิดอนุภาคขนาดเล็ก จึงต้องติดกาวเข้าด้วยกันด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งเพื่อให้ได้หินใหญ่ก้อนเดียว ความพยายามของนักเคมีมุ่งเป้าไปที่การทำความเข้าใจว่าสามารถสร้างแผ่นกราฟีนจากกราไฟท์ออกไซด์ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการผลิตที่เป็นที่รู้จักได้อย่างไร
มีอีกวิธีหนึ่งซึ่งค่อนข้างดั้งเดิมและรู้จักกันมาเป็นเวลานาน - นี่คือการสะสมไอสารเคมีโดยมีส่วนร่วมของสารประกอบก๊าซ สาระสำคัญของมันมีดังนี้ ขั้นแรก สารที่ทำปฏิกิริยาจะถูกระเหิดไปในสถานะแก๊ส จากนั้นจึงถูกส่งผ่านความร้อน อุณหภูมิสูงวัสดุพิมพ์ที่มีการฝากชั้นที่ต้องการ เมื่อเลือกรีเอเจนต์เริ่มต้น เช่น มีเทน ก็สามารถสลายตัวในลักษณะที่ไฮโดรเจนถูกแยกออกและคาร์บอนยังคงอยู่บนซับสเตรต แต่กระบวนการเหล่านี้ควบคุมได้ยาก และยากที่จะได้ชั้นในอุดมคติ
กราฟีนเป็นหนึ่งในการปรับเปลี่ยนคาร์บอนแบบ allotropic
มีอีกวิธีหนึ่งที่ตอนนี้เริ่มมีการใช้อย่างแข็งขัน - วิธีการใช้สารประกอบแบบอินเทอร์คาเลต ในกราไฟท์ เช่นเดียวกับสารประกอบชั้นอื่นๆ โมเลกุลของสารต่างๆ ที่เรียกว่า "โมเลกุลแขก" สามารถวางระหว่างชั้นต่างๆ ได้ กราไฟท์เป็นเมทริกซ์ของ "โฮสต์" ซึ่งเราจัดหาให้กับ "แขก" เมื่อแขกสอดเข้าไปในโครงตาข่ายของเจ้าบ้าน ชั้นต่างๆ จะแยกออกจากกันตามธรรมชาติ นี่คือสิ่งที่จำเป็นจริงๆ: กระบวนการอินเทอร์คาเลชันจะสลายกราไฟต์ สารประกอบอินเทอร์คาเลทมีมาก รุ่นก่อนที่ดีเพื่อให้ได้กราฟีน คุณเพียงแค่ต้องเอา "แขก" ออกจากที่นั่น และป้องกันไม่ให้ชั้นยุบตัวเป็นกราไฟท์อีกครั้ง ขั้นตอนสำคัญในเทคโนโลยีนี้คือกระบวนการได้รับการกระจายตัวของคอลลอยด์ซึ่งสามารถแปลงเป็นวัสดุกราฟีนได้ ที่สถาบันของเราเราสนับสนุนแนวทางนี้อย่างแน่นอน ในความเห็นของเรา นี่คือทิศทางที่ทันสมัยที่สุด ซึ่งเป็นทิศทางที่คาดหวังไว้สูงมาก ผลลัพธ์ดีเนื่องจากสามารถหาชั้นที่แยกเดี่ยวได้ง่ายและมีประสิทธิภาพที่สุดจากสารประกอบอินเทอร์คาเลตประเภทต่างๆ
โครงสร้างของกราฟีนมีลักษณะคล้ายกับรวงผึ้ง และเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้กลายเป็นหัวข้อที่ "หวาน" มาก
มีอีกวิธีหนึ่งซึ่งเรียกว่าการสังเคราะห์ทางเคมีทั้งหมด มันอยู่ในความจริงที่ว่า "รังผึ้ง" ที่จำเป็นนั้นประกอบขึ้นจากโมเลกุลอินทรีย์ธรรมดา ๆ เคมีอินทรีย์มีเครื่องมือสังเคราะห์ที่ได้รับการพัฒนาอย่างมาก ซึ่งช่วยให้สามารถรับโมเลกุลได้หลากหลายชนิด ดังนั้นพวกเขาจึงพยายามหาโครงสร้างกราฟีนโดยการสังเคราะห์ทางเคมี จนถึงขณะนี้ มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างแผ่นกราฟีนที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนประมาณสองร้อยอะตอม
กำลังพัฒนาแนวทางอื่นในการสังเคราะห์กราฟีน แม้จะมีปัญหามากมาย แต่วิทยาศาสตร์ในทิศทางนี้ก็ประสบความสำเร็จในการก้าวไปข้างหน้า มีความมั่นใจในระดับสูงว่าอุปสรรคที่มีอยู่จะเอาชนะได้ และกราฟีนจะนำมาซึ่งความสำเร็จครั้งใหม่ในการพัฒนาเทคโนโลยีชั้นสูง
มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งชาติเบลารุส
คณะพลังงาน
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม
รายงานในหัวข้อ: “กราฟีน”
จัดทำโดย: Gutorov M.S. , Beglyak V.V.
นักเรียน gr.106519
หัวหน้า: Rozum T.S.
บทนำ 3
เรื่องราวการค้นพบ 3
วิธีการผลิตกราฟีน 5
8. การประยุกต์กราฟีนในงานวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
บทสรุปที่ 12
การแนะนำ
กราฟีนเป็นวัสดุที่บางและแข็งแรงที่สุดในจักรวาล ลองนึกภาพแผ่นคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว แต่แข็งแกร่งกว่าเพชร และนำไฟฟ้าได้มากกว่าซิลิคอนในชิปคอมพิวเตอร์ถึง 100 เท่า มันถูกเปรียบเทียบกับการเกิดขึ้นของสิ่งประดิษฐ์ที่ปฏิวัติวงการที่สุดที่เปลี่ยนแปลงมนุษยชาติ เป็นเรื่องยากมากที่จะคาดการณ์การใช้งานจริงของกราฟีนในขณะนี้ แต่มันจะเปลี่ยนชีวิตของเราอย่างแน่นอน รูปลักษณ์ภายนอกของมันคือการปฏิวัติ เทียบได้กับรูปลักษณ์ของรถถังที่ทำลายทหารม้า และโทรศัพท์มือถือซึ่งจะทำลายอุปกรณ์ที่อยู่กับที่ในไม่ช้า การค้นพบดังกล่าวไม่สอดคล้องกับโครงการมาตรฐานที่สามารถแนะนำวิธีการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ต่อไปได้ กราฟีนจะเปลี่ยนทุกสิ่งที่อยู่รอบตัวเราในตอนนี้ ท้ายที่สุดแล้ว มีการค้นพบสสารวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ ข้างหนึ่งมันบางมาก อีกด้านหนึ่งก็ใหญ่มาก มันจะเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับธรรมชาติของสารและสิ่งต่าง ๆ
ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ
ทุกอย่างเริ่มต้นในปี 2004 เมื่อ Andrei Geim และ Konstantin Novoselov จัดการเพื่อให้ได้กราฟีนในสภาวะอิสระเป็นครั้งแรก นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญ แม้ว่ากราฟีนจะเป็นสารธรรมดาตามคำนิยาม แต่ก็เป็นคาร์บอนบริสุทธิ์ แต่อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมในนั้นเชื่อมต่ออย่างแน่นหนากับอะตอมใกล้เคียงสามอะตอมและเป็นเครือข่ายสองมิติ (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: เครือข่ายอะตอมของกราฟีน
ตัวอย่างเช่น ตามที่นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าเซ็นเซอร์ที่ใช้กราฟีนจะสามารถทำนายแผ่นดินไหวและวิเคราะห์สภาพและความแข็งแกร่งของส่วนประกอบเครื่องบินได้ อย่างไรก็ตามหลังจากผ่านไป 10 ปีจะมีความชัดเจนว่าการใช้สารนี้ในทางปฏิบัติจะพัฒนาไปในทิศทางใด
วัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่น่าทึ่งจะออกจากกำแพงห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ในไม่ช้า นักฟิสิกส์ นักเคมี และวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ต่างพูดถึงความสามารถเฉพาะตัวของมันเป็นอย่างมาก ปริมาณวัสดุที่มีน้ำหนักเพียงไม่กี่กรัมก็เพียงพอที่จะครอบคลุมสนามฟุตบอลได้ กราไฟท์ที่ใช้ในดินสอนั้นเป็นเพียงกราฟีนหลายชั้นเท่านั้น แม้ว่าแต่ละชั้นจะแข็งแรง แต่ความสัมพันธ์ระหว่างชั้นทั้งสองนั้นอ่อนแอ ดังนั้นชั้นต่างๆ จึงแตกสลายได้ง่าย ทิ้งรอยไว้เมื่อคุณเขียนด้วยดินสอ
พื้นที่ที่เป็นไปได้ในการใช้กราฟีนคือหน้าจอสัมผัส แผงเซลล์แสงอาทิตย์อุปกรณ์กักเก็บพลังงาน โทรศัพท์มือถือ และสุดท้ายคือชิปคอมพิวเตอร์ที่เร็วเป็นพิเศษ แต่ในระยะสั้นและระยะกลาง กราฟีนจะเข้ามาแทนที่ซิลิคอนซึ่งเป็นวัสดุหลักในการผลิตฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ได้ยาก การผลิตซิลิคอนเป็นอุตสาหกรรมที่มีประวัติยาวนานถึง 40 ปี ต้นทุนการผลิตซิลิคอนทั่วโลกอยู่ที่ประมาณหลายพันล้านดอลลาร์ ขณะนี้ห้องปฏิบัติการของรัฐบาลและมหาวิทยาลัย บริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง IBM และธุรกิจขนาดเล็ก กำลังทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการผลิตกราฟีนเองและผลิตภัณฑ์ที่ทำจากกราฟีน
แม้แต่เพนตากอนก็เริ่มสนใจวัสดุไฮเทคชนิดใหม่ สำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหมกำลังดำเนินการวิจัยที่มุ่งสร้างชิปคอมพิวเตอร์และทรานซิสเตอร์ที่ใช้กราฟีน โดยมีมูลค่ารวม 22 ล้านดอลลาร์
ในการประชุมประจำปีล่าสุดของ American Physical Society ซึ่งเป็นองค์กรที่รวบรวมนักฟิสิกส์ชั้นนำของประเทศ ซึ่งจัดขึ้นในเดือนเมษายนปีนี้ที่เมืองพิตส์เบิร์ก กราฟีนเป็นหัวข้อหลักของการสนทนา นักวิทยาศาสตร์จัดการประชุม 23 ครั้งเพื่อแสดงความคิดเห็นและมุมมองเกี่ยวกับวัสดุใหม่ เฉพาะในปี 2008 เพียงปีเดียว มีการเผยแพร่เอกสารทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกราฟีน 1,500 ฉบับในแหล่งต่างๆ