亚冠上港vs川崎前锋直播:石墨烯有什么用?兩個應用案例讓你了解石墨烯的應用前景

石墨烯 21商評網 當石墨烯入侵計算機

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  2010年,Geim和Novoselov因為石墨烯的工作獲得了諾貝爾物理學獎。

  這個獎給很多人都留下了深刻的印象,畢竟不是每一個諾獎的實驗工具都像膠帶紙一般親民常見,也不是每以個的研究對象都像“二維晶體”石墨烯那樣神奇又易于理解。而2004年的工作能夠在2010年就獲獎,在最近一些年諾貝爾獎的記錄上也是不多見的。

  石墨烯(Graphene)是由單層的碳原子緊密排列成二維的蜂巢狀六角格子的一種物質。和金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管還有無定形碳一樣,它是一種單純由碳元素構成的物質(單質)。如下圖所示,富勒烯和碳納米管都可以看成是由單層的石墨烯依照某種方式卷成的,而石墨正是由很多層石墨烯堆疊成的。利用石墨烯來描述各種碳單質(石墨、碳納米管和石墨烯)性質的理論研究持續了近六十年,但是普遍認為這樣的二維材料是難以穩定地單獨存在的,只有依附在三維的襯底表面或者在像石墨那些的物質內部。直到2004年Andre Geim 和他的學生Konstantin Novoselov通過實驗 ,從石墨里面剝離出來了單層的石墨烯,關于石墨烯的研究才獲得了新的發展。

兩個應用案例讓你了解石墨烯的應用前景

  富勒烯(左)和碳納米管(中)都可以看作是由單層的石墨烯通過某種方式卷成的,而石墨(右)是由多層石墨烯通過范德華力的聯系堆疊成的。

  如今,石墨烯可以通過很多種方法獲得,不同的方法各有利弊。Geim和Novoselov獲得石墨烯的方法很簡單,他們用超市就能買到的透明膠帶,從一塊高序熱解石墨中剝離出了僅有一層碳原子厚度的石墨薄片——石墨烯。這樣方便但是可控性并不那么好,而且只能獲得大小在一百微米(十分之一毫米)以下的石墨烯,能夠拿來做實驗但是很難拿來做實際的應用?;喑粱梢栽誚鶚舯礱嬪仙こ鍪迕狀笮〉氖┭?,雖然取向一致的區域大小最高只有一百微米[3,4],但是已經適合某些應用的產品生產需求。另外一種比較常見的方法是將碳化硅(SiC)晶體在真空中加熱到1100攝氏度以上,使得表面附近的硅原子蒸發掉,而剩余的碳原子重新排布,也能獲得性質相當不錯的石墨烯樣品。

  石墨烯是一種有著獨特性質的全新材料:它的導電性能像銅一樣優秀,它的導熱性能比已知的任何材料都要出色。 它很透明,垂直入射的可見光只有很小一部分(2.3%)會被石墨烯吸收,而絕大部分的光都會透過去。它又很致密,連氦原子(最小的氣體分子)也不能穿過去。這些神奇的性質并不是從石墨直接繼承來的,而是來源于量子力學。其獨特的電學、光學等性質決定了它有廣闊的應用前景。

  石墨烯雖然才出現了不到十年的時間,但已經展現了許多技術上的應用,這一點在物理學和材料科學領域都是很難得的,一般的材料從實驗室走向實際生活都需要十幾年甚至幾十年的時間。石墨烯到底有什么用呢?讓我們來看兩個例子。

柔軟的透明電極

  在很多電器里,都需要用到透明的導電材料作為電極,電子表、計算器、電視機、液晶顯示器、觸摸屏、太陽能電池板等等諸多設備里都無法離開透明電極的存在。傳統的透明電極用的是氧化銦錫(Indium Tin Oxide,簡稱ITO),由于銦的價格高昂和供應受限,而且這種材料比較脆,缺乏柔韌性,并且制作電極過程中需要在真空中層沉積而成本比較高,很長時間以來,科學家們都在致力于尋找它的替代品。除了透明、導電性好、容易制備等要求,如果材料本身的柔韌性比較好話,將適合用來做“電子紙”或者其他可以折疊的顯示設備,因此柔韌性也是一個很重要的方面。而石墨烯正是這么一種材料,非常合適來做透明電極。

  韓國三星公司和成均館大學的研究人員利用化學氣相沉積的方法獲得了對角長度為30英寸的石墨烯,并將其轉移到188微米厚的聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,簡稱PET)薄膜上,進而制造出了以石墨烯為基礎的觸摸屏[4]。如下圖所示,生長在銅箔上的石墨烯先和熱剝離型膠帶(藍色透明部分)粘在一起,然后用化學的方法把銅箔溶解掉,最后用加熱的方法把石墨烯轉移到PET薄膜上去。

生長在銅箔上的石墨烯轉移到PET薄膜的過程示意圖

  生長在銅箔上的石墨烯轉移到PET薄膜的過程示意圖

  研究者們在石墨烯上適當的位置印上銀電極,用銀電極把材料劃分成一塊塊3.1英寸大小的區域,然后在區域內的石墨烯上放上規則排布的絕緣點陣。這樣兩片對應的組裝在一起就做成了彈性很好的觸摸屏器件。當它同電腦上的控制軟件連通時,它就能發揮觸摸屏的作用了。

組裝好的石墨烯觸摸屏面板

  從上到下:在石墨烯上印好的銀電極把材料分成大小為3.1英寸的區域;組裝好的石墨烯觸摸屏面板;接到電腦上使用的石墨烯觸摸屏。

  這個觸摸屏的工作原理很容易理解。像下圖中顯示的那樣,觸摸屏由上下兩層粘在PET薄膜上的石墨烯構成,沒有接觸的情況下,兩層石墨烯被下層上放置的絕緣點陣阻隔而互不接觸。當外界壓力存在的時候,PET薄膜和石墨烯在壓力下發生形變,這樣上下兩層石墨烯就發生接觸,電路聯通。接觸的位置不同,器件邊緣電極收集到的電信號也不一樣,通過對電信號的分析,就可以確定是觸摸屏上的哪個位置發生了接觸。

石墨烯觸摸屏的工作原理示意圖

石墨烯觸摸屏的工作原理示意圖

新型的光電感應設備

  石墨烯有非常獨特的光學性質。雖然只有一層原子,但是它在整個可見光直到紅外的波長范圍內都可以吸收入射光的2.3%,這個數字和石墨烯的其他材料參數沒有關系,是由量子電動力學決定的[6]。吸收的光會導致載流子(電子和空穴)的產生,石墨烯里面載流子的產生和輸運都和傳統的半導體有很大不同。這使得石墨烯很合適用來做超快的光電感應設備,據估計,這樣的光電感應設備有可能能以500GHz的頻率工作,用于信號傳輸的話,每秒鐘可以傳送5000億個0或者1,可以在1秒內完成兩張藍光光碟內容的傳輸。

  美國IBM Thomas J. Watson Research Centre的專家們利用石墨烯,制造出了可以工作在10GHz頻率的光電感應設備[8]。首先,用“撕膠帶法”在覆蓋有300納米厚二氧化硅的硅襯底上面準備好石墨烯小片,然后在上面做出間隔為1微米寬度為250納米的鈀-金或者鈦-金電極。這樣,就得到了一個以石墨烯為基礎的光電感應設備。

石墨烯光電感應設備的示意圖和實際樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片

  石墨烯光電感應設備的示意圖和實際樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖中的黑色短線對應5個微米,金屬線之間的距離是一個微米。

  通過實驗,研究者們發現,這種金屬-石墨烯-金屬結構的光電感應設備最高可以達到16GHz的工作頻率,并且可以高速工作在從300納米(近紫外)到6微米(紅外)的波長范圍內,而傳統的光電感應管則不能對波長較長的紅外光響應。石墨烯光電感應設備的工作頻率還有很大的提高余地,優越的性能使得它有著廣泛的包括通訊、???、環境監測在內的應用前景。

  作為一種性質獨特的新興材料,關于石墨烯應用的研究層出不窮。我們在這里難以一一列舉。將來,還有可能會在日常生活中出現石墨烯做的場效應管、石墨烯做的分子開關、石墨烯做的分子探測器……逐漸走出實驗室的石墨烯,一定會在日常生活中大放異彩。

  我們可以期待,在不遠的將來出現大量的使用石墨烯的電子產品。想想看,如果我們手里的智能手機和上網本在不用的時候,可以卷起來夾在耳朵上,塞在口袋里,或者圍在手腕上,那是多么有趣啊!