กราฟีนมีประโยชน์อย่างไร?กรณีการใช้งานสองกรณีช่วยให้คุณเข้าใจแนวโน้มการใช้งานของกราฟีน

ในปี 2010 Geim และ Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากผลงานด้านกราฟีนรางวัลนี้ได้สร้างความประทับใจให้กับผู้คนมากมายท้ายที่สุด ไม่ใช่ว่าเครื่องมือทดลองที่ได้รับรางวัลโนเบลทุกชิ้นจะธรรมดาเหมือนเทปกาว และไม่ใช่ว่างานวิจัยทุกชิ้นจะมหัศจรรย์และเข้าใจง่ายเหมือนกับกราฟีน "คริสตัลสองมิติ"ผลงานในปี 2547 สามารถได้รับรางวัลในปี 2553 ซึ่งหาได้ยากในประวัติรางวัลโนเบลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

กราฟีนเป็นสารชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนชั้นเดียวที่จัดเรียงอย่างใกล้ชิดเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยมรังผึ้งสองมิติเช่นเดียวกับเพชร กราไฟท์ ฟูลเลอรีน ท่อนาโนคาร์บอน และคาร์บอนอสัณฐาน มันคือสาร (สารเชิงเดี่ยว) ที่ประกอบด้วยองค์ประกอบของคาร์บอนดังแสดงในรูปด้านล่าง ฟูลเลอรีนและท่อนาโนคาร์บอนสามารถถูกม้วนขึ้นมาในลักษณะใดลักษณะหนึ่งจากกราฟีนชั้นเดียว ซึ่งซ้อนกันด้วยกราฟีนหลายชั้นการวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการใช้กราฟีนเพื่ออธิบายคุณสมบัติของสารคาร์บอนเชิงเดี่ยวต่างๆ (กราไฟท์ ท่อนาโนคาร์บอน และกราฟีน) ใช้เวลานานเกือบ 60 ปี แต่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าวัสดุสองมิติดังกล่าวยากที่จะดำรงอยู่อย่างเสถียรโดยลำพัง ติดเฉพาะกับพื้นผิวสามมิติหรือสารภายในเช่นกราไฟท์จนกระทั่งถึงปี 2004 Andre Geim และนักเรียนของเขา Konstantin Novoselov ได้ลอกกราฟีนเพียงชั้นเดียวจากกราไฟท์ผ่านการทดลอง ซึ่งการวิจัยเกี่ยวกับกราฟีนได้บรรลุการพัฒนาใหม่ๆ

ทั้งฟูลเลอรีน (ซ้าย) และท่อนาโนคาร์บอน (กลาง) ถือได้ว่ามีการรีดขึ้นด้วยกราฟีนชั้นเดียวในทางใดทางหนึ่ง ในขณะที่กราไฟท์ (ขวา) ถูกซ้อนกันด้วยกราฟีนหลายชั้นผ่านการเชื่อมต่อของแรงแวนเดอร์วาลส์

ปัจจุบันกราฟีนสามารถหาได้หลายวิธี และวิธีการต่างๆ ก็มีข้อดีและข้อเสียในตัวเองGeim และ Novoselov ได้รับกราฟีนด้วยวิธีง่ายๆพวกเขาใช้เทปใสที่มีจำหน่ายในซุปเปอร์มาร์เก็ต เพื่อลอกกราฟีน ซึ่งเป็นแผ่นกราไฟท์ที่มีอะตอมของคาร์บอนหนาเพียงชั้นเดียว ออกจากชิ้นส่วนกราไฟท์ไพโรไลติกที่มีลำดับสูงสะดวก แต่การควบคุมไม่ดีนักและสามารถรับกราฟีนที่มีขนาดน้อยกว่า 100 ไมครอน (หนึ่งในสิบของมิลลิเมตร) เท่านั้นซึ่งสามารถใช้สำหรับการทดลองได้ แต่เป็นการยากที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติ การใช้งานการสะสมไอสารเคมีสามารถสร้างกราฟีนตัวอย่างที่มีขนาดหลายสิบเซนติเมตรบนพื้นผิวโลหะได้แม้ว่าพื้นที่ที่มีการวางแนวสม่ำเสมอจะมีขนาดเพียง 100 ไมครอน [3,4] แต่ก็เหมาะสำหรับความต้องการในการผลิตของการใช้งานบางประเภทวิธีการทั่วไปอีกวิธีหนึ่งคือการให้ความร้อนแก่ผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SIC) มากกว่า 1,100 ℃ในสุญญากาศ เพื่อให้อะตอมของซิลิคอนที่อยู่ใกล้พื้นผิวระเหยออกไป และอะตอมของคาร์บอนที่เหลือจะถูกจัดเรียงใหม่ ซึ่งสามารถรับตัวอย่างกราฟีนที่มีคุณสมบัติที่ดีได้เช่นกัน

กราฟีนเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติพิเศษ: ค่าการนำไฟฟ้าของมันดีเยี่ยมพอๆ กับทองแดง และค่าการนำความร้อนก็ดีกว่าวัสดุใดๆ ที่รู้จักมันโปร่งใสมากเพียงส่วนเล็กๆ (2.3%) ของแสงที่มองเห็นตกกระทบในแนวตั้งเท่านั้นที่จะถูกกราฟีนดูดกลืน และแสงส่วนใหญ่จะทะลุผ่านมีความหนาแน่นมากจนแม้แต่อะตอมฮีเลียม (โมเลกุลก๊าซที่เล็กที่สุด) ก็ไม่สามารถผ่านเข้าไปได้คุณสมบัติมหัศจรรย์เหล่านี้ไม่ได้สืบทอดโดยตรงจากกราไฟต์ แต่มาจากกลศาสตร์ควอนตัมคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวกำหนดว่ามีแนวโน้มการใช้งานในวงกว้าง

แม้ว่ากราฟีนจะปรากฏให้เห็นเพียงไม่ถึงสิบปี แต่ก็มีการใช้งานทางเทคนิคมากมาย ซึ่งหาได้ยากมากในสาขาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ต้องใช้เวลามากกว่าสิบปีหรือหลายทศวรรษในการย้ายวัสดุทั่วไปจากห้องปฏิบัติการไปสู่ชีวิตจริงกราฟีนมีประโยชน์อย่างไร?ลองดูสองตัวอย่าง

อิเล็กโทรดโปร่งใสอ่อน
ในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิด จำเป็นต้องใช้วัสดุนำไฟฟ้าโปร่งใสเป็นอิเล็กโทรดนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องคิดเลข โทรทัศน์ จอแสดงผลคริสตัลเหลว หน้าจอสัมผัส แผงโซลาร์เซลล์ และอุปกรณ์อื่น ๆ อีกมากมายไม่สามารถปล่อยให้มีอิเล็กโทรดโปร่งใสได้อิเล็กโทรดโปร่งใสแบบดั้งเดิมใช้อินเดียมทินออกไซด์ (ITO)เนื่องจากอินเดียมมีราคาสูงและอุปทานมีจำกัด วัสดุจึงเปราะและไม่มีความยืดหยุ่น และจำเป็นต้องฝังอิเล็กโทรดไว้ในชั้นกลางของสุญญากาศ และมีราคาค่อนข้างสูงเป็นเวลานานที่นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาสิ่งทดแทนนอกเหนือจากข้อกำหนดด้านความโปร่งใส การนำไฟฟ้าที่ดี และการเตรียมการที่ง่ายดาย หากความยืดหยุ่นของวัสดุนั้นดี ก็จะเหมาะสำหรับการผลิต “กระดาษอิเล็กทรอนิกส์” หรืออุปกรณ์แสดงผลแบบพับได้อื่นๆดังนั้นความยืดหยุ่นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากเช่นกันกราฟีนเป็นวัสดุดังกล่าวซึ่งเหมาะมากสำหรับอิเล็กโทรดแบบโปร่งใส

นักวิจัยจาก Samsung และมหาวิทยาลัย chengjunguan ในเกาหลีใต้ได้นำกราฟีนที่มีความยาวแนวทแยง 30 นิ้วโดยการสะสมไอสารเคมี และถ่ายโอนไปยังฟิล์มโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) หนา 188 ไมครอน เพื่อผลิตหน้าจอสัมผัสที่ใช้กราฟีน [4]ดังแสดงในรูปด้านล่าง กราฟีนที่ปลูกบนฟอยล์ทองแดงจะถูกเชื่อมเข้ากับเทปลอกความร้อน (ส่วนที่โปร่งใสสีน้ำเงิน) ก่อน จากนั้นฟอยล์ทองแดงจะถูกละลายโดยวิธีทางเคมี และสุดท้ายกราฟีนจะถูกถ่ายโอนไปยังฟิล์ม PET โดยการให้ความร้อน .

อุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริคใหม่
กราฟีนมีคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์มากแม้ว่าจะมีอะตอมเพียงชั้นเดียว แต่ก็สามารถดูดซับแสงที่ปล่อยออกมาได้ 2.3% ในช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดตั้งแต่แสงที่มองเห็นไปจนถึงอินฟราเรดตัวเลขนี้ไม่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์วัสดุอื่นๆ ของกราฟีน และถูกกำหนดโดยพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม [6]แสงที่ถูกดูดกลืนจะนำไปสู่การสร้างพาหะ (อิเล็กตรอนและรู)การสร้างและการขนส่งตัวพาในกราฟีนนั้นแตกต่างอย่างมากจากการสร้างและการขนส่งในเซมิคอนดักเตอร์แบบเดิมทำให้กราฟีนเหมาะสมมากสำหรับอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริคที่เร็วเป็นพิเศษคาดว่าอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกดังกล่าวอาจทำงานที่ความถี่ 500 กิกะเฮิร์ตซ์หากใช้สำหรับการส่งสัญญาณ จะสามารถส่งข้อมูลได้ 500,000 ล้านศูนย์หรือหนึ่งต่อวินาที และส่งข้อมูลจากแผ่น Blu ray สองแผ่นให้เสร็จสมบูรณ์ในหนึ่งวินาที

ผู้เชี่ยวชาญจากศูนย์วิจัย IBM Thomas J. Watson ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้กราฟีนเพื่อผลิตอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกที่สามารถทำงานที่ความถี่ 10GHz [8]ประการแรก เกล็ดกราฟีนถูกเตรียมบนพื้นผิวซิลิกอนที่ปกคลุมด้วยซิลิกาหนา 300 นาโนเมตรโดย "วิธีการฉีกด้วยเทป" จากนั้นจึงสร้างอิเล็กโทรดทองคำแพลเลเดียมหรือทองคำไทเทเนียมที่มีระยะห่าง 1 ไมครอนและความกว้าง 250 นาโนเมตรบนนั้นด้วยวิธีนี้ จะได้อุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริคที่ใช้กราฟีน

แผนผังของอุปกรณ์การเหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กตริกแบบกราฟีนและภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของตัวอย่างจริงเส้นสั้นสีดำในรูปเท่ากับ 5 ไมครอน และระยะห่างระหว่างเส้นโลหะคือ 1 ไมครอน

จากการทดลอง นักวิจัยพบว่าอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริคที่มีโครงสร้างโลหะกราฟีนโลหะนี้สามารถเข้าถึงความถี่ในการทำงานสูงสุด 16ghz และสามารถทำงานที่ความเร็วสูงในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 300 นาโนเมตร (ใกล้อัลตราไวโอเลต) ถึง 6 ไมครอน (อินฟราเรด) ในขณะที่ หลอดเหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริคแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองต่อแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นนานกว่าได้ความถี่ในการทำงานของอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกแบบกราฟีนยังคงมีช่องว่างที่ดีสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าทำให้มีความเป็นไปได้ในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการสื่อสาร การควบคุมระยะไกล และการตรวจสอบสภาพแวดล้อม

เนื่องจากเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว การวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้กราฟีนจึงเกิดขึ้นทีละชิ้นๆเป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะแจกแจงพวกเขาที่นี่ในอนาคตอาจมีหลอด field effect ที่ทำจากกราฟีน สวิตช์โมเลกุลที่ทำจากกราฟีน และเครื่องตรวจจับโมเลกุลที่ทำจากกราฟีนในชีวิตประจำวัน… กราฟีนที่ค่อยๆ ออกมาจากห้องปฏิบัติการจะเปล่งประกายในชีวิตประจำวัน

เราคาดหวังได้ว่าผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่ใช้กราฟีนจะปรากฏในอนาคตอันใกล้นี้ลองคิดดูว่าจะน่าสนใจแค่ไหนหากสมาร์ทโฟนและเน็ตบุ๊กของเราสามารถม้วนขึ้น หนีบหู ยัดไว้ในกระเป๋าเสื้อ หรือพันรอบข้อมือเมื่อไม่ได้ใช้งาน!