การใช้กราฟีนคืออะไร? สองกรณีแอปพลิเคชันช่วยให้คุณเข้าใจโอกาสในการใช้งานของกราฟีน

ในปี 2010 Geim และ Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการทำงานของพวกเขาในกราฟีน รางวัลนี้ทำให้เกิดความประทับใจอย่างมากต่อผู้คนมากมาย ท้ายที่สุดไม่ใช่เครื่องมือทดลองรางวัลโนเบลทุกครั้งที่เป็นเรื่องธรรมดาเหมือนกับเทปกาวและไม่ใช่วัตถุการวิจัยทุกชิ้นนั้นมีมนต์ขลังและเข้าใจง่ายเหมือนกราฟีน“ ผลึกสองมิติ” งานในปี 2547 สามารถได้รับรางวัลในปี 2010 ซึ่งหายากในบันทึกของรางวัลโนเบลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

กราฟีนเป็นสารชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวที่จัดเรียงอย่างใกล้ชิดในตาข่ายหกเหลี่ยมแบบสองมิติ เช่นเพชร, กราไฟท์, ฟูลเลอรีน, ท่อนาโนคาร์บอนและคาร์บอนอสัณฐานมันเป็นสาร (สารง่าย ๆ ) ที่ประกอบด้วยองค์ประกอบคาร์บอน ดังที่แสดงในรูปด้านล่าง fullerenes และ nanotubes คาร์บอนสามารถมองเห็นได้ว่าม้วนขึ้นในบางทางจากกราฟีนชั้นเดียวซึ่งเรียงซ้อนกันโดยกราฟีนหลายชั้น การวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการใช้ graphene เพื่ออธิบายคุณสมบัติของสารคาร์บอนง่าย ๆ (กราไฟท์, ท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีน) กินเวลานานเกือบ 60 ปี แต่โดยทั่วไปแล้วเชื่อว่าวัสดุสองมิติดังกล่าวเป็นเรื่องยาก ติดอยู่กับพื้นผิวพื้นผิวสามมิติหรือสารภายในเช่นกราไฟท์ มันไม่ได้จนกว่าปี 2004 ที่ Andre Geim และนักเรียน Konstantin Novoselov ของเขาถอดกราฟีนจากกราไฟท์ผ่านการทดลองที่การวิจัยเกี่ยวกับกราฟีนประสบความสำเร็จในการพัฒนาใหม่

ทั้งฟุลเลอรีน (ซ้าย) และท่อนาโนคาร์บอน (กลาง) ถือได้ว่าถูกม้วนขึ้นโดยกราฟีนชั้นเดียวในบางวิธีในขณะที่กราไฟท์ (ขวา) ถูกซ้อนกันโดยกราฟีนหลายชั้นผ่านการเชื่อมต่อของแรงแวนเดอร์ไวลส์

ทุกวันนี้กราฟีนสามารถรับได้หลายวิธีและวิธีการที่แตกต่างกันมีข้อดีและข้อเสียของตนเอง Geim และ Novoselov ได้รับกราฟีนอย่างง่าย การใช้เทปโปร่งใสที่มีอยู่ในซูเปอร์มาร์เก็ตพวกเขาถอดกราฟีนแผ่นกราไฟท์ที่มีความหนาของคาร์บอนคาร์บอนเพียงชั้นเดียวจากชิ้นส่วนของกราไฟท์ไพโรไลติกลำดับสูง สิ่งนี้สะดวก แต่ความสามารถในการควบคุมไม่ดีนักและกราฟีนที่มีขนาดน้อยกว่า 100 ไมครอน (หนึ่งในสิบของมิลลิเมตร) สามารถรับได้เท่านั้นซึ่งสามารถใช้สำหรับการทดลองได้ แต่เป็นการยากที่จะใช้ในทางปฏิบัติ แอปพลิเคชัน การสะสมไอสารเคมีสามารถเติบโตตัวอย่างกราฟีนด้วยขนาดของสิบเซนติเมตรบนพื้นผิวโลหะ แม้ว่าพื้นที่ที่มีการวางแนวที่สอดคล้องกันมีเพียง 100 ไมครอน [3,4] แต่ก็เหมาะสำหรับความต้องการการผลิตของแอปพลิเคชันบางอย่าง อีกวิธีทั่วไปคือการให้ความร้อนกับซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC) คริสตัลมากกว่า 1,100 ℃ในสุญญากาศเพื่อให้อะตอมซิลิกอนใกล้กับพื้นผิวระเหยและอะตอมคาร์บอนที่เหลือจะถูกจัดเรียงใหม่ซึ่งสามารถรับตัวอย่างกราฟีนที่มีคุณสมบัติที่ดี

กราฟีนเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์: การนำไฟฟ้าของมันนั้นยอดเยี่ยมเท่ากับทองแดงและการนำความร้อนจะดีกว่าวัสดุที่รู้จัก มันโปร่งใสมาก เพียงส่วนเล็ก ๆ (2.3%) ของแสงที่มองเห็นได้ในแนวตั้งจะถูกดูดซึมโดยกราฟีนและแสงส่วนใหญ่จะผ่าน มันหนาแน่นมากแม้กระทั่งอะตอมฮีเลียม (โมเลกุลก๊าซที่เล็กที่สุด) ไม่สามารถผ่านได้ คุณสมบัติที่มีมนต์ขลังเหล่านี้ไม่ได้สืบทอดโดยตรงจากกราไฟท์ แต่มาจากกลศาสตร์ควอนตัม คุณสมบัติทางไฟฟ้าและแสงที่เป็นเอกลักษณ์ของมันเป็นตัวกำหนดว่ามีโอกาสในการใช้งานในวงกว้าง

แม้ว่ากราฟีนจะปรากฏเพียงน้อยกว่าสิบปี แต่ก็แสดงให้เห็นถึงการใช้งานทางเทคนิคมากมายซึ่งหายากมากในสาขาฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์วัสดุ ใช้เวลานานกว่าสิบปีหรือทศวรรษที่วัสดุทั่วไปจะย้ายจากห้องปฏิบัติการไปสู่ชีวิตจริง การใช้กราฟีนคืออะไร? ลองดูสองตัวอย่าง

อิเล็กโทรดโปร่งใสอ่อนนุ่ม
ในเครื่องใช้ไฟฟ้าจำนวนมากวัสดุนำไฟฟ้าที่โปร่งใสจะต้องใช้เป็นขั้วไฟฟ้า นาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์เครื่องคิดเลขโทรทัศน์จอแสดงผลคริสตัลเหลวหน้าจอสัมผัสแผงโซลาร์เซลล์และอุปกรณ์อื่น ๆ อีกมากมายไม่สามารถปล่อยให้อิเล็กโทรดโปร่งใส อิเล็กโทรดโปร่งใสแบบดั้งเดิมใช้อินเดียมดีบุกออกไซด์ (ITO) เนื่องจากราคาสูงและอุปทานของอินเดียม จำกัด วัสดุจึงเปราะและขาดความยืดหยุ่นและอิเล็กโทรดจะต้องฝากไว้ในชั้นกลางของสุญญากาศและค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง เป็นเวลานานนักวิทยาศาสตร์พยายามหาสิ่งทดแทน นอกเหนือจากข้อกำหนดของความโปร่งใสการนำไฟฟ้าที่ดีและการเตรียมการที่ง่ายหากความยืดหยุ่นของวัสดุนั้นดีมันจะเหมาะสำหรับการทำ "กระดาษอิเล็กทรอนิกส์" หรืออุปกรณ์แสดงผลอื่น ๆ ดังนั้นความยืดหยุ่นจึงเป็นสิ่งสำคัญมาก กราฟีนเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับอิเล็กโทรดโปร่งใส

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Samsung และ Chengjunguan ในเกาหลีใต้ได้รับกราฟีนที่มีความยาวในแนวทแยง 30 นิ้วโดยการสะสมไอสารเคมีและถ่ายโอนไปยังฟิล์มโพลีเอทิลีนหนา 188 ไมครอน (PET) ดังที่แสดงในรูปด้านล่างกราฟีนที่ปลูกบนฟอยล์ทองแดงจะถูกผูกมัดเป็นครั้งแรกกับเทปลอกความร้อน (ส่วนโปร่งใสสีน้ำเงิน) จากนั้นฟอยล์ทองแดงจะถูกละลายด้วยวิธีการทางเคมี .

อุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกใหม่
กราฟีนมีคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์มาก แม้ว่าจะมีอะตอมเพียงชั้นเดียว แต่ก็สามารถดูดซับแสงที่ปล่อยออกมาได้ 2.3% ในช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดตั้งแต่แสงที่มองเห็นได้จนถึงอินฟราเรด หมายเลขนี้ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์วัสดุอื่น ๆ ของกราฟีนและถูกกำหนดโดยควอนตัมอิเล็กโทรดนิก [6] แสงที่ดูดซับจะนำไปสู่การสร้างผู้ให้บริการ (อิเล็กตรอนและหลุม) รุ่นและการขนส่งของผู้ให้บริการในกราฟีนนั้นแตกต่างจากที่อยู่ในเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม สิ่งนี้ทำให้กราฟีนเหมาะสำหรับอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกที่เร็วมาก คาดว่าอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกดังกล่าวอาจทำงานได้ที่ความถี่ 500GHz หากใช้สำหรับการส่งสัญญาณมันสามารถส่งศูนย์ 500 พันล้านหรือหนึ่งต่อวินาทีและเสร็จสิ้นการส่งเนื้อหาของแผ่นดิสก์ BLU สองแผ่นในหนึ่งวินาที

ผู้เชี่ยวชาญจากศูนย์วิจัย IBM Thomas J. Watson ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้กราฟีนเพื่อผลิตอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกที่สามารถทำงานได้ที่ความถี่ 10GHz [8] ประการแรกเกล็ดกราฟีนถูกเตรียมไว้บนพื้นผิวซิลิกอนที่ปกคลุมด้วยซิลิกาหนา 300 นาโนเมตรโดย“ วิธีการฉีกขาดเทป” จากนั้นก็มีขั้วไฟฟ้าทองคำแพลเลเดียมหรืออิเล็กโทรดไทเทเนียมด้วยช่วงเวลา 1 ไมครอนและความกว้าง 250 นาโนเมตร ด้วยวิธีนี้จะได้รับอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้กราฟีน

แผนผังไดอะแกรมของอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตลีนโฟโตลีนและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ภาพถ่ายของตัวอย่างจริง เส้นสั้นสีดำในรูปสอดคล้องกับ 5 ไมครอนและระยะห่างระหว่างเส้นโลหะคือหนึ่งไมครอน

จากการทดลองนักวิจัยพบว่าอุปกรณ์การเหนี่ยวนำโลหะกราฟีนโลหะนี้สามารถเข้าถึงความถี่ในการทำงานได้มากที่สุดและสามารถทำงานได้ด้วยความเร็วสูงในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 300 นาโนเมตร (ใกล้อัลตราไวโอเลต) ถึง 6 ไมครอน (อินฟราเรด) ในขณะที่ ท่อเหนี่ยวนำโฟโตอิเล็กทริกแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองต่อแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นนานขึ้น ความถี่ในการทำงานของอุปกรณ์เหนี่ยวนำโฟโตลีนกราฟีนยังคงมีพื้นที่ที่ดีสำหรับการปรับปรุง ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าทำให้มีโอกาสในการใช้งานที่หลากหลายรวมถึงการสื่อสารการควบคุมระยะไกลและการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม

ในฐานะที่เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ไม่ซ้ำกันการวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้กราฟีนเกิดขึ้นหลังจากนั้นอีก มันเป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะระบุพวกเขาที่นี่ ในอนาคตอาจมีหลอดเอฟเฟกต์ฟิลด์ที่ทำจากกราฟีนสวิตช์โมเลกุลที่ทำจากกราฟีนและเครื่องตรวจจับโมเลกุลที่ทำจากกราฟีนในชีวิตประจำวัน ... กราฟีนที่ค่อยๆออกมาจากห้องปฏิบัติการจะส่องแสงในชีวิตประจำวัน

เราสามารถคาดหวังได้ว่าผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่ใช้กราฟีนจะปรากฏในอนาคตอันใกล้ ลองคิดดูว่ามันจะน่าสนใจแค่ไหนถ้าสมาร์ทโฟนและเน็ตบุ๊กของเราสามารถม้วนขึ้นมาจับหูของเรายัดไว้ในกระเป๋าของเราหรือพันรอบข้อมือของเราเมื่อไม่ได้ใช้งาน!