En 2010, Geim et Novoselov ont remporté le prix Nobel de physique pour leur travail sur le graphène. Ce prix a laissé une profonde impression sur de nombreuses personnes. Après tout, tous les outils expérimentaux du prix Nobel ne sont pas aussi courants que la bande adhésive, et tous les objets de recherche ne sont pas aussi magiques et faciles à comprendre que le graphène de «cristal bidimensionnel». Les travaux en 2004 peuvent être décernés en 2010, ce qui est rare dans le dossier du prix Nobel ces dernières années.
Le graphène est une sorte de substance qui se compose d'une seule couche d'atomes de carbone étroitement disposés en un réseau hexagonal en nid d'abeille bidimensionnel. Comme le diamant, le graphite, le fullerène, les nanotubes de carbone et le carbone amorphe, c'est une substance (substance simple) composée d'éléments de carbone. Comme le montre la figure ci-dessous, les fullerènes et les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme enroulés d'une manière ou d'une autre à partir d'une seule couche de graphène, qui est empilée par de nombreuses couches de graphène. La recherche théorique sur l'utilisation du graphène pour décrire les propriétés de diverses substances simples en carbone (graphite, nanotubes de carbone et graphène) a duré près de 60 ans, mais on pense généralement que de tels matériaux bidimensionnels sont difficiles à exister de manière stable, Seulement attaché à la surface du substrat tridimensionnel ou aux substances intérieures comme le graphite. Ce n'est qu'en 2004 qu'André Geim et son étudiante Konstantin Novoselov ont dépouillé une seule couche de graphène du graphite à des expériences que la recherche sur le graphène a réalisé un nouveau développement.
Fullerène (à gauche) et nanotube de carbone (au milieu) peuvent être considérés comme étant enroulés par une seule couche de graphène d'une manière ou d'une autre, tandis que le graphite (à droite) est empilé par plusieurs couches de graphène par la connexion de la force de van der Waals.
De nos jours, le graphène peut être obtenu de nombreuses façons, et différentes méthodes ont leurs propres avantages et inconvénients. Geim et Novoselov ont obtenu du graphène d'une manière simple. En utilisant du ruban transparent disponible dans les supermarchés, ils ont dépouillé du graphène, une feuille de graphite avec une seule couche d'atomes de carbone épais, à partir d'un morceau de graphite pyrolytique de haut niveau. Ceci est pratique, mais la contrôlabilité n'est pas si bonne, et le graphène avec une taille inférieure à 100 microns (un dixième de millimètre) ne peut être obtenu que, qui peut être utilisé pour des expériences, mais il est difficile à utiliser pour pratique applications. Le dépôt de vapeur chimique peut cultiver des échantillons de graphène avec la taille de dizaines de centimètres sur la surface métallique. Bien que la zone avec une orientation cohérente ne soit que de 100 microns [3,4], elle a connu les besoins de production de certaines applications. Une autre méthode courante consiste à chauffer le cristal de carbure de silicium (sic) à plus de 1100 ℃ dans le vide, de sorte que les atomes de silicium près de la surface s'évaporent et que les atomes de carbone restants soient réarrangés, qui peuvent également obtenir des échantillons de graphène avec de bonnes propriétés.
Le graphène est un nouveau matériau aux propriétés uniques: sa conductivité électrique est aussi excellente que le cuivre, et sa conductivité thermique est meilleure que tout matériau connu. C'est très transparent. Seule une petite partie (2,3%) de la lumière visible de l'incident vertical sera absorbée par le graphène, et la plupart de la lumière passera. Il est si dense que même les atomes d'hélium (les plus petites molécules de gaz) ne peuvent pas passer. Ces propriétés magiques ne sont pas directement héritées du graphite, mais de la mécanique quantique. Ses propriétés électriques et optiques uniques déterminent qu'elle a de larges perspectives d'application.
Bien que le graphène ne soit apparu que depuis moins de dix ans, il a montré de nombreuses applications techniques, ce qui est très rare dans les domaines de la physique et de la science des matériaux. Il faut plus de dix ans, voire des décennies, des matériaux généraux pour passer du laboratoire à la vraie vie. À quoi sert le graphène? Regardons deux exemples.
Électrode transparente douce
Dans de nombreux appareils électriques, les matériaux conducteurs transparents doivent être utilisés comme électrodes. Montres électroniques, calculatrices, téléviseurs, écrans de cristal liquide, écrans tactiles, panneaux solaires et de nombreux autres appareils ne peuvent pas laisser l'existence d'électrodes transparentes. L'électrode transparente traditionnelle utilise de l'oxyde d'étain d'indium (ITO). En raison du prix élevé et de l'offre limitée de l'indium, le matériau est fragile et le manque de flexibilité, et l'électrode doit être déposée dans la couche intermédiaire de l'aspirateur, et le coût est relativement élevé. Depuis longtemps, les scientifiques ont essayé de trouver son substitut. En plus des exigences de transparence, de bonne conductivité et de préparation facile, si la flexibilité du matériau lui-même est bonne, il conviendra à la fabrication du «papier électronique» ou d'autres dispositifs d'affichage pliables. Par conséquent, la flexibilité est également un aspect très important. Le graphène est un tel matériau, qui est très adapté aux électrodes transparentes.
Des chercheurs de l'Université de Samsung et de Chengjunguan en Corée du Sud ont obtenu du graphène avec une longueur diagonale de 30 pouces par dépôt de vapeur chimique et l'ont transféré dans un film de téréphtalate de polyéthylène (PET) épais de 188 micron (PET) pour produire un écran tactile à base de graphène [4]. Comme le montre la figure ci-dessous, le graphène cultivé sur la feuille de cuivre est d'abord lié avec le ruban de décapage thermique (partie transparente bleue), puis la feuille de cuivre est dissoute par méthode chimique, et enfin le graphène est transféré au film PET par chauffage .
Nouvel équipement d'induction photoélectrique
Le graphène a des propriétés optiques très uniques. Bien qu'il n'y ait qu'une seule couche d'atomes, il peut absorber 2,3% de la lumière émise dans toute la longueur d'onde de la lumière visible à l'infrarouge. Ce nombre n'a rien à voir avec d'autres paramètres de matériau du graphène et est déterminé par l'électrodynamique quantique [6]. La lumière absorbée conduira à la génération de supports (électrons et trous). La génération et le transport des transporteurs dans le graphène sont très différents de ceux des semi-conducteurs traditionnels. Cela rend le graphène très adapté à un équipement d'induction photoélectrique ultra-rapide. On estime qu'un tel équipement d'induction photoélectrique peut fonctionner à la fréquence de 500 GHz. S'il est utilisé pour la transmission du signal, il peut transmettre 500 milliards de zéros ou ceux par seconde, et compléter la transmission du contenu de deux disques Blu Ray en une seconde.
Les experts de l'IBM Thomas J. Watson Research Center aux États-Unis ont utilisé du graphène pour fabriquer des dispositifs d'induction photoélectrique qui peuvent fonctionner à la fréquence de 10 GHz [8]. Premièrement, des flocons de graphène ont été préparés sur un substrat de silicium recouvert de silice de 300 nm d'épaisseur par «méthode de déchirure de ruban», puis des électrodes en or ou en ortane avec un intervalle de 1 micron et une largeur de 250 nm. De cette façon, un dispositif d'induction photoélectrique à base de graphène est obtenu.
Diagramme schématique de l'équipement d'induction photoélectrique du graphène et des photos de microscope électronique à balayage (SEM) d'échantillons réels. La ligne courte noire de la figure correspond à 5 microns, et la distance entre les lignes métalliques est d'un micron.
Grâce à des expériences, les chercheurs ont découvert que ce dispositif d'induction photoélectrique de structure métallique métallique peut atteindre la fréquence de travail de 16 GHz au maximum, et peut fonctionner à grande vitesse dans la longueur d'onde de 300 nm (près d'ultraviolet) à 6 microns (infrarouge), tandis que Le tube d'induction photoélectrique traditionnel ne peut pas répondre à la lumière infrarouge avec une longueur d'onde plus longue. La fréquence de travail de l'équipement d'induction photoélectrique du graphène a toujours une grande place à l'amélioration. Ses performances supérieures lui font un large éventail de prospects d'application, y compris la communication, la télécommande et la surveillance environnementale.
En tant que nouveau matériau aux propriétés uniques, les recherches sur l'application du graphène émergent les unes après les autres. Il nous est difficile de les énumérer ici. À l'avenir, il peut y avoir des tubes d'effet sur le terrain en graphène, des commutateurs moléculaires en graphène et des détecteurs moléculaires en graphène dans la vie quotidienne… le graphène qui sort progressivement du laboratoire brillera dans la vie quotidienne.
Nous pouvons nous attendre à ce qu'un grand nombre de produits électroniques utilisant du graphène apparaissent dans un avenir proche. Pensez à quel point ce serait intéressant si nos smartphones et netbooks pouvaient être enroulés, serrés sur nos oreilles, bourrés dans nos poches ou enroulés autour de nos poignets lorsqu'ils ne sont pas utilisés!
Heure du poste: mars 09-2022