Ing taun 2010, Geim lan Novoselov menangaké Bebungah Nobel ing fisika kanggo karyané babagan graphene. Bebungah iki wis ninggalake kesan sing jero kanggo akèh wong. Lagian, ora saben piranti eksperimen Bebungah Nobel iku umum kaya pita perekat, lan ora saben obyek riset iku magis lan gampang dingerteni kaya graphene "kristal rong dimensi". Karya ing taun 2004 iki bisa dianugerahi ing taun 2010, sing arang banget ana ing cathetan Bebungah Nobel ing taun-taun pungkasan.
Graphene iku sawijining zat sing kasusun saka siji lapisan atom karbon sing rapet disusun dadi kisi heksagonal sarang lebah rong dimensi. Kaya berlian, grafit, fullerene, tabung nano karbon, lan karbon amorf, iku minangka zat (zat prasaja) sing kasusun saka unsur karbon. Kaya sing dituduhake ing gambar ing ngisor iki, fullerene lan tabung nano karbon bisa dideleng kaya digulung saka siji lapisan graphene, sing ditumpuk dening akeh lapisan graphene. Riset teoretis babagan panggunaan graphene kanggo njlèntrèhaké sipat-sipat macem-macem zat karbon prasaja (grafit, tabung nano karbon, lan graphene) wis suwéné mèh 60 taun, nanging umumé dipercaya manawa bahan rong dimensi kasebut angel ana kanthi stabil dhewe, mung ditempelake ing permukaan substrat telung dimensi utawa ing njero zat kaya grafit. Nganti taun 2004 Andre Geim lan muridé Konstantin Novoselov nglucuti siji lapisan graphene saka grafit liwat eksperimen, riset babagan graphene entuk pangembangan anyar.
Fullerene (kiwa) lan tabung nano karbon (tengah) bisa dianggep digulung dening lapisan tunggal graphene kanthi cara tartamtu, dene grafit (tengen) ditumpuk dening pirang-pirang lapisan graphene liwat sambungan gaya van der Waals.
Saiki, graphene bisa dipikolehi kanthi maneka warna cara, lan macem-macem cara duwe kaluwihan lan kekurangane dhewe-dhewe. Geim lan Novoselov entuk graphene kanthi cara sing prasaja. Nggunakake pita transparan sing kasedhiya ing supermarket, dheweke ngupas graphene, lembaran grafit kanthi mung siji lapisan atom karbon sing kandel, saka potongan grafit pirolitik orde tinggi. Iki trep, nanging kontrolabilitase ora apik, lan graphene kanthi ukuran kurang saka 100 mikron (sepersepuluh milimeter) mung bisa dipikolehi, sing bisa digunakake kanggo eksperimen, nanging angel digunakake kanggo aplikasi praktis. Deposisi uap kimia bisa nuwuhake sampel graphene kanthi ukuran puluhan sentimeter ing permukaan logam. Sanajan area kanthi orientasi sing konsisten mung 100 mikron [3,4], wis cocog kanggo kabutuhan produksi sawetara aplikasi. Cara umum liyane yaiku manasi kristal silikon karbida (SIC) nganti luwih saka 1100 ℃ ing vakum, supaya atom silikon cedhak permukaan nguap, lan atom karbon sing isih ana disusun ulang, sing uga bisa entuk sampel graphene kanthi sifat sing apik.
Graphene minangka bahan anyar kanthi sipat unik: konduktivitas listrike apik banget kaya tembaga, lan konduktivitas termale luwih apik tinimbang bahan liyane sing dikenal. Graphene transparan banget. Mung bagean cilik (2,3%) saka cahya sing katon vertikal sing bakal diserep dening graphene, lan umume cahya bakal ngliwati. Graphene padhet banget nganti atom helium (molekul gas paling cilik) ora bisa ngliwati. Sifat magis iki ora langsung diwarisake saka grafit, nanging saka mekanika kuantum. Sifat listrik lan optik sing unik nemtokake manawa grafit iki duwe prospek aplikasi sing amba.
Senajan graphene mung muncul kurang saka sepuluh taun, nanging wis nuduhake akeh aplikasi teknis, sing arang banget ditemokake ing bidang fisika lan ilmu material. Butuh luwih saka sepuluh taun utawa malah puluhan taun kanggo bahan umum pindhah saka laboratorium menyang urip nyata. Apa gunane graphene? Ayo dideleng rong conto.
Elektroda transparan alus
Ing pirang-pirang piranti listrik, bahan konduktif transparan kudu digunakake minangka elektroda. Jam tangan elektronik, kalkulator, televisi, layar kristal cair, layar tutul, panel surya, lan akeh piranti liyane ora bisa ninggalake elektroda transparan. Elektroda transparan tradisional nggunakake indium timah oksida (ITO). Amarga rega sing larang lan pasokan indium sing winates, bahan kasebut rapuh lan kurang fleksibel, lan elektroda kasebut kudu disimpen ing lapisan tengah vakum, lan biayane relatif dhuwur. Wis suwe, para ilmuwan wis nyoba golek penggantine. Saliyane syarat transparansi, konduktivitas sing apik, lan persiapan sing gampang, yen fleksibilitas bahan kasebut dhewe apik, bakal cocog kanggo nggawe "kertas elektronik" utawa piranti tampilan lipat liyane. Mulane, fleksibilitas uga minangka aspek sing penting banget. Graphene minangka bahan sing cocog banget kanggo elektroda transparan.
Para peneliti saka Samsung lan Universitas Chengjunguan ing Korea Selatan entuk graphene kanthi dawa diagonal 30 inci kanthi deposisi uap kimia lan mindhahake menyang film polietilen tereftalat (PET) kandel 188 mikron kanggo ngasilake layar tutul adhedhasar graphene [4]. Kaya sing dituduhake ing gambar ing ngisor iki, graphene sing tuwuh ing foil tembaga dhisik diikat karo pita pengupas termal (bagean transparan biru), banjur foil tembaga dilarutake kanthi cara kimia, lan pungkasane graphene ditransfer menyang film PET kanthi pemanasan.
Piranti induksi fotolistrik anyar
Graphene nduweni sipat optik sing unik banget. Sanajan mung ana siji lapisan atom, nanging bisa nyerep 2,3% cahya sing dipancarake ing kabeh rentang dawa gelombang saka cahya sing katon nganti inframerah. Angka iki ora ana hubungane karo parameter materi liyane saka graphene lan ditemtokake dening elektrodinamika kuantum [6]. Cahya sing diserep bakal nyebabake generasi operator (elektron lan bolongan). Generasi lan transportasi operator ing graphene beda banget karo sing ana ing semikonduktor tradisional. Iki ndadekake graphene cocog banget kanggo peralatan induksi fotoelektrik ultracepat. Diperkirakan peralatan induksi fotoelektrik kasebut bisa digunakake ing frekuensi 500ghz. Yen digunakake kanggo transmisi sinyal, bisa ngirim 500 milyar nol utawa siji per detik, lan ngrampungake transmisi isi rong cakram Blu-ray sajrone sak detik.
Para ahli saka Pusat Riset IBM Thomas J. Watson ing Amerika Serikat wis nggunakake graphene kanggo nggawe piranti induksi fotoelektrik sing bisa digunakake ing frekuensi 10GHz [8]. Kapisan, serpihan graphene disiapake ing substrat silikon sing ditutupi silika kandel 300 nm kanthi "metode robek pita", banjur elektroda emas paladium utawa emas titanium kanthi interval 1 mikron lan jembar 250 nm digawe ing ndhuwure. Kanthi cara iki, piranti induksi fotoelektrik adhedhasar graphene dipikolehi.
Diagram skematis peralatan induksi fotoelektrik graphene lan foto mikroskop elektron pindai (SEM) saka sampel sing nyata. Garis cendhak ireng ing gambar kasebut cocog karo 5 mikron, lan jarak antarane garis logam yaiku siji mikron.
Liwat eksperimen, para peneliti nemokake manawa piranti induksi fotoelektrik struktur logam graphene iki bisa tekan frekuensi kerja paling akeh 16ghz, lan bisa kerja kanthi kecepatan dhuwur ing kisaran dawa gelombang saka 300 nm (cedhak ultraviolet) nganti 6 mikron (infrared), dene tabung induksi fotoelektrik tradisional ora bisa nanggapi cahya inframerah kanthi dawa gelombang sing luwih dawa. Frekuensi kerja peralatan induksi fotoelektrik graphene isih duwe ruang sing gedhe kanggo perbaikan. Performane sing unggul ndadekake piranti iki duwe macem-macem prospek aplikasi, kalebu komunikasi, remot kontrol, lan pemantauan lingkungan.
Minangka materi anyar kanthi sipat unik, riset babagan aplikasi graphene lagi muncul siji-siji. Angel kanggo kita nyebutake ing kene. Ing mangsa ngarep, bisa uga ana tabung efek medan sing digawe saka graphene, saklar molekuler sing digawe saka graphene lan detektor molekuler sing digawe saka graphene ing urip saben dina… Graphene sing mboko sithik metu saka laboratorium bakal sumunar ing urip saben dina.
Kita bisa ngarepake yen akeh produk elektronik sing nggunakake graphene bakal muncul ing wektu cedhak. Coba pikirake kepiye menarike yen smartphone lan netbook kita bisa digulung, dijepit ing kuping, dilebokake ing kanthong, utawa dililit ing bangkekan nalika ora digunakake!
Wektu kiriman: 9 Maret 2022