Pada 2010, Geim dan Novoselov memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika untuk pekerjaan mereka di Graphene. Penghargaan ini telah meninggalkan kesan mendalam pada banyak orang. Lagi pula, tidak setiap alat eksperimental Hadiah Nobel sama umumnya dengan pita perekat, dan tidak setiap objek penelitian magis dan mudah dipahami sebagai graphene "kristal dua dimensi". Pekerjaan pada tahun 2004 dapat diberikan pada 2010, yang jarang terjadi dalam catatan Hadiah Nobel dalam beberapa tahun terakhir.
Graphene adalah semacam zat yang terdiri dari satu lapisan atom karbon yang diatur secara erat menjadi kisi heksagonal sarang lebah dua dimensi. Seperti berlian, grafit, fullerene, karbon nanotube dan karbon amorf, itu adalah zat (zat sederhana) yang terdiri dari elemen karbon. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, fullerene dan karbon nanotube dapat dilihat sebagai digulung dalam beberapa cara dari satu lapisan graphene, yang ditumpuk oleh banyak lapisan graphene. Penelitian teoretis tentang penggunaan graphene untuk menggambarkan sifat-sifat berbagai zat sederhana karbon (grafit, nanotube karbon dan graphene) telah berlangsung selama hampir 60 tahun, tetapi umumnya diyakini bahwa bahan dua dimensi seperti itu sulit untuk secara stabil ada sendiri, Hanya melekat pada permukaan substrat tiga dimensi atau zat dalam seperti grafit. Baru pada tahun 2004 Andre Geim dan muridnya Konstantin Novoselov melucuti satu lapisan graphene dari grafit melalui percobaan bahwa penelitian tentang graphene mencapai pengembangan baru.
Baik fullerene (kiri) dan karbon nanotube (tengah) dapat dianggap digulung oleh satu lapisan graphene dalam beberapa cara, sementara grafit (kanan) ditumpuk oleh beberapa lapisan graphene melalui koneksi gaya van der Waals.
Saat ini, graphene dapat diperoleh dalam banyak hal, dan metode yang berbeda memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri. Geim dan Novoselov memperoleh graphene dengan cara yang sederhana. Menggunakan pita transparan yang tersedia di supermarket, mereka melucuti graphene, lembaran grafit dengan hanya satu lapisan atom karbon yang tebal, dari sepotong grafit pirolitik orde tinggi. Ini nyaman, tetapi kemampuan kontrolnya tidak begitu baik, dan graphene dengan ukuran kurang dari 100 mikron (sepersepuluh milimeter) hanya dapat diperoleh, yang dapat digunakan untuk percobaan, tetapi sulit untuk digunakan untuk praktis aplikasi. Deposisi uap kimia dapat menumbuhkan sampel graphene dengan ukuran puluhan sentimeter pada permukaan logam. Meskipun area dengan orientasi yang konsisten hanya 100 mikron [3,4], ini telah cocok untuk kebutuhan produksi beberapa aplikasi. Metode umum lainnya adalah memanaskan kristal silikon karbida (sic) hingga lebih dari 1100 ℃ dalam ruang hampa, sehingga atom silikon di dekat permukaan menguap, dan atom karbon yang tersisa diatur ulang, yang juga dapat memperoleh sampel graphene dengan sifat yang baik.
Graphene adalah bahan baru dengan sifat unik: konduktivitas listriknya sama baiknya dengan tembaga, dan konduktivitas termal lebih baik daripada bahan yang diketahui. Itu sangat transparan. Hanya sebagian kecil (2,3%) dari insiden vertikal cahaya yang terlihat akan diserap oleh graphene, dan sebagian besar cahaya akan melewati. Sangat padat sehingga bahkan atom helium (molekul gas terkecil) tidak dapat melewati. Sifat magis ini tidak secara langsung diwariskan dari grafit, tetapi dari mekanika kuantum. Sifat listrik dan optiknya yang unik menentukan bahwa ia memiliki prospek aplikasi yang luas.
Meskipun graphene hanya muncul selama kurang dari sepuluh tahun, itu telah menunjukkan banyak aplikasi teknis, yang sangat jarang di bidang fisika dan ilmu material. Dibutuhkan lebih dari sepuluh tahun atau bahkan dekade untuk bahan umum untuk pindah dari laboratorium ke kehidupan nyata. Apa gunanya graphene? Mari kita lihat dua contoh.
Elektroda transparan lunak
Dalam banyak peralatan listrik, bahan konduktif transparan perlu digunakan sebagai elektroda. Jam tangan elektronik, kalkulator, televisi, tampilan kristal cair, layar sentuh, panel surya dan banyak perangkat lain tidak dapat meninggalkan keberadaan elektroda transparan. Elektroda transparan tradisional menggunakan indium tin oxide (ITO). Karena harga tinggi dan pasokan indium yang terbatas, bahannya rapuh dan kurangnya fleksibilitas, dan elektroda perlu disimpan di lapisan tengah vakum, dan biayanya relatif tinggi. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan telah berusaha menemukan penggantinya. Selain persyaratan transparansi, konduktivitas yang baik dan persiapan yang mudah, jika fleksibilitas materi itu sendiri baik, itu akan cocok untuk membuat "kertas elektronik" atau perangkat tampilan yang dapat dilipat lainnya. Oleh karena itu, fleksibilitas juga merupakan aspek yang sangat penting. Graphene adalah bahan seperti itu, yang sangat cocok untuk elektroda transparan.
Para peneliti dari Universitas Samsung dan Chengjunguan di Korea Selatan memperoleh graphene dengan panjang diagonal 30 inci dengan deposisi uap kimia dan mentransfernya ke film polietilen tebal 188 mikron (PET) film untuk menghasilkan layar sentuh berbasis graphene [4]. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, graphene yang tumbuh pada foil tembaga pertama kali terikat dengan pita pengupas termal (bagian transparan biru), kemudian foil tembaga dilarutkan dengan metode kimia, dan akhirnya graphene ditransfer ke film PET dengan memanaskan .
Peralatan induksi fotoelektrik baru
Graphene memiliki sifat optik yang sangat unik. Meskipun hanya ada satu lapisan atom, ia dapat menyerap 2,3% dari cahaya yang dipancarkan di seluruh panjang gelombang kisaran dari cahaya yang terlihat hingga inframerah. Jumlah ini tidak ada hubungannya dengan parameter material lain dari graphene dan ditentukan oleh kuantum elektrodinamika [6]. Cahaya yang diserap akan menyebabkan generasi pembawa (elektron dan lubang). Generasi dan transportasi pembawa dalam graphene sangat berbeda dari yang ada di semikonduktor tradisional. Ini membuat graphene sangat cocok untuk peralatan induksi fotoelektrik ultrafast. Diperkirakan bahwa peralatan induksi fotoelektrik tersebut dapat bekerja pada frekuensi 500GHz. Jika digunakan untuk transmisi sinyal, ia dapat mengirimkan 500 miliar nol atau satu per detik, dan menyelesaikan transmisi isi dua cakram sinar blu dalam satu detik.
Para ahli dari IBM Thomas J. Watson Research Center di Amerika Serikat telah menggunakan graphene untuk memproduksi perangkat induksi fotoelektrik yang dapat bekerja pada frekuensi 10GHz [8]. Pertama, serpihan graphene disiapkan pada substrat silikon yang ditutupi dengan silika setebal 300 nm dengan "metode sobek pita", dan kemudian elektroda emas paladium atau titanium dengan interval 1 mikron dan lebar 250 nm dibuat di atasnya. Dengan cara ini, perangkat induksi fotoelektrik berbasis graphene diperoleh.
Diagram skematik dari peralatan induksi fotoelektrik graphene dan foto -foto pemindaian elektron mikroskop (SEM) dari sampel yang sebenarnya. Garis pendek hitam pada gambar sesuai dengan 5 mikron, dan jarak antara garis logam adalah satu mikron.
Melalui percobaan, para peneliti menemukan bahwa perangkat induksi fotoelektrik logam logam ini dapat mencapai frekuensi kerja 16GHz paling banyak, dan dapat bekerja pada kecepatan tinggi dalam kisaran panjang gelombang dari 300 nm (dekat ultraviolet) hingga 6 mikron (inframerah), sementara Tabung induksi fotoelektrik tradisional tidak dapat merespons cahaya inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Frekuensi kerja peralatan induksi fotoelektrik graphene masih memiliki ruang yang bagus untuk perbaikan. Kinerja yang unggul membuatnya memiliki berbagai prospek aplikasi, termasuk komunikasi, kendali jarak jauh dan pemantauan lingkungan.
Sebagai bahan baru dengan properti unik, penelitian tentang aplikasi graphene muncul satu demi satu. Sulit bagi kita untuk menyebutkan mereka di sini. Di masa depan, mungkin ada tabung efek medan yang terbuat dari graphene, sakelar molekuler yang terbuat dari detektor graphene dan molekuler yang terbuat dari graphene dalam kehidupan sehari -hari ... graphene yang secara bertahap keluar dari laboratorium akan bersinar dalam kehidupan sehari -hari.
Kita dapat berharap bahwa sejumlah besar produk elektronik menggunakan graphene akan muncul dalam waktu dekat. Pikirkan betapa menariknya jika smartphone dan netbook kami dapat digulung, dijepit di telinga kami, dimasukkan ke dalam saku kami, atau melilit pergelangan tangan kami saat tidak digunakan!
Waktu posting: Mar-09-2022