banner

Apa gunanya grafena?Dua kasus aplikasi memungkinkan Anda memahami prospek aplikasi graphene

Pada tahun 2010, Geim dan Novoselov memenangkan Hadiah Nobel dalam fisika untuk pekerjaan mereka pada graphene.Penghargaan ini telah meninggalkan kesan mendalam bagi banyak orang.Lagi pula, tidak setiap alat eksperimental Hadiah Nobel sama biasa dengan pita perekat, dan tidak setiap objek penelitian sama ajaib dan mudahnya dipahami seperti graphene "kristal dua dimensi".Karya pada tahun 2004 dapat diberikan pada tahun 2010, yang langka dalam catatan Hadiah Nobel dalam beberapa tahun terakhir.

Grafena adalah sejenis zat yang terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun rapat menjadi kisi heksagonal sarang lebah dua dimensi.Seperti berlian, grafit, fullerene, karbon nanotube dan karbon amorf, itu adalah zat (zat sederhana) yang terdiri dari unsur-unsur karbon.Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, fullerene dan karbon nanotube dapat dilihat sebagai tergulung 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 hidup secara stabil sendirian, hanya melekat pada permukaan substrat tiga dimensi atau zat di dalam seperti grafit.Baru pada tahun 2004 Andre Geim dan muridnya Konstantin Novoselov melepaskan satu lapisan graphene dari grafit melalui eksperimen bahwa penelitian tentang graphene mencapai perkembangan 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 sambungan gaya van der Waals.

Saat ini, graphene dapat diperoleh dengan banyak cara, 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 melepaskan graphene, lembaran grafit dengan hanya satu lapisan atom karbon tebal, dari sepotong grafit pirolitik tingkat tinggi.Ini nyaman, tetapi pengendaliannya tidak begitu baik, dan graphene dengan ukuran kurang dari 100 mikron (sepersepuluh milimeter) hanya dapat diperoleh, yang dapat digunakan untuk eksperimen, tetapi sulit digunakan untuk praktik aplikasi.Deposisi uap kimia dapat menumbuhkan sampel graphene dengan ukuran puluhan sentimeter di permukaan logam.Meskipun area dengan orientasi yang konsisten hanya 100 mikron [3,4], telah sesuai 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 disusun ulang, yang juga dapat memperoleh sampel graphene dengan sifat yang baik.

Grafena adalah bahan baru dengan sifat unik: konduktivitas listriknya sama bagusnya dengan tembaga, dan konduktivitas termalnya lebih baik daripada bahan yang dikenal.Hal ini sangat transparan.Hanya sebagian kecil (2,3%) dari cahaya tampak insiden vertikal yang akan diserap oleh graphene, dan sebagian besar cahaya akan melewatinya.Saking padatnya bahkan atom helium (molekul gas terkecil) tidak dapat melewatinya.Sifat magis ini tidak secara langsung diwarisi dari grafit, tetapi dari mekanika kuantum.Sifat listrik dan optiknya yang unik menentukan bahwa ia memiliki prospek aplikasi yang luas.

Meskipun graphene hanya muncul kurang dari sepuluh tahun, ia telah menunjukkan banyak aplikasi teknis, yang sangat langka di bidang fisika dan ilmu material.Dibutuhkan lebih dari sepuluh tahun atau bahkan puluhan tahun untuk bahan umum berpindah dari laboratorium ke kehidupan nyata.Apa gunanya grafena?Mari kita lihat dua contoh.

Elektroda transparan lembut
Di banyak peralatan listrik, bahan konduktif transparan perlu digunakan sebagai elektroda.Jam tangan elektronik, kalkulator, televisi, layar kristal cair, layar sentuh, panel surya dan banyak perangkat lainnya tidak dapat meninggalkan keberadaan elektroda transparan.Elektroda transparan tradisional menggunakan indium tin oxide (ITO).Karena harga tinggi dan persediaan indium yang terbatas, bahannya rapuh dan tidak fleksibel, 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 bahan itu sendiri baik, itu akan cocok untuk membuat "kertas elektronik" atau perangkat layar lipat lainnya.Oleh karena itu, fleksibilitas juga merupakan aspek yang sangat penting.Grafena adalah bahan yang sangat cocok untuk elektroda transparan.

Peneliti dari Samsung dan Universitas chengjunguan di Korea Selatan memperoleh graphene dengan panjang diagonal 30 inci dengan deposisi uap kimia dan memindahkannya ke film polyethylene terephthalate (PET) setebal 188 mikron untuk menghasilkan layar sentuh berbasis graphene [4].Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, graphene yang ditanam pada foil tembaga pertama-tama diikat dengan pita stripping termal (bagian transparan biru), kemudian foil tembaga dilarutkan dengan metode kimia, dan akhirnya graphene dipindahkan ke film PET dengan pemanasan .

Peralatan induksi fotolistrik baru
Grafena memiliki sifat optik yang sangat unik.Meskipun hanya ada satu lapisan atom, ia dapat menyerap 2,3% cahaya yang dipancarkan di seluruh rentang panjang gelombang dari cahaya tampak hingga inframerah.Angka ini tidak ada hubungannya dengan parameter material graphene lainnya dan ditentukan oleh elektrodinamika kuantum [6].Cahaya yang diserap akan menyebabkan generasi pembawa (elektron dan lubang).Generasi dan transportasi pembawa di graphene sangat berbeda dari semikonduktor tradisional.Hal ini membuat graphene sangat cocok untuk peralatan induksi fotolistrik ultracepat.Diperkirakan peralatan induksi fotolistrik tersebut dapat bekerja pada frekuensi 500 GHz.Jika digunakan untuk transmisi sinyal, ia dapat mengirimkan 500 miliar nol atau satu per detik, dan menyelesaikan transmisi isi dua cakram Blu ray dalam satu detik.

Para ahli dari IBM Thomas J. Watson Research Center di Amerika Serikat telah menggunakan graphene untuk memproduksi perangkat induksi fotolistrik yang dapat bekerja pada frekuensi 10GHz [8].Pertama, serpihan graphene disiapkan pada substrat silikon yang dilapisi dengan silika setebal 300 nm dengan "metode sobek pita", dan kemudian elektroda emas paladium atau emas titanium dengan interval 1 mikron dan lebar 250 nm dibuat di atasnya.Dengan cara ini, perangkat induksi fotolistrik berbasis graphene diperoleh.

Diagram skema peralatan induksi fotolistrik graphene dan foto mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari sampel aktual.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 fotolistrik struktur logam graphene logam ini dapat mencapai frekuensi kerja paling banyak 16ghz, dan dapat bekerja pada kecepatan tinggi dalam rentang panjang gelombang dari 300 nm (ultraviolet dekat) hingga 6 mikron (inframerah), sedangkan tabung induksi fotolistrik tradisional tidak dapat merespon cahaya inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang.Frekuensi kerja peralatan induksi fotolistrik graphene masih memiliki ruang besar untuk perbaikan.Performanya yang unggul membuatnya memiliki berbagai prospek aplikasi, termasuk komunikasi, kendali jarak jauh, dan pemantauan lingkungan.

Sebagai bahan baru dengan sifat unik, penelitian tentang aplikasi graphene muncul satu demi satu.Sulit bagi kami untuk menghitungnya di sini.Di masa depan, mungkin ada tabung efek medan yang terbuat dari graphene, sakelar molekuler yang terbuat dari graphene, dan detektor molekuler yang terbuat dari graphene dalam kehidupan sehari-hari… Grafena yang secara bertahap keluar dari laboratorium akan bersinar dalam kehidupan sehari-hari.

Kita dapat berharap bahwa sejumlah besar produk elektronik yang menggunakan graphene akan muncul dalam waktu dekat.Bayangkan betapa menariknya jika smartphone dan netbook kita bisa digulung, dijepit di telinga, dijejalkan ke saku, atau dililitkan di pergelangan tangan saat tidak digunakan!


Waktu posting: Mar-09-2022