2010 년 Geim과 Novoselov는 그래 핀 작업으로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이상은 많은 사람들에게 깊은 인상을 남겼습니다. 결국, 모든 노벨상 수상 실험 도구는 접착 테이프만큼 일반적이지 않으며, 모든 연구 대상이“2 차원 결정”그래 핀만큼 마술적이고 이해하기 쉬운 것은 아닙니다. 2004 년의 작품은 2010 년에 수여 될 수 있으며, 최근 몇 년간 노벨상 기록에서는 드물다.
그래 핀은 2 차원 벌집 육각형 격자로 밀접하게 배열 된 단일 층의 탄소 원자로 구성된 일종의 물질이다. 다이아몬드, 흑연, 풀러 렌, 탄소 나노 튜브 및 비정질 탄소와 마찬가지로, 탄소 요소로 구성된 물질 (간단한 물질)입니다. 아래 그림에 도시 된 바와 같이, 풀러렌 및 탄소 나노 튜브는 단일 층의 그래 핀으로부터 어떤 방식 으로든 롤업하는 것으로 볼 수 있으며, 이는 많은 층의 그래 핀에 의해 쌓여있다. 다양한 탄소 단순한 물질 (흑연, 탄소 나노 튜브 및 그래 핀)의 특성을 설명하기위한 그래 핀 사용에 대한 이론적 연구는 거의 60 년 동안 지속되어 왔지만, 이러한 2 차원 재료는 일반적으로 단독으로 존재하기가 어렵다고 믿어집니다. 3 차원 기판 표면 또는 흑연과 같은 내부에만 부착. Andre Geim과 그의 학생 Konstantin Novoselov가 그래 핀에 대한 연구가 새로운 개발을 달성했다는 실험을 통해 단일 층의 그래 핀 층을 제거한 것은 2004 년이되어야했습니다.
Fullerene (왼쪽)과 탄소 나노 튜브 (중간)는 어떤 방식 으로든 단일 그래 핀에 의해 롤업되는 것으로 간주 될 수 있으며, 흑연 (오른쪽)은 반 데르 발스 힘의 연결을 통해 여러 층의 그래 핀에 의해 쌓입니다.
오늘날, 그래 핀은 여러 가지 방법으로 얻을 수 있으며, 다른 방법에는 고유 한 장점과 단점이 있습니다. Geim과 Novoselov는 간단한 방식으로 그래 핀을 얻었습니다. 슈퍼마켓에서 구할 수있는 투명 테이프를 사용하여, 그들은 고차 화분화 흑연 조각으로부터 두꺼운 탄소 원자의 하나만있는 흑연 시트 인 그래 핀을 제거했습니다. 이것은 편리하지만 제어 가능성은 그렇게 좋지 않으며 100 미크론 미만의 크기 (1 분의 1 밀리미터)를 가진 그래 핀을 얻을 수 있지만 실험에 사용할 수는 있지만 실용적으로 사용하기가 어렵습니다. 응용 프로그램. 화학 기상 증착은 금속 표면에서 수십 센티미터 크기로 그래 핀 샘플을 성장시킬 수 있습니다. 일관된 방향을 가진 영역은 100 미크론에 불과하지만 [3,4], 일부 응용 분야의 생산 요구에 적합했습니다. 또 다른 일반적인 방법은 진공 상태에서 실리콘 카바이드 (SIC) 결정을 1100 ℃ 이상으로 가열하여 표면 근처의 실리콘 원자가 증발하고 나머지 탄소 원자가 재 배열되어 우수한 특성을 갖는 그래 핀 샘플을 얻을 수있다.
그래 핀은 고유 한 특성을 가진 새로운 재료입니다. 전기 전도도는 구리만큼 우수하며 열전도율은 알려진 물질보다 낫습니다. 매우 투명합니다. 수직 입사 가시 광의 작은 부분 (2.3%) 만 그래 핀에 의해 흡수되며 대부분의 빛은 통과됩니다. 헬륨 원자 (가장 작은 가스 분자)조차 통과 할 수 없을 정도로 밀도가 높습니다. 이러한 마법의 특성은 흑연에서 직접 상속되지 않고 양자 역학에서 나온다. 고유 한 전기 및 광학 특성은 광범위한 응용 전망을 가지고 있다고 결정합니다.
그래 핀은 10 년 미만으로 나타 났지만 많은 기술 응용 분야를 보여 주었는데, 이는 물리 및 재료 과학 분야에서 매우 드물다. 일반 재료가 실험실에서 실제로 이동하는 데 10 년 또는 수십 년이 걸립니다. 그래 핀의 사용은 무엇입니까? 두 가지 예를 살펴 보겠습니다.
부드러운 투명 전극
많은 전기 기기에서 투명 전도성 재료는 전극으로 사용해야합니다. 전자 시계, 계산기, 텔레비전, 액정 디스플레이, 터치 스크린, 태양 전지판 및 기타 여러 장치는 투명한 전극의 존재를 떠날 수 없습니다. 전통적인 투명 전극은 산화된 산화 인듐 주석 (ITO)을 사용합니다. 인듐의 높은 가격과 제한된 공급으로 인해 재료는 부서지기 쉬우 며 유연성이 부족하며 전극은 진공의 중간 층에 증착되어야하며 비용은 비교적 높습니다. 오랫동안 과학자들은 그 대체물을 찾으려고 노력해 왔습니다. 투명성, 우수한 전도성 및 쉬운 준비의 요구 사항 외에도 재료 자체의 유연성이 좋으면 "전자 용지"또는 기타 접이식 디스플레이 장치를 만드는 데 적합합니다. 따라서 유연성도 매우 중요한 측면입니다. 그래 핀은 그러한 물질이며 투명 전극에 매우 적합합니다.
한국의 삼성과 청 후안 대학교 (Chengjunguan University)의 연구원들은 화학 증기 증착에 의해 대각선 길이가 30 인치 인 그래 핀을 얻어 188 미크론 두께의 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET) 필름으로 옮겼다. 아래 그림과 같이, 구리 호일에서 자란 그래 핀은 먼저 열 스트리핑 테이프 (파란색 투명 부분)와 결합 된 다음 구리 포일을 화학적 방법으로 용해시키고, 마지막으로 그래 핀을 가열하여 PET 필름으로 전송된다. .
새로운 광전 유도 장비
그래 핀은 매우 독특한 광학적 특성을 가지고 있습니다. 원자의 층은 하나만 있지만 가시 광선에서 적외선까지 전체 파장 범위에서 방출 광의 2.3%를 흡수 할 수 있습니다. 이 숫자는 그래 핀의 다른 재료 매개 변수와 관련이 없으며 양자 전기 역학에 의해 결정됩니다 [6]. 흡수 된 빛은 캐리어 (전자 및 구멍)의 생성으로 이어질 것입니다. 그래 핀에서 담체의 생성 및 수송은 전통적인 반도체의 운반체와 매우 다르다. 이로 인해 그래 핀은 초고속 광전성 유도 장비에 매우 적합합니다. 이러한 광전 유도 장비는 500GHz의 주파수에서 작동 할 수있는 것으로 추정됩니다. 신호 전송에 사용되면 초당 5 천억 개의 0 또는 초당 0을 전송하고 1 초 안에 두 개의 Blu Ray 디스크의 내용을 전송할 수 있습니다.
미국의 IBM Thomas J. Watson Research Center의 전문가들은 그래 핀을 사용하여 10GHz 빈도에서 작동 할 수있는 광전 유도 장치를 제조했습니다 [8]. 먼저, "테이프 찢어짐 방법"으로 300 nm 두께의 실리카로 덮인 실리콘 기판상에서 그래 핀 플레이크를 제조 한 다음, 1 미크론의 간격을 갖는 팔라듐 골드 또는 티타늄 골드 전극을 250 nm로 만들었다. 이러한 방식으로, 그래 핀 기반 광전 유도 장치가 얻어진다.
그래 핀 광전자 유도 장비의 개략도 및 실제 샘플의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진. 그림의 검은 색 단락은 5 미크론에 해당하며 금속 라인 사이의 거리는 하나의 미크론입니다.
실험을 통해 연구원들은이 금속 그래 핀 금속 구조 광전 유도 장치가 최대 16GHz의 작동 빈도에 도달 할 수 있으며, 300 nm (자외선)에서 6 미크론 (적외선)에서 파장 범위에서 고속으로 작동 할 수 있음을 발견했습니다. 전통적인 광전 유도 튜브는 더 긴 파장으로 적외선에 반응 할 수 없습니다. 그래 핀 광전성 유도 장비의 작동 빈도는 여전히 개선의 여지가 있습니다. 우수한 성능으로 인해 커뮤니케이션, 원격 제어 및 환경 모니터링을 포함한 광범위한 응용 프로그램 전망이 있습니다.
고유 한 특성을 가진 새로운 재료로서, 그래 핀의 적용에 대한 연구는 차례로 떠오르고있다. 우리가 여기에 열거하는 것은 어렵습니다. 미래에는 그래 핀으로 만든 현장 효과 튜브, 그래 핀으로 만든 분자 스위치 및 일상 생활에서 그래 핀으로 만든 분자 감지기가있을 수 있습니다. 실험실에서 점차 나오는 그래 핀은 일상 생활에서 빛날 것입니다.
우리는 그래 핀을 사용하는 많은 전자 제품이 가까운 시일 내에 나타날 것으로 기대할 수 있습니다. 스마트 폰과 넷북이 굴러 가거나 귀에 갇히거나 주머니에 채워져 있거나 사용하지 않을 때 손목을 감싸는 것이 얼마나 흥미로운 지 생각해보십시오!
시간 후 : 3 월 9 일