2010年、GeimとNovoselovは、グラフェンでの作業でノーベル物理学賞を受賞しました。この賞は、多くの人々に深い印象を残しました。結局のところ、すべてのノーベル賞の実験ツールが接着テープと同じくらい一般的であるわけではなく、すべての研究オブジェクトが「二次元結晶」グラフェンほど魔法で理解しやすいわけではありません。 2004年の作業は2010年に授与できますが、これは近年のノーベル賞の記録ではまれです。
グラフェンは、2次元のハニカム六角形格子に密接に配置された炭素原子の単一層で構成される一種の物質です。ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、アモルファス炭素のように、それは炭素元素で構成される物質（単純な物質）です。下の図に示すように、フラーレンとカーボンナノチューブは、グラフェンの単一層から何らかの方法で巻き上げられていると見なすことができます。これは、グラフェンの多くの層で積み重ねられています。さまざまな炭素単純物質（グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン）の特性を記述するためのグラフェンの使用に関する理論的研究は60年近く続きましたが、一般に、そのような2次元材料は単独で安定して存在することは困難であると考えられています。 3次元基質表面またはグラファイトのような内部物質にのみ取り付けられています。アンドレ・ガイムと彼の学生のコンスタンティン・ノヴォセロフが実験を通じてグラファイトからグラフェンの単一層を剥奪し、グラフェンの研究が新しい発達を達成したのは2004年まででした。
フラーレン（左）とカーボンナノチューブ（中央）の両方は、グラフェンの単一層によって何らかの方法で巻き上げられていると見なすことができますが、グラファイト（右）は、ファンデルワールス力の接続を通じてグラフェンの複数の層によって積み重ねられます。
今日、グラフェンは多くの方法で取得でき、さまざまな方法には独自の利点と欠点があります。 GeimとNovoselovは簡単な方法でグラフェンを取得しました。スーパーマーケットで利用可能な透明なテープを使用して、高次の熱分解グラファイトから厚い炭素原子の1層のみのグラファイトシートであるグラフェンを剥ぎ取りました。これは便利ですが、制御可能性はそれほど良くありません。サイズが100ミクロン（1ミリメートル1分の1分の1分の1ミリメートル）のグラフェンは取得できます。これは実験に使用できますが、実用に使用することは困難です。アプリケーション。化学蒸気堆積は、金属表面の数十センチメートルのグラフェンサンプルを成長させることができます。一貫した方向のある領域はわずか100ミクロン[3,4]ですが、一部のアプリケーションの生産ニーズに適しています。別の一般的な方法は、炭化シリコン（SIC）結晶を真空中に1100を超えるように加熱することで、表面近くのシリコン原子が蒸発し、残りの炭素原子が再配置され、良好な特性を持つグラフェンサンプルも得ることができます。
グラフェンはユニークな特性を持つ新しい材料です。その電気伝導率は銅と同じくらい優れており、その熱伝導率は既知の材料よりも優れています。それは非常に透明です。垂直入射可視光のわずかな部分（2.3％）のみがグラフェンによって吸収され、ほとんどの光が通過します。それは非常に密度が高いため、ヘリウム原子（最小のガス分子）でさえ通過できません。これらの魔法の特性は、グラファイトからではなく、量子力学から直接継承されます。そのユニークな電気的および光学特性は、幅広いアプリケーションの見通しがあることを決定します。
グラフェンは10年未満しか現れていませんが、多くの技術的アプリケーションを示しています。これは、物理学と物質科学の分野では非常にまれです。一般的な資料が実験室から実生活に移動するには、10年以上かかります。グラフェンの使用は何ですか？ 2つの例を見てみましょう。
柔らかい透明電極
多くの電化製品では、透明な導電性材料を電極として使用する必要があります。電子時計、計算機、テレビ、液晶ディスプレイ、タッチスクリーン、ソーラーパネル、その他多くのデバイスは、透明な電極の存在を残すことはできません。従来の透明電極は、インジウムスズ酸化物（ITO）を使用しています。インジウムの価格が高く、供給が限られているため、材料は脆く、柔軟性が不足しており、電極を真空の中間層に堆積させる必要があり、コストは比較的高くなっています。長い間、科学者はその代替を見つけようとしてきました。透明性、良好な導電性、簡単な準備の要件に加えて、材料自体の柔軟性が良好な場合は、「電子紙」またはその他の折りたたみ式ディスプレイデバイスを作成するのに適しています。したがって、柔軟性も非常に重要な側面です。グラフェンはそのような材料であり、透明な電極に非常に適しています。
韓国のサムスンとチェンジュアン大学の研究者は、化学蒸気沈着により斜めの長さ30インチのグラフェンを入手し、188ミクロンの厚さポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムに移して、グラフェンベースのタッチスクリーンを生成しました[4]。下の図に示すように、銅箔で成長したグラフェンは最初に熱ストリッピングテープ（青色の透明部分）と結合し、次に銅箔が化学法によって溶解し、最後にグラフェンは加熱してPETフィルムに伝達されます。 。
新しい光電誘導装置
グラフェンには非常にユニークな光学特性があります。原子の層は1つしかありませんが、目に見える光から赤外線まで、波長全体の放出光の2.3％を吸収できます。この数は、グラフェンの他の材料パラメーターとは何の関係もなく、量子電気力学によって決定されます[6]。吸収された光は、キャリア（電子と穴）の生成につながります。グラフェンでのキャリアの生成と輸送は、従来の半導体のキャリアとは大きく異なります。これにより、グラフェンは超高速光電気誘導装置に非常に適しています。このような光電誘導装置は、500GHzの頻度で機能する可能性があると推定されています。信号伝送に使用される場合は、5,000億ゼロまたは1秒間のゼロを送信し、1秒で2つのBlu Rayディスクの内容物の送信を完了できます。
米国のIBM Thomas J. Watson Research Centerの専門家は、グラフェンを使用して、10GHz周波数で動作できる光電誘導装置を製造しています[8]。第一に、グラフェンフレークは、「テープ引き裂き方法」により厚さ300 nmのシリカで覆われたシリコン基板上に調製され、次に1ミクロンの間隔と幅250 nmのパラジウムゴールドまたはチタンの金電極を作成しました。このようにして、グラフェンベースの光電誘導装置が得られます。
グラフェン光電誘導装置の概略図と実際のサンプルの走査型電子顕微鏡（SEM）写真。図の黒い短い線は5ミクロンに相当し、金属線間の距離は1ミクロンです。
実験を通じて、研究者は、この金属グラフェン金属構造光電誘導装置がせいぜい16GHzの作業周波数に到達できることを発見し、300 nm（紫外線付近）から6ミクロン（赤外線）から波長範囲の高速で動作することができるが、従来の光電誘導チューブは、長い波長で赤外線に反応することはできません。グラフェン光電誘導装置の作業周波数は、まだ改善のための素晴らしいスペースを持っています。その優れたパフォーマンスにより、通信、リモートコントロール、環境監視など、幅広いアプリケーションの見通しがあります。
ユニークな特性を持つ新しい材料として、グラフェンの適用に関する研究は次々と出現しています。ここでそれらを列挙することは困難です。将来、グラフェンで作られたフィールド効果チューブ、日常生活で作られたグラフェン、およびグラフェンで作られた分子検出器で作られた分子スイッチがあるかもしれません。
グラフェンを使用した多数の電子製品が近い将来に登場することが期待できます。スマートフォンやネットブックを巻き上げたり、耳に固定したり、ポケットに詰めたり、使用していないときに手首に巻き付けられるかどうかを考えてみてください！
投稿時間：3月9日 - 2022年