2010-cu ildə Geim və Novoselov qrafen üzərindəki işlərinə görə fizika üzrə Nobel mükafatını qazandılar. Bu mükafat bir çox insanda dərin təəssürat yaratdı. Axı, hər Nobel mükafatı eksperimental aləti yapışqan lent qədər adi deyil və hər tədqiqat obyekti "ikiölçülü kristal" qrafen qədər sehrli və asan başa düşülən deyil. 2004-cü ildəki iş 2010-cu ildə verilə bilər ki, bu da son illərdə Nobel mükafatı rekordlarında nadir haldır.
Qrafen, iki ölçülü pətək formasında altıbucaqlı qəfəsə sıx yerləşdirilmiş tək qat karbon atomlarından ibarət bir maddə növüdür. Almaz, qrafit, fulleren, karbon nanotubları və amorf karbon kimi, o da karbon elementlərindən ibarət bir maddədir (sadə maddə). Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, fullerenlər və karbon nanotubları bir çox qrafen təbəqəsi ilə üst-üstə düşən tək bir qrafen təbəqəsindən bir şəkildə bükülmüş kimi görünə bilər. Müxtəlif karbon sadə maddələrinin (qrafit, karbon nanotubları və qrafen) xüsusiyyətlərini təsvir etmək üçün qrafenin istifadəsi ilə bağlı nəzəri tədqiqatlar təxminən 60 ildir davam edir, lakin ümumiyyətlə belə ikiölçülü materialların təkbaşına sabit şəkildə mövcud olmasının çətin olduğuna, yalnız üçölçülü substrat səthinə və ya qrafit kimi maddələrin içərisində olduğuna inanılır. Yalnız 2004-cü ildə Andre Geim və tələbəsi Konstantin Novoselov təcrübələr vasitəsilə qrafitdən tək bir qat qrafen təbəqəsini çıxararaq qrafen üzərində aparılan tədqiqatlar yeni inkişafa nail oldu.
Həm fulleren (solda), həm də karbon nanotübü (ortada) bir şəkildə tək bir qrafen təbəqəsi tərəfindən bükülmüş kimi qəbul edilə bilər, qrafit isə (sağda) van der Waals qüvvəsinin birləşməsi ilə bir neçə qrafen təbəqəsi ilə üst-üstə yığılmışdır.
İndiki vaxtda qrafen bir çox yolla əldə edilə bilər və müxtəlif metodların öz üstünlükləri və çatışmazlıqları var. Geim və Novoselov qrafeni sadə bir şəkildə əldə etdilər. Supermarketlərdə mövcud olan şəffaf lentdən istifadə edərək, yüksək dərəcəli pirolitik qrafit parçasından yalnız bir təbəqə karbon atomu qalınlığında olan qrafit təbəqəsi olan qrafeni soydular. Bu rahatdır, lakin idarəolunanlıq o qədər də yaxşı deyil və ölçüsü 100 mikrondan (millimetrin onda biri) az olan qrafen yalnız təcrübələr üçün istifadə edilə bilər, lakin praktik tətbiqlər üçün istifadə etmək çətindir. Kimyəvi buxar çöküntüsü metal səthdə onlarla santimetr ölçüsündə qrafen nümunələri yetişdirə bilər. Sabit istiqamətli sahə cəmi 100 mikron olsa da [3,4], bəzi tətbiqlərin istehsal ehtiyacları üçün uyğun olmuşdur. Digər ümumi bir üsul, səthə yaxın olan silikon atomlarının buxarlanması və qalan karbon atomlarının yenidən düzülməsi üçün silikon karbid (SIC) kristalını vakuumda 1100 ℃-dən çox qızdırmaqdır ki, bu da yaxşı xüsusiyyətlərə malik qrafen nümunələri əldə etməyə imkan verir.
Qrafen unikal xüsusiyyətlərə malik yeni bir materialdır: elektrik keçiriciliyi mis qədər əladır və istilik keçiriciliyi məlum olan hər hansı bir materialdan daha yaxşıdır. Çox şəffafdır. Şaquli düşən görünən işığın yalnız kiçik bir hissəsi (2,3%) qrafen tərəfindən udulur və işığın çox hissəsi keçir. O qədər sıxdır ki, hətta helium atomları (ən kiçik qaz molekulları) belə keçə bilmir. Bu sehrli xüsusiyyətlər birbaşa qrafitdən deyil, kvant mexanikasından miras qalmışdır. Onun unikal elektrik və optik xüsusiyyətləri geniş tətbiq perspektivlərinə malik olduğunu müəyyən edir.
Qrafen cəmi on ildən az müddətdə ortaya çıxsa da, bir çox texniki tətbiqlərə malik olub ki, bu da fizika və materialşünaslıq sahələrində çox nadir haldır. Ümumi materialların laboratoriyadan real həyata keçməsi on ildən çox, hətta onilliklər çəkir. Qrafenin istifadəsi nədir? Gəlin iki nümunəyə baxaq.
Yumşaq şəffaf elektrod
Bir çox elektrik cihazlarında şəffaf keçirici materiallardan elektrod kimi istifadə etmək lazımdır. Elektron saatlar, kalkulyatorlar, televizorlar, maye kristal displeylər, sensor ekranlar, günəş panelləri və bir çox digər cihazlar şəffaf elektrodların mövcudluğundan imtina edə bilməz. Ənənəvi şəffaf elektrod indium qalay oksidindən (ITO) istifadə edir. İndiumun yüksək qiyməti və məhdud tədarükü səbəbindən material kövrəkdir və elastiklik çatışmazlığına malikdir, elektrodun vakuumun orta təbəqəsinə yerləşdirilməsinə ehtiyac var və dəyəri nisbətən yüksəkdir. Uzun müddətdir ki, elm adamları onun əvəzedicisini tapmağa çalışırlar. Şəffaflıq, yaxşı keçiricilik və asan hazırlanma tələblərinə əlavə olaraq, materialın özünün elastikliyi yaxşı olarsa, "elektron kağız" və ya digər qatlanan displey cihazları hazırlamaq üçün uyğun olacaq. Buna görə də elastiklik də çox vacib bir aspektdir. Qrafen şəffaf elektrodlar üçün çox uyğun olan belə bir materialdır.
Cənubi Koreyanın Samsung və Çencjunquan Universitetinin tədqiqatçıları kimyəvi buxar çökdürmə yolu ilə 30 düym diaqonal uzunluğunda qrafen əldə etmiş və qrafen əsaslı sensor ekran yaratmaq üçün onu 188 mikron qalınlığında polietilen tereftalat (PET) filminə köçürmüşlər [4]. Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, mis folqa üzərində yetişdirilən qrafen əvvəlcə termal soyma lenti (mavi şəffaf hissə) ilə yapışdırılır, sonra mis folqa kimyəvi üsulla həll edilir və nəhayət, qrafen qızdırılaraq PET filminə köçürülür.
Yeni fotoelektrik induksiya avadanlığı
Qrafen çox unikal optik xüsusiyyətlərə malikdir. Yalnız bir atom təbəqəsi olsa da, görünən işıqdan infraqırmızıya qədər bütün dalğa uzunluğu diapazonunda yayılan işığın 2,3%-ni udmaq qabiliyyətinə malikdir. Bu rəqəmin qrafenin digər material parametrləri ilə heç bir əlaqəsi yoxdur və kvant elektrodinamikası ilə müəyyən edilir [6]. Udulmuş işıq daşıyıcıların (elektron və dəliklərin) yaranmasına səbəb olacaq. Qrafendə daşıyıcıların yaranması və daşınması ənənəvi yarımkeçiricilərdəkilərdən çox fərqlidir. Bu, qrafeni ultrasürətli fotoelektrik induksiya avadanlıqları üçün çox uyğun edir. Belə fotoelektrik induksiya avadanlıqlarının 500 qhz tezliyində işləyə biləcəyi təxmin edilir. Siqnal ötürülməsi üçün istifadə olunarsa, saniyədə 500 milyard sıfır və ya bir ötürə və iki Blu-ray diskinin məzmununun ötürülməsini bir saniyədə tamamlaya bilər.
ABŞ-dakı IBM Tomas J. Uotson Tədqiqat Mərkəzinin mütəxəssisləri 10 GHz tezliyində işləyə bilən fotoelektrik induksiya cihazları istehsal etmək üçün qrafendən istifadə ediblər [8]. Əvvəlcə 300 nm qalınlığında silisiumla örtülmüş silikon substrat üzərində “lent cırmaq üsulu” ilə qrafen lopaları hazırlanmış, sonra isə üzərində 1 mikron interval və 250 nm eni olan palladium qızılı və ya titan qızılı elektrodlar hazırlanmışdır. Bu şəkildə qrafen əsaslı fotoelektrik induksiya cihazı əldə edilir.
Qrafen fotoelektrik induksiya avadanlığının və skanedici elektron mikroskopunun (SEM) faktiki nümunələrin fotoşəkillərinin sxematik diaqramı. Şəkildəki qara qısa xətt 5 mikrona, metal xətlər arasındakı məsafə isə bir mikrona uyğundur.
Təcrübələr zamanı tədqiqatçılar aşkar etdilər ki, bu metal qrafen metal konstruksiyalı fotoelektrik induksiya cihazı maksimum 16 qhz işləmə tezliyinə çata bilər və 300 nm-dən (yaxın ultrabənövşəyi) 6 mikrona (infraqırmızı) qədər dalğa uzunluğu diapazonunda yüksək sürətlə işləyə bilər, ənənəvi fotoelektrik induksiya borusu isə daha uzun dalğa uzunluğuna malik infraqırmızı işığa cavab verə bilmir. Qrafen fotoelektrik induksiya cihazlarının işləmə tezliyi hələ də təkmilləşdirilmək üçün böyük imkanlara malikdir. Onun üstün performansı onu rabitə, məsafədən idarəetmə və ətraf mühitin monitorinqi də daxil olmaqla geniş tətbiq perspektivlərinə malikdir.
Unikal xüsusiyyətlərə malik yeni bir material olaraq, qrafenin tətbiqi ilə bağlı tədqiqatlar bir-birinin ardınca ortaya çıxır. Bunları burada sadalamaq çətindir. Gələcəkdə gündəlik həyatda qrafendən hazırlanmış sahə effekti boruları, qrafendən hazırlanmış molekulyar açarlar və qrafendən hazırlanmış molekulyar detektorlar ola bilər... Laboratoriyadan tədricən çıxan qrafen gündəlik həyatda parlayacaq.
Yaxın gələcəkdə qrafendən istifadə edən çox sayda elektron məhsulun ortaya çıxacağını gözləyə bilərik. Smartfonlarımızı və netbuklarımızı istifadə etmədikdə bükmək, qulaqlarımıza sıxmaq, ciblərimizə qoymaq və ya biləklərimizə dolamaq nə qədər maraqlı olardı!
Yazı vaxtı: 09 Mart 2022