Анализ свойств графена, приложений и статуса разработки

Недавно Китайский форум по стандартизации графена выпустил первый в мире коммерческий фемтосекундный волоконный лазер на основе графена. Этот продукт решает ключевые технические проблемы крупномасштабного недорогого переноса графена и взаимодействия графена с напряженностью светового поля. Какое-то время графену уделялось много внимания в области лазерных технологий.

В 2004 году двое британских ученых, родившихся в России, успешно отделили графен от графита. Графен сочетает в себе материалы самого высокого качества в мире. Графен, несомненно, является самой яркой из всех «звезд» последнего десятилетия и даже десятилетий. Если 20-й век - это век кремния, то волшебный графен - любимец нового материала 21-го века.

Хотя его не находили менее десяти лет, графен вызвал волну турбулентности в научных и промышленных кругах. По мере того, как понимание людьми постепенно становилось ясным, таинственная завеса раскрылась так же сильно, как и вначале - тонкая и твердая, хорошая прозрачность, сильная теплопроводность, высокая электропроводность, стабильная структура и быстрая скорость миграции электронов, можно наблюдать квантовый эффект Холла при комнатной температуре.

От гипотезы к реальности

Открытие графена важно, потому что оно создает множество «записей».

Графен - это основной элементарный материал, состоящий из углеродных аллотропов, таких как графит, древесный уголь, углеродные нанотрубки и фуллерены, и представляет собой двумерный кристалл.

Всегда считалось, что структура графена существует только теоретически и не может стабильно существовать в одиночку. До 2004 года британские физики Андре Хейм и Константин Новоселов успешно отделили графен от графита, подтвердив, что он может существовать отдельно.

Первоначально ученый отделил графитовый лист от графита, а затем приклеил две стороны листа на специальную ленту. Лента отслаивалась, чтобы разделить графитовый лист на две части. В результате многократных операций графитовые листы становятся все тоньше и тоньше. Наконец, они получили лист, состоящий только из одного слоя атомов углерода, которым является графен.

За «творческий эксперимент с двумерным графеновым материалом» два ученых совместно выиграли Нобелевскую премию по физике 2010 года.

Открытие графена важно, потому что он создает множество «записей».

Графен - самый тонкий материал в мире.

«Графит имеет толщину всего 0,34 нанометра, а толщина 100 000 слоев графена примерно равна диаметру пряди волос, невидимой невооруженным глазом. Хаофей Ши, заместитель директора Исследовательского центра микронано-производства и системной интеграции Чунцинского научно-исследовательского института Китайской академии наук, рассказал об этом в интервью Журналу Китайской академии наук.

Графен - самое интенсивное вещество, известное человеку.

Она тверже алмазов и в 100 раз прочнее лучшей стали в мире.

Физики Колумбийского университета использовали алмазные зонды для проверки сопротивления графена. Максимальное давление, которое может выдерживаться на 100 нанометров до того, как частицы графеновых образцов будут разрушены, стало достигать 2,9 мкН. Это означает, что если вы сделаете сумку из графена, она сможет выдержать около двух тонн предметов.

Графен имеет чрезвычайно низкое удельное сопротивление, и миграция электронов происходит чрезвычайно быстро.

В графене электроны могут мигрировать очень эффективно, со скоростью миграции, составляющей лишь одну треть скорости света, что намного выше, чем в обычных полупроводниках и проводниках, таких как кремний и медь.

Кажется, что электроника не имеет массы внутри графена, а скорость движения очень высока. Чанъюй Цзэн, профессор Университета науки и технологий Китая, сказал, что характеристики энергии электронов, которая не будет исчерпана, придают этому материалу исключительные характеристики.

Еще одна особенность материала - удивить ученых-материаловедов, он почти полностью прозрачен, а коэффициент светопропускания превышает 97%.

В 2012 году компания IBM USA успешно разработала первую интегральную схему на пластинах графена, которая показала перспективность применения специальных электрических свойств графена. Хунцзюнь Гао, академик Китайской академии наук, сказал: «Графеновые материалы обладают превосходными электрическими свойствами и, как ожидается, будут использоваться в производстве высокопроизводительных электронных устройств следующего поколения».

Направляя технологическую революцию

Во всем мире повальное увлечение исследованиями и приложениями графена продолжает расти.

Загадочные и волшебные особые свойства графена создают у людей иллюзии по поводу его применения.

В Китае полным ходом идут прикладные исследования графена.

Китай находится в авангарде фундаментальных исследований и индустриализации графена, и многие исследовательские группы совершили прорыв в исследованиях производительности и технологии получения графена. Среди них технология подготовки графеновой пленки Чунцинского института экологически чистых интеллектуальных технологий Китайской академии наук была передана по цене 210 миллионов юаней, что вызвало желание исследователей и разработчиков переехать.

Во всем мире продолжается повальное увлечение исследованиями и приложениями графена.

Согласно статистике Кембриджской корпорации интеллектуальной собственности, по состоянию на май этого года в общей сложности 9 218 патентов на графен были одобрены и применяются во всем мире, а количество патентных заявок увеличилось в четыре раза за последние пять лет; с 2004 г., графит Число исследований в области олефинов растет экспоненциально. Общее количество статей превысило 20 тысяч, а только в 2012 году превысило 6 тысяч.

Никогда еще материал не использовался так широко в различных областях, как графен. Чанги Цзэн считал, что, хотя в стране и за рубежом нет реальных продуктов из графена, это самый близкий материал ко многим «звездным» материалам.

Сверхлегкий бронежилет, лазерное оружие с высокой эффективностью преобразования света, ультратонкий сверхлегкий самолет, ультратонкий складной мобильный телефон, высокопрочные аэрокосмические материалы, высокопроизводительный накопитель энергии и датчики, суперконденсаторы и еще более творческое пространство лифты. Все больше и больше устройств будущего на основе графеновых материалов входят в область исследований ученых.

Среди них наиболее привлекательным является применение прозрачных электродов. Хорошая электропроводность и светопропускающие свойства графена делают его очень перспективным для применения в прозрачных проводящих электродах. Чанцзюнь Цзэн сказал, что теперь сенсорные экраны, жидкокристаллические дисплеи, органические фотоэлектрические элементы, органические светодиоды и т. Д. В электронных продуктах требуют хороших прозрачных проводящих электродных материалов.

В традиционном проводящем электроде используется оксид индия и олова, который является относительно хрупким и относительно легко повреждается.

Напротив, графен не только тверже, но и обладает лучшими характеристиками.

«Скорость прохождения света из оксида индия и олова относительно низкая, с графеном экран дисплея будет ярче». Чанцзюнь Цзэн сказал, что применение графена в прозрачных электродах значительно снизит стоимость электронного оборудования, сделает его более энергоэффективным и понятным. «Через десять лет графен, безусловно, можно будет коммерциализировать в прозрачных электродах».

Более 97% светопропускания повлекло за собой изменения в применении прозрачных электродов, а также позволило модернизировать солнечную промышленность.

По словам экспертов, нынешние солнечные панели на рынке в основном представляют собой поликристаллический кремний, и его коэффициент фотоэлектрического преобразования составляет около 30%, в то время как эффективность фотоэлектрического преобразования графеновой солнечной технологии достигает 60%, что вдвое больше, чем у существующих поликремния. солнечная техника.

Недавно Массачусетский технологический институт и Apple опубликовали отчеты об исследованиях о возможности использования графена в качестве солнечного элемента для обеспечения энергией электронных устройств. Apple подала заявку на патент на перенос солнечной энергии графена в электронное оборудование. Батарея предлагает решение.

Чжаопин Лю, исследователь из Института технологии материалов и инженерии Китайской академии наук, сказал в интервью Журналу Китайской академии наук, что графеновые микрочипы могут образовывать двумерный проводящий контакт с частицами активных материалов лития. -ионный аккумулятор и создание трехмерной проводящей сети в электродах может значительно улучшить общие характеристики аккумулятора.

Предварительные экспериментальные результаты показывают, что литий-кобальтоксидная батарея с графеновым проводящим агентом имеет емкость более 3%, а разрядная емкость увеличилась с 72% до 92% по сравнению с обычной батареей.

Прорывная технология приготовления

Технология получения - одно из препятствий для выхода графена на рынок приложений и реализации индустриализации.

Несмотря на все более тщательные исследования графена отечественными и зарубежными учеными, результаты их применения постоянно появляются. Однако на рынке мало настоящих графеновых материалов.

Технология получения является одним из препятствий для выхода графена на рынок приложений и реализации индустриализации. Дорогостоящая технология приготовления привела к росту рыночной цены графена, и однажды его цена достигла 5000 юаней за грамм, что более чем в десять раз превышает цену золота.

Хунцзюнь Гао прямо заявил на Сяншаньской научной конференции по теме графена, состоявшейся в конце прошлого года. Китай по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами в области исследований методов получения графена. «Проблема заключается в основном в том, как приготовить высококачественные монокристаллические материалы с большой площадью и контролируемыми примесными дефектами, а также как улучшить технологию обработки графена в существующей технологии плавления на основе кремния. Несмотря на это, китайские ученые все же достигли крупного прорыва в развитии технологии получения графена. Чжаопин Лю руководил исследовательской группой на протяжении многих лет усилий по разработке технологии промышленного получения графена, что позволило снизить стоимость производства графена с 5000 юаней за грамм до 3 юаней за грамм, что напрямую привело к большому количеству заказов от иностранных клиентов.

В начале этого года Чунцинский институт зеленых и интеллектуальных технологий Китайской академии наук объявил о приготовлении 15-дюймового однослойного графена и успешно применил прозрачный графеновый электрод к резистивному сенсорному экрану, чтобы подготовить 7-дюймовый графеновый сенсорный экран.

Стоит отметить, что две вышеупомянутые исследовательские группы совместно с Shanghai Nanjiang Group создали профессиональную компанию по производству графена для производства графеновых микрочипов и графеновых пленок соответственно.

Исследовательская группа из Национальной лаборатории микромасштабного материаловедения Changjun Zeng придерживается другого подхода. При обычном выращивании графена на основе газообразного источника углерода необходимо снизить высокую температуру с 1000 ° C до 300 ° C, создав самую низкую температуру для химического осаждения графена из паровой фазы.

По словам Чанъюй Цзэна, с обновлением технологии получения графена условия для промышленного производства также улучшаются, и считается, что в ближайшие несколько лет будут появляться новые продукты из графена.

Страница содержит содержимое машинного перевода.