Graphene ไม่ใช่แค่เลโก้ในกล่องของเล่นวิทยาศาสตร์ - วัสดุเท่านั้น

What's Graphene And Why It'll Soon Take Over The World (มิถุนายน 2019).

Anonim

คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับกราฟีนแผ่นคาร์บอนบริสุทธิ์หนึ่งอะตอมซึ่งเป็นความโกรธแค้นในวงการวัสดุศาสตร์และได้รับสื่อมากมายเช่นกัน รายงานมีแตรอัดกราฟีนเป็นวัสดุบางประเภทที่มีความยืดหยุ่นและเป็นสื่อที่มีความยืดหยุ่นสูงเป็นพิเศษ คุณอาจจะถูกขอโทษเพราะคิดว่าอาจจะสามารถช่วยมนุษย์ทุกคนได้จากการลงโทษบางอย่าง

ไม่แน่ ในโลกปัจจุบันของนาโนอิเล็กทรอนิกส์มีอะไรเกิดขึ้นมากกว่าแค่ graphene เท่านั้น โมลิบดีนัม disulphide (MoS₂) เป็นวัสดุชั้นเดียวที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจนอกเหนือจาก graphene MoS₂สามารถดูดกลืนแสงได้มากถึงห้าเท่าของ graphene จึงเป็นประโยชน์ในการตรวจจับแสงและเซลล์แสงอาทิตย์ นอกจากนี้วัสดุที่ใหม่กว่าเช่นโบโรฟิน (วัสดุชั้นหนึ่งที่ทำจากอะตอมโบรอนที่คาดว่าจะมีความแข็งแรงทางกลสูงกว่า graphene) มีการเสนอและสังเคราะห์ทุกวัน

วัสดุเหล่านี้และวัสดุอื่น ๆ ที่ยังไม่ได้ถูกค้นพบจะถูกนำมาใช้เช่นชิ้นเลโก้เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต การจัดวางวัสดุหลายอย่างในรูปแบบต่างๆเราสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่แตกต่างกันในแต่ละผลิตภัณฑ์ได้ อิเล็กทรอนิคส์ใหม่ที่สร้างขึ้นด้วยโครงสร้างที่รวมกันนี้จะเร็วขึ้นเล็กลงทนต่อสภาพแวดล้อมและราคาถูกกว่าสิ่งที่เรามีตอนนี้

กำลังมองหาช่องว่างด้านพลังงาน

มีเหตุผลที่สำคัญคือ graphene จะไม่สามารถใช้เป็นวัสดุรักษาที่หลากหลายซึ่งอาจกระตุ้นให้เกิดประกายไฟ คุณไม่สามารถวาง graphene ซ้ำ ๆ เพื่อให้ได้สิ่งที่คุณต้องการ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์นี้คือการขาดสิ่งที่เรียกว่า "ช่องว่างด้านพลังงาน" (คำศัพท์เทคนิคคือ "ช่องว่างของวง")

โลหะจะนำไฟฟ้าผ่านพวกเขาโดยไม่คำนึงถึงสภาพแวดล้อม อย่างไรก็ตามวัสดุอื่นที่ไม่ใช่โลหะต้องการพลังงานเพิ่มเล็กน้อยจากภายนอกเพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างแถบและเข้าสู่สถานะการดำเนินการ เท่าใดของการเพิ่มความต้องการวัสดุที่เรียกว่าช่องว่างพลังงาน ช่องว่างด้านพลังงานเป็นหนึ่งในปัจจัยที่กำหนดจำนวนพลังงานทั้งหมดที่ต้องนำมาใส่ลงในอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งจากความร้อนหรือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เพื่อทำให้กระแสไฟฟ้า คุณจำเป็นต้องใส่พลังงานเริ่มต้นเพียงพอถ้าคุณต้องการให้อุปกรณ์ของคุณทำงาน

วัสดุบางชนิดมีช่องว่างที่มีขนาดใหญ่จนแทบไม่มีพลังงานใดที่จะทำให้อิเล็กตรอนไหลผ่านได้ วัสดุเหล่านี้เรียกว่า insulators (think glass) วัสดุอื่น ๆ มีช่องว่างขนาดเล็กมากหรือไม่มีช่องว่างเลย วัสดุเหล่านี้เรียกว่าโลหะ (think copper) นี่คือเหตุผลที่เราใช้ทองแดง (โลหะที่มีกระแสไฟฟ้าทันที) สำหรับการเดินสายไฟในขณะที่เราใช้พลาสติก (ฉนวนกันความร้อนที่บล็อกไฟฟ้า) เป็นตัวเคลือบป้องกันด้านนอก

ทุกสิ่งทุกอย่างที่มีช่องว่างระหว่างสองสุดขั้วนี้เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ (think silicon) สารกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิตามทฤษฎีของศูนย์สัมบูรณ์จะทำตัวเป็นตัวฉนวนเพราะไม่มีพลังงานความร้อนเพื่อให้อิเล็กตรอนของพวกมันเข้าสู่สถานะนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตามในอุณหภูมิห้องความร้อนจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบจะให้พลังงานเพียงพอในการรับอิเล็กตรอนบางตัว (เพราะฉะนั้นคำว่า "กึ่ง") ในช่องว่างของกลุ่มเล็ก ๆ และเข้าสู่สถานะการดำเนินการพร้อมที่จะนำไฟฟ้า

ช่องว่างด้านพลังงานของกราฟีน

Graphene เป็นโลหะกึ่งโลหะ มันไม่มีช่องว่างด้านพลังงานซึ่งหมายความว่ามันจะเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าตลอดเวลา - คุณไม่สามารถปิดนำไฟฟ้าได้

นี่เป็นปัญหาเนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้กระแสไฟฟ้าในการสื่อสาร ในระดับพื้นฐานที่สุดคอมพิวเตอร์สื่อสารกันโดยการส่งสัญญาณเข้าและออกของ 0 และ 0 หากคอมโพเนนต์ของคอมพิวเตอร์ทำมาจากกราไฟท์ระบบจะเปิดอยู่ตลอดเวลา มันจะไม่สามารถดำเนินการได้เนื่องจากการขาดช่องว่างด้านพลังงานทำให้ graphene ไม่สามารถกลายเป็นศูนย์ได้ คอมพิวเตอร์จะคอยอ่านอยู่ตลอดเวลา 1 ครั้ง สารกึ่งตัวนำตรงกันข้ามมีช่องว่างด้านพลังงานที่มีขนาดเล็กพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนบางตัวสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ แต่มีขนาดใหญ่พอที่จะมีความแตกต่างระหว่างสถานะการเปิดและปิด

ค้นหาวัสดุที่เหมาะสม

ความหวังทั้งหมดไม่สูญหายอย่างไรก็ตาม นักวิจัยกำลังมองหาวิธีหลักสามวิธีในการแก้ไขปัญหานี้

การใช้วัสดุชนิดใหม่ที่คล้ายคลึงกับ graphene ที่มีช่องว่างด้านพลังงานที่เพียงพอและหาแนวทางในการปรับปรุงการนำไฟฟ้าของพวกเขาเองด้วยการปรับตัวของ graphene เพื่อสร้างช่องว่างด้านพลังงานนี้รวม graphene กับวัสดุอื่น ๆ เพื่อเพิ่มสมบัติรวมของพวกเขา

ขณะนี้มีวัสดุชั้นเดียวอยู่หลายประเภทที่มีช่องว่างด้านพลังงานเพียงพอ หนึ่งวัสดุดังกล่าวMoS₂ได้รับการศึกษาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเพื่อเป็นการทดแทนซิลิคอนแบบดั้งเดิมและยังเป็นเครื่องตรวจจับแสงและเซ็นเซอร์ก๊าซ

ข้อเสียเปรียบเพียงอย่างเดียวกับวัสดุอื่น ๆ เหล่านี้คือจนถึงขณะนี้เรายังไม่พบวัสดุที่ตรงกับความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมของเกรน วัสดุอื่น ๆ สามารถปิดได้ แต่เมื่อเปิดไม่ได้ดีเท่ากับ graphene MoS₂ตัวเองคาดว่าจะมี 1/15 ถึง 1 / 10th การนำของ graphene ในอุปกรณ์ขนาดเล็ก นักวิจัยซึ่งรวมถึงผมกำลังมองหาวิธีการปรับเปลี่ยนวัสดุเหล่านี้เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้า

การใช้ graphene เป็นส่วนผสม

แปลกที่ช่องว่างด้านพลังงานในกราไฟท์สามารถเกิดขึ้นได้จากการดัดแปลงเช่นการดัดมันเปลี่ยนเป็น nanoribbon ใส่สารเคมีต่างประเทศเข้าไปในมันหรือใช้ graphene สองชั้น แต่การปรับเปลี่ยนเหล่านี้แต่ละครั้งสามารถลดการนำไฟฟ้าของกราไฟท์หรือ จำกัด วิธีการใช้งานได้

เพื่อหลีกเลี่ยงการติดตั้งเฉพาะเราก็สามารถรวม graphene กับวัสดุอื่น ๆ โดยการทำเช่นนี้เรายังรวมคุณสมบัติของวัสดุเพื่อเก็บเกี่ยวผลประโยชน์ที่ดีที่สุด ตัวอย่างเช่นเราสามารถสร้างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ ๆ ที่มีวัสดุช่วยให้สามารถปิดหรือเปิด (เช่นMoS₂) แต่มีการนำไฟฟ้าที่ดีเมื่อเปิดใช้งาน เซลล์แสงอาทิตย์ใหม่จะทำงานในแนวคิดนี้

โครงสร้างที่รวมกันได้เช่นแผงโซลาร์เซลล์ที่ทำขึ้นสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: เราสามารถวางวัสดุป้องกันที่โปร่งใสและบาง ๆ เหนือวัสดุเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากซึ่งอาจจะอยู่ด้านบนของวัสดุที่เป็น ดีเยี่ยมในการทำกระแสไฟฟ้าไปยังแบตเตอรี่ใกล้ ๆ ชั้นกลางอื่น ๆ อาจรวมถึงวัสดุที่สามารถตรวจจับก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นมีเทนหรือคาร์บอนไดออกไซด์

นักวิจัยกำลังแข่งกันเพื่อค้นหาสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน ใครก็ตามที่พบชุดที่ดีที่สุดในที่สุดจะได้รับสิทธิ์ในการจดสิทธิบัตรมากมายสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ได้รับการปรับปรุง

ความจริงก็คือแม้ว่าเราไม่ทราบว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตของเราจะมีลักษณะอย่างไร เลโก้ใหม่ชิ้นมีการคิดค้นตลอดเวลา; วิธีที่เรากองหรือจัดเรียงใหม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเช่นกัน สิ่งที่แน่นอนคือภายในของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะมีความแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดในอนาคตมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

menu
menu