До минулого року єдиним відомим науці способом виробництва графена було нанесення на клейку стрічку найтоншого шару графіту з подальшим видаленням основи. Ця техніка отримала назву «техніки скотча». Однак нещодавно вчені виявили, що існує більш ефективний спосіб отримання нового матеріалу: в якості основи вони стали використовувати шар міді, нікелю або кремнію, який потім видаляється витравлювання (рис.2). Таким способом, прямокутні листи з графена шириною 76 сантиметрів створила команда вчених з Кореї, Японії та Сінгапуру. Мало того що дослідники поставили своєрідний рекорд за розмірами шматка одношарової структури з атомів вуглецю, так вони ще й створили на основі гнучких листів чутливі екрани.
Малюнок 2: Отримання графена методом витравлювання
Руофф і його колеги нанесли вуглецеві атоми на мідну фольгу за допомогою методу хімічного осадження з пари (CVD). Дослідники лабораторії професора Бюня Хея Хону з університету Сункхюнкхвана пішли далі і збільшили листи до розмірів повноцінного екрану. Нова «рулонний» технологія (roll-to-roll processing) дозволяє отримувати з графена довгу стрічку (рис. 3).
Малюнок 3: Зображення нанесених один на одного шарів графена, отримане за допомогою просвічує електронної мікроскопії високої роздільної здатності.
Поверх графенових листів фізики помістили шар адгезивного полімеру, розчинили мідні підкладки, потім відокремили полімерну плівку - вийшов одиничний шар графена. Щоб надати листам велику міцність, вчені тим же способом «наростили» ще три шари графена. В кінці отриманий «бутерброд» обробили азотною кислотою - для поліпшення провідності. Новенький лист графену поміщається на підкладку з поліестеру і проходить між нагрітими валиками (рис. 4).
Малюнок 4: Рулонний технологія отримання графена
Новоутворена структура пропускала 90% світла і володіла електричним опором меншим, ніж у стандартного, але як і раніше дуже дорогого прозорого провідника - оксиду індію та олова (ITO). До речі, використавши листи графена в якості основи сенсорних дисплеїв, дослідники виявили, що їх структура ще й менш тендітна.
Правда, незважаючи на всі досягнення, до комерціалізації технології ще дуже далеко. Прозорі плівки з вуглецевих нанотрубок намагаються витіснити ITO вже досить давно, але виробники ніяк не можуть впоратися з проблемою «мертвих пікселів», які з'являються на дефектах плівки.
Застосування графені в електротехніці і електроніці
Яскравість пікселів в плоскопанельних екранах визначається напругою між двома електродами, один з яких звернений до глядача (рис.5). Ці електроди обов'язково повинні бути прозорими. В даний час для виробництва прозорих електродів застосовується оксид індію, легований оловом (ITO), але ITO є дорогим і не найстійкішим речовиною. До того ж світ незабаром вичерпає свої запаси індію. Графен є більш прозорим і більш стійким, ніж ITO, і вже був продемонстрований ЖК-дисплей з графенових електродом.
Малюнок 5: Яскравість графенових екранів в залежності від напруги, що подається
Графен не тільки відмінний провідник електрики. У нього висока теплопровідність: коливання атомів легко поширюються по вуглецевій сітці пористої структури. Тепловиділення в електроніці - серйозна проблема, оскільки існують межі високих температур, які електроніка здатна витримати. Однак вчені з університету штату Іллінойс виявили, що транзистори, в яких використовується графен, мають цікавим властивістю. У них проявляється термоелектричний ефект, що призводить до зниження температури приладу. Це може означати, що електроніка, побудована на застосуванні графена, залишить в минулому радіатори і вентилятори. Таким чином, привабливість графена в якості перспективного матеріалу для мікросхем майбутнього додатково зростає (рис.6).
Малюнок 6: Щуп атомно-силового мікроскопа, скануючий поверхню графенових-металевого контакту з метою вимірювання температури.
Вченим було непросто виміряти теплопровідність графена. Вони винайшли абсолютно новий спосіб вимірювання його температури, розташувавши плівку з графена довжиною в 3 мкм над точно таким же крихітним отвором в кристалі діоксиду кремнію. Потім плівку нагріли лазерним променем, змусивши її вібрувати. Ці вібрації допомогли розрахувати температуру і теплопровідність.
Отримувати великі листи чистого графена поки ще дуже складно, але завдання можна спростити, якщо шар вуглецю змішати з іншими елементами. У Північно-Західному університеті США графіт окислів і розчинили у воді. Результатом став папероподібний матеріал - графеноксідная папір (рис.7). Вона дуже жорстка і досить проста у виготовленні. Графеноксід придатний в якості міцної мембрани в акумуляторах і паливних елементах.
Малюнок 7: Графеноксідная папір
Мембрана з графена - ідеальна підкладка для об'єктів вивчення під електронним мікроскопом. Бездоганні осередки зливаються на зображеннях в однорідний сірий фон, на якому чітко виділяються інші атоми. До сих пір було практично неможливо розрізнити в електронному мікроскопі найлегші атоми, але з графеном як підкладку можна буде розгледіти навіть малі атоми водню.
Можливості застосування графена можна перераховувати до безкінечності. Нещодавно фізики Північно-Західного університету США з'ясували, що графен можна змішувати з пластиком. Результат - тонкий суперміцний матеріал, що витримує високі температури і непроникний для газів і рідин.
Сфера його застосування - виробництво легких автозаправних станцій, запчастин для автомобілів і літаків, міцних лопатей вітрових турбін. В пластик можна упаковувати харчові продукти, надовго зберігаючи їх свіжими.
Графен не тільки найтонший, але і найміцніший в світі матеріал. Вчені з Колумбійського університету в Нью-Йорку переконалися в цьому, помістивши графен над крихітними отворами в кристалі кремнію. Потім натисканням найтоншої алмазної голки спробували зруйнувати шар графена і виміряли силу тиску (рис.8). Виявилося, що графен в 200 разів міцніший за сталь. Якщо уявити собі графеновий шар товщиною з харчову плівку, він би витримав тиск вістря олівця, на протилежному кінці якого балансував б слон або автомобіль.
Малюнок 8: Тиск на графен алмазної голки