Graphen: Aus dem Nobelpreis für Physik 2010

Der Nobelpreis für Physik 2010 wurde an zwei Physiker in Großbritannien, Andre Geim und Konstantin Novoselov, für ihre Beiträge zur Graphenforschung verliehen. Der diesjährige Physikpreis hat verschiedene Plätze.

Zuallererst ist dies der erste Physikpreis für Kohlenstoff in der Geschichte. Wir wissen aus der High School, dass Kohlenstoff zwei Kristallformen hat, eine ist Diamant, der für den teuersten Schmuck verwendet wird, und die andere ist Graphit, der für den gängigsten Bleistift verwendet wird. Wir wissen auch, dass Diamant das härteste natürliche Material ist. Graphit ist sehr "zerbrechlich". Die Kristallstruktur von Graphit ist geschichtet. Die Kohlenstoffatome in jeder Schicht bilden eine feste hexagonale Struktur, und die Bindung zwischen den Schichten ist viel schwächer. Daher wird Graphit leicht in Richtung der Schicht gespalten. Unter den gängigen Substanzen, die wir haben, kann die „Zweiseitigkeit“ von Kohlenstoff als einzigartig bezeichnet werden.

Aber die Geschichte hat erst begonnen. 1985 wurde entdeckt, dass Kohlenstoff andere Formen hat: 60 Kohlenstoffatome (C60) können einen Ball bilden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Das Strukturmodell des C60 ähnelt einem Fußball und wird daher auch Fußball genannt. Die Entdeckung des C60 wurde 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Später entdeckten die Menschen die sogenannten "Kohlenstoffnanoröhren", eine röhrenförmige Struktur aus Kohlenstoffatomen mit einem Durchmesser von etwa 1 Nanometer, die jedoch mehrere Zentimeter lang sein kann. Das preisgekrönte Graphen ist ein einschichtiger Film aus Kohlenstoffatomen, bei dem es sich um eine Schicht Graphit handelt. Obwohl Kohlenstoff das bekannteste Element und der Hauptbestandteil unseres Körpers ist und seit vielen Jahren Gegenstand der Physik ist, ist die Arbeit an der Kohlenstoffstruktur das erste Mal, dass sie den Nobelpreis für Physik erhält.

Die Physics Awards 2010 waren die ersten preisgekrönten Arbeiten im 21. Jahrhundert (2004). Einer der Gewinner, Noosalov, war der jüngste Physik-Gewinner seit 1973. Normalerweise ist der Nobelpreis für Wissenschaft ein bisschen "archäologisch", und nur eine Handvoll Jobs werden bald Preise gewinnen. Die Bedeutung von Graphen ist seit seiner Einführung weithin anerkannt. Nehmen Sie das maßgeblichste Fachjournal der Physik, PhysicalReviewLetters. Vor der Vergabe von Gamm und anderen gab es nur 21 Artikel über Graphen. Zum Zeitpunkt der Bekanntgabe des Nobelpreises im Oktober 2010 enthielt der Artikel 1.476 Artikel. Bereits vor der Bekanntgabe des Nobelpreises gehörte die Zitierrate von Noosholovs Arbeiten zu den besten der physischen Welt. Es ist zu erkennen, dass diese Arbeit ein neues Feld geschaffen und schnell ein hohes Maß an Aufmerksamkeit erlangt hat. Daher ist diese Graphenarbeit für das "grüne Auge" nominiert, es sollte gesagt werden, dass es gut verdient ist.

Graphen "berühmt" ist keineswegs zufällig, sondern weil es in der Tat ein sehr magisches Material ist. Theoretisch haben zweidimensionale elektronische Systeme viele einzigartige Eigenschaften, und die Quanten-Hall-Effekt-Forschung hat zwei Nobelpreise gewonnen. Seit vielen Jahren suchen Menschen nach einer geeigneten experimentellen Plattform für zweidimensionale elektronische Systeme. Graphen ist das erste echte zweidimensionale System. Sein Kristallgitter ist sehr regelmäßig, daher ist es ein gutes experimentelles Material und kann selbst bei normaler Temperatur viele interessante Quantenphänomene zeigen. Die Entwicklung der Graphenforschung ermöglicht es uns auch, andere zweidimensionale Gittermaterialien zu erhalten.

Noch wichtiger ist, dass die äquivalente Elektronenmasse in Graphen aufgrund seiner einzigartigen Bandstruktur Null ist. Dies bedeutet, dass diese Elektronen (genau genommen äquivalente Träger) wie Photonen dem Relativitätsgesetz folgen, obwohl ihre Bewegungsgeschwindigkeit nur wenige Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Zum Beispiel haben sie physikalische Parameter wie "Polarisation". Daher ist Graphen immer noch eine Plattform zur Beobachtung und Überprüfung des Quantenrelativismus.

Aus Sicht der Anwendung ist Graphen ein sehr attraktives elektronisches Material. Da es nur eine Atomschicht hat, können seine Elektronendichte und Leitfähigkeit leicht durch angelegte Spannung gesteuert werden. Und sein Kristallgitter ist fast perfekt, so dass sich die Elektronen sehr schnell bewegen. Gegenwärtig hat die Triode aus Graphen eine Frequenz von einer Billion Hz erreicht, die mehrere hundert Mal höher ist als die Taktfrequenz aktueller gewöhnlicher Computer. Diese Frequenz wurde mit dem fernen Infrarot verbunden, wodurch die Lücke zwischen elektronischer Frequenz und optischer Frequenz beseitigt wurde. Graphen hat auch einzigartige optische Eigenschaften, die Displays und Solarzellen neue Technologieoptionen bieten können.

Wir alle kennen das "Mooresche Gesetz" und sagen voraus, dass die Größe von Halbleiterbauelementen immer kleiner wird. Wenn die Vorrichtungsgröße jedoch nur einige hundert und mehrere zehn Atome beträgt, ist das Material nicht der ursprüngliche Kristall und seine elektronischen Eigenschaften sind nicht mehr dieselben. Daher sagen die Leute normalerweise voraus, dass Moores Gesetz vor dem Ende steht. Die Atomstruktur von Graphen ist jedoch sehr stabil und bleibt auch mit nur einem Sechseck stabil. Daher hat Graphen das Potenzial, echte Nanokomponenten herzustellen, sogar Einzelelektronentrioden. Durch die Reduzierung der Komponentengröße können mehr Komponenten auf dem Chip gleicher Größe hergestellt werden, wodurch die Chipkomplexität erhöht und die Kosten gesenkt werden. Noch wichtiger ist, dass die Reduzierung der Komponentengröße auch die Geschwindigkeit und den Stromverbrauch erhöht. Daher spielt Graphen wahrscheinlich eine wichtige Rolle in zukünftigen elektronischen Produkten.

Ultradünnes Graphen hat chemisch eine konkurrenzlose Oberfläche und ist daher hochreaktiv. Es kann einige der aktuellen Graphitanwendungen ersetzen, um eine überlegene Leistung zu erzielen. Sie hofft auch, in der Zukunft der Energietechnologie als Material zur Speicherung von Wasserstoff eine Rolle zu spielen. Die mechanische Festigkeit und Zähigkeit von Graphen sind ebenfalls erstaunlich und viel stärker als Stahl. Daher sind auch damit hergestellte Verbundwerkstoffe vielversprechend.

Neben der Bedeutung der Forschungsarbeit wurden die Physikpreise 2010 erstmals an einen Gewinner des „IgNobelPrize“ vergeben. Es stellt sich heraus, dass Gamma Laboratories eine Tradition des "Friday Evening Project" hat, bei dem ein Zehntel der Zeit verwendet wird, um etwas zu tun, das interessant, aber nicht unbedingt fruchtbar oder nicht unbedingt wichtig ist. Einmal schwebte er den Frosch in einem starken Magnetfeld, um den diamagnetischen Effekt zu demonstrieren. Dieses lustige Experiment brachte ihm nicht nur den Nobelpreis 2000 ein, sondern wurde auch als Präsentation im Klassenzimmer verwendet. Die Arbeit von Graphen stammt nicht nur von derselben Person, sondern auch aus dem Forschungsformular "Friday Evening Project"!

Mit anderen Worten ist die Erfindung von Graphen auch sehr zufällig. Vielleicht aus der Laune heraus baten sie einen Doktoranden, zu versuchen, den einschichtigen Atomfilm mechanisch vom Graphit zu trennen, und das Ergebnis schlug fehl. Einige Mitglieder der Gruppe wissen, wie man die Graphitoberfläche mit Klebeband reinigt: Das Klebeband kann eine dünne Materialschicht auf den Graphit kleben. Sie dachten also, wenn Sie diese Materialschicht wiederholt mit Klebeband trennen, kann sie dann nicht immer dünner werden und schließlich nur eine Atomschicht? Dies ist natürlich eine zufällige Operation, und das Ergebnis muss ein Stapel von Fragmenten unterschiedlicher Dicke sein, während eine einzelne Graphenschicht verborgen ist.

Die Frage ist jedoch: Wie findet man das Produkt dieser einzelnen Schicht? In solchen Maßstäben ist die einzige Möglichkeit zur Messung der Dicke die Rasterkraftmikroskopie (AFM). Dieses Mikroskop tastet die Oberfläche der Probe mit einer Sonde mit einer Spitze im atomaren Maßstab ab, während ein konstanter kleiner Abstand von der Probe eingehalten wird. Diese Bewegung der Sonde zeigt die Dickenkurve des Materials. Aufgrund des präzisen mechanischen Scannens ist dieses Bildgebungsverfahren jedoch langsam und hat ein kleines Sichtfeld. Es ist inkompetent, nach Graphen im "Heuhaufen" -Stil zu suchen. Dies erfordert andere mikroskopische Techniken, um übereinzustimmen. Erstens verwenden sie ein optisches Mikroskop. Sehr dünne Graphitfragmente sind transparent und unter normalen Bedingungen nicht sichtbar. Wenn die Fragmente jedoch auf ein Siliziumwafersubstrat gelegt werden, das mit einer Schicht aus Siliziumdioxid beschichtet ist, beeinflussen diese Filme die Interferenz des Lichts und ändern die Farbe des Bildes. So können diese Filme mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden. Natürlich kann diese Methode nur dickere Filme beobachten, sehr dünne, und nur eine oder mehrere Schichten von Atomen sind noch unsichtbar. Dies erfordert ein anderes Mikroskop: ein Rasterelektronenmikroskop (REM). Diese Art von Elektronenmikroskop kann Filme mit verschiedenen Dicken sehen, aber die Dicke des Films nicht genau messen. Die Bilder der beiden Mikroskope werden gegenseitig bestätigt. Alles, was vom optischen Mikroskop nicht gesehen werden kann und vom Elektronenmikroskop gesehen werden kann, ist ein sehr dünner Film. Durch Beobachtung dieser Bereiche mit einem Rasterkraftmikroskop kann eine einzelne Graphenschicht gefunden werden. Es ist ersichtlich, dass dieser Suchvorgang "gemeinsame Operationen" von drei Mikroskopen erfordert. Und dieser Forschungsraum hat genau die Voraussetzungen für diese gemeinsame Operation. Glücklicherweise hatte das verwendete Siliziumsubstrat erst danach eine geeignete Dicke von Siliziumdioxid. Wenn sich die Dicke geringfügig ändert, werden diese Graphitfragmente nicht angezeigt.

Aber um den Nobelpreis zu gewinnen, reicht Glück allein nicht aus. Graphen wurde hergestellt, und es ist nicht einfach, das Interesse der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu wecken, da dies kein heißes Thema ist. Sicher genug, ihr Originalpapier wurde von der Natur zweimal abgelehnt. Aber die Autoren gaben nicht auf. In etwas mehr als einem Jahr veröffentlichten sie eine Reihe interessanter experimenteller Ergebnisse, die belegen, dass Graphen ein vielversprechendes Forschungsgebiet ist. Dies hat Tausende von Physikern angezogen, sich mit der Untersuchung von Graphen zu befassen, was zu einem raschen Wachstum auf diesem Gebiet geführt hat.

Wir sagen oft, dass Erfolg "Zeit, Ort und Harmonie" erfordert. Für die Entdeckung von Graphen ist die "Tageszeit" sehr ungünstig. Obwohl die Menschen theoretisch die Existenz und die verschiedenen Eigenschaften von Graphen vorhergesagt haben, hat niemand erfolgreich Graphen hergestellt. Es gibt sogar thermodynamische theoretische Vorhersagen, dass die zweidimensionale Kristallstruktur instabil ist. Daher haben sich weltweit nur wenige Forschungsgruppen mit diesem Thema befasst. Wenn das Gem-Team eine Finanzierung für die Graphenforschung beantragt, wird diese mit ziemlicher Sicherheit abgelehnt. Und ihr Erfolg kommt vom „Standort“: Ihre Labore verfügen zufällig über die Ausrüstung und Technologie, die sie herstellen und testen können. Noch wichtiger ist "menschliche Harmonie": Ihre Forscher sind offen und hartnäckig begeistert! Dieses Beispiel zeigt auch, dass gute Forschung nicht unbedingt große Geldsummen und ein großes Team erfordert. Das Muster der „unbeabsichtigten Weiden“ ist auch in den reifen Naturwissenschaften nicht veraltet. In der Unternehmenswelt gibt es ein 80-20-F & E-Modell, mit dem Mitarbeiter 20% ihrer Zeit für jedes Projekt ihres eigenen Interesses aufwenden können. Das bekannteste Erfolgsbeispiel ist Google. Die „Friday Night“ -Tradition der Gamma Laboratories ist ähnlich.

Der Nobelpreis für Physik 2010 würdigte daher nicht nur eine bedeutende wissenschaftliche Forschungsleistung, sondern auch eine einzigartige wissenschaftliche Forschungsmethode. Ich glaube, dass diese Auszeichnung einen einzigartigen Eindruck in der Geschichte von Nobel hinterlassen wird.

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