Analyse der Eigenschaften, Anwendungen und des Entwicklungsstatus von Graphen

Vor kurzem hat das China Graphene Standardization Forum den weltweit ersten kommerziellen Graphen-Femtosekunden-Faserlaser veröffentlicht. Dieses Produkt löst die wichtigsten technischen Probleme der kostengünstigen Übertragung von Graphen in großem Maßstab und der Wechselwirkung von Graphen mit der Lichtfeldstärke. Graphen hat auf dem Gebiet der Lasertechnologie seit einiger Zeit große Beachtung gefunden.

Im Jahr 2004 trennten zwei in Russland geborene britische Wissenschaftler erfolgreich Graphen von Graphit. Graphen kombiniert die besten Qualitätsmaterialien der Welt. Graphen ist zweifellos der schillerndste aller "Sterne" des letzten Jahrzehnts und sogar der Jahrzehnte. Wenn das 20. Jahrhundert das Jahrhundert des Siliziums ist, ist das magische Graphen der Liebling des neuen Materials des 21. Jahrhunderts.

Obwohl es seit weniger als zehn Jahren nicht mehr gefunden wurde, hat Graphen in wissenschaftlichen und industriellen Kreisen Turbulenzen ausgelöst. Als das Verständnis der Menschen allmählich klar wurde, wurde sein mysteriöser Schleier genauso wie am Anfang aufgedeckt - dünn und hart, gute Transparenz, starke Wärmeleitfähigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit, stabile Struktur und schnelle Elektronenmigrationsgeschwindigkeit können das beobachten Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperatur.

Von der Hypothese zur Realität

Die Entdeckung von Graphen ist bedeutsam, weil es viele "Aufzeichnungen" schafft.

Graphen ist ein Grundmaterial, das Kohlenstoff-Allotrope wie Graphit, Holzkohle, Kohlenstoffnanoröhren und Fullerene bildet, und ist ein zweidimensionaler Kristall.

Die Struktur von Graphen wurde immer nur theoretisch als existent angesehen und kann nicht allein stabil vorhanden sein. Bis 2004 trennten die britischen Physiker Andre Heim und Konstantin Novoselov Graphen erfolgreich von Graphit und bestätigten, dass es allein existieren kann.

Zunächst entfernte der Wissenschaftler die Graphitplatte vom Graphit und klebte dann die beiden Seiten der Platte auf ein spezielles Klebeband. Das Klebeband wurde abgezogen, um die Graphitplatte in zwei Teile zu teilen. Durch wiederholte Operationen werden die Graphitplatten immer dünner. Schließlich erhielten sie eine Schicht, die nur aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen bestand, nämlich Graphen.

Mit dem „kreativen Experiment in zweidimensionalen Graphenmaterialien“ gewannen die beiden Wissenschaftler gemeinsam den Nobelpreis für Physik 2010.

Die Entdeckung von Graphen ist bedeutsam, weil es viele „Aufzeichnungen“ schafft.

Graphen ist das dünnste Material der Welt.

'Graphit ist nur 0,34 Nanometer dick und die Dicke von 100.000 Graphenschichten entspricht in etwa dem Durchmesser einer Haarsträhne, die für das bloße Auge unsichtbar ist. Haofei Shi, stellvertretender Direktor des Forschungszentrums für Mikro-Nano-Herstellung und Systemintegration des Chongqing-Forschungsinstituts der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, beschrieb dies in einem Interview mit dem Journal der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Graphen ist die intensivste Substanz, die dem Menschen bekannt ist.

Es ist härter als Diamanten und 100-mal stärker als der beste Stahl der Welt.

Physiker an der Columbia University verwendeten Diamantsonden, um die Beständigkeit von Graphen zu testen. Der maximale Druck, der pro 100 Nanometer gemessen werden kann, bevor die Partikel der Graphenproben aufgebrochen wurden, begann 2,9 Mikro-N zu erreichen. Das heißt, wenn Sie einen Beutel aus Graphen herstellen, kann er ungefähr zwei Tonnen Gegenständen standhalten.

Graphen hat einen extrem niedrigen spezifischen Widerstand und die Elektronenmigration ist extrem schnell.

In Graphen können Elektronen mit einer Migrationsrate von nur einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit sehr effizient wandern, viel höher als in herkömmlichen Halbleitern und Leitern wie Silizium und Kupfer.

Die Elektronik scheint keine Masse im Graphen zu haben, und die Bewegungsgeschwindigkeit ist sehr hoch. Changyu Zeng, Professor an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China, sagte, dass die Eigenschaften der Elektronenenergie, die nicht erschöpft werden, dieses Material außergewöhnliche Eigenschaften haben.

Ein weiteres Merkmal des Materials ist die Überraschung von Materialwissenschaftlern, das Material ist fast vollständig transparent und die Lichtdurchlässigkeit liegt über 97%.

Im Jahr 2012 entwickelte IBM USA erfolgreich die erste integrierte Schaltung aus Graphenwafern, bei der die besonderen elektrischen Eigenschaften von Graphen die Anwendungsaussichten zeigten. Hongjun Gao, ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte: „Graphenmaterialien haben hervorragende elektrische Eigenschaften und werden voraussichtlich zur Herstellung von Hochleistungselektronikgeräten der nächsten Generation verwendet.“

Führung der technologischen Revolution

Weltweit steigt die Begeisterung für Graphenforschung und -anwendungen weiter an

Die mysteriösen und magischen besonderen Eigenschaften von Graphen machen die Menschen voller Illusionen über seine Anwendung.

In China ist die Anwendungsforschung zu Graphen in vollem Gange.

China ist führend in der Grundlagenforschung und Industrialisierung von Graphen, und viele Forschungsteams haben Durchbrüche in der Leistungsforschung und Herstellungstechnologie von Graphen erzielt. Unter anderem wurde die Technologie zur Herstellung von Graphenfilmen des Chongqing-Instituts für grüne intelligente Technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zu einem Preis von 210 Millionen Yuan übertragen, was Forscher und Entwickler dazu veranlasste, sich zu bewegen.

Weltweit steigt die Begeisterung für Graphenforschung und -anwendungen weiter an.

Laut Statistiken der Cambridge Intellectual Property Corporation wurden im Mai dieses Jahres insgesamt 9.218 Graphenpatente genehmigt und werden weltweit angewendet. Die Anzahl der Patentanmeldungen hat sich in den letzten fünf Jahren vervierfacht. seit 2004 graphit Die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Olefine nehmen exponentiell zu. Die Gesamtzahl der Papiere hat bisher 20.000 überschritten, allein 2012 waren es mehr als 6.000.

Noch nie wurde ein Material in verschiedenen Bereichen wie Graphen verwendet. Changyi Zeng war der Ansicht, dass es im In- und Ausland zwar keine echten Graphenprodukte gibt, es aber das Material ist, das vielen „Sternen“ -Materialien am nächsten kommt.

Ultraleichte Körperschutzkleidung, Laserwaffe mit superleichter Umwandlungseffizienz, ultradünne ultraleichte Flugzeuge, ultradünnes faltbares Mobiltelefon, hochfeste Materialien für die Luft- und Raumfahrt, leistungsstarke energiespeicher und Sensoren, Superkondensatoren und noch mehr Raum für Fantasie Aufzüge, Immer mehr zukünftige Geräte auf Basis von Graphenmaterialien sind in das Forschungsfeld der Wissenschaftler eingetreten.

Unter diesen ist die Anwendung transparenter Elektroden am attraktivsten. Die gute elektrische Leitfähigkeit und die Lichtübertragungseigenschaften von Graphen machen es zu einer sehr guten Anwendungsperspektive für transparent leitende Elektroden. Changjun Zeng sagte, dass Touchscreens, Flüssigkristallanzeigen, organische Photovoltaikzellen, organische Leuchtdioden usw. in elektronischen Produkten nun gute transparente leitfähige Elektrodenmaterialien erfordern.

Die herkömmliche Leitfähigkeitselektrode verwendet Indiumzinnoxid, das relativ spröde und relativ leicht zu beschädigen ist.

Im Gegensatz dazu ist Graphen nicht nur härter, sondern auch leistungsfähiger.

"Die Lichtdurchlässigkeit von Indiumzinnoxid ist relativ niedrig. Mit Graphen wird der Bildschirm heller." Changjun Zeng sagte, dass die Anwendung von Graphen in transparenten Elektroden die Kosten für elektronische Geräte erheblich senken und sie energieeffizienter und klarer machen wird. "Ein Jahrzehnt lang kann Graphen sicherlich in transparenten Elektroden kommerzialisiert werden."

Mehr als 97% der Lichtdurchlässigkeit haben zu Änderungen bei der Anwendung transparenter Elektroden geführt und es auch ermöglicht, die Solarindustrie zu verbessern.

Experten zufolge handelt es sich bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Solarmodulen im Wesentlichen um polykristallines Silizium, und die photoelektrische Umwandlungsrate beträgt etwa 30%, während die photoelektrische Umwandlungseffizienz der Graphen-Solartechnologie bis zu 60% beträgt, was doppelt so hoch ist wie die des vorhandenen Polysiliciums Solartechnologie.

Kürzlich haben das Massachusetts Institute of Technology und Apple Forschungsberichte über die Möglichkeit von Graphen als Solarzelle zur Energieversorgung elektronischer Geräte veröffentlicht. Apple hat eine Patentanmeldung eingereicht, um Graphen-Sonnenenergie in elektronischen Geräten zu transportieren. Die Batterie bietet eine Lösung.

Zhaoping Liu, ein Forscher am Institut für Materialtechnologie und -technik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte in einem Interview mit dem Journal der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass Graphen-Mikrochips einen zweidimensionalen leitenden Kontakt mit Partikeln aus aktiven Lithiummaterialien herstellen können -ion Batterien und Aufbau eines dreidimensionalen leitenden Netzwerks in den Elektroden können die Gesamtleistung der Batterie erheblich verbessern.

Vorläufige experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Lithium-Kobaltoxid-Batterie mit Graphen-Leitfähigkeit eine Kapazität von mehr als 3% aufweist und die Entladekapazität im Vergleich zur herkömmlichen Batterie von 72% auf 92% gestiegen ist.

Durchbruch bei der Vorbereitungstechnologie

Die Aufbereitungstechnologie ist eines der Hindernisse für Graphen, um in das Anwendungsfeld einzutreten und die Industrialisierung zu verwirklichen

Trotz der zunehmend gründlichen Erforschung von Graphen durch in- und ausländische Wissenschaftler tauchen die Ergebnisse ihrer Anwendung ständig auf. Es gibt jedoch nur wenige echte Graphenmaterialien auf dem Markt.

Die Aufbereitungstechnologie ist eines der Hindernisse für den Eintritt von Graphen in das Anwendungsgebiet und die Realisierung der Industrialisierung. Die kostenintensive Zubereitungstechnologie hat den Marktpreis für Graphen in die Höhe getrieben, und sein Preis erreichte einmal 5.000 Yuan pro Gramm, was mehr als dem Zehnfachen des Goldpreises entspricht.

Hongjun Gao erklärte auf der Xiangshan Science Conference zum Thema Graphen Ende letzten Jahres unverblümt. China steht im Forschungsbereich der Graphenherstellungsmethoden nach wie vor vor großen Herausforderungen. 'Die Herausforderung besteht hauptsächlich darin, hochwertige Einkristallmaterialien mit großflächigen und kontrollierbaren Verunreinigungsdefekten herzustellen und die Graphenverarbeitungstechnologie der bestehenden Prozessfusion auf Siliziumbasis zu verbessern. Trotzdem haben chinesische Wissenschaftler einen großen Durchbruch bei der Entwicklung der Graphenpräparationstechnologie erzielt. Zhaoping Liu führte das Forschungsteam durch jahrelange Bemühungen zur Entwicklung einer industriellen Graphen-Aufbereitungstechnologie, bei der die Herstellungskosten für Graphen von 5.000 Yuan pro Gramm auf 3 Yuan pro Gramm gesenkt wurden und eine große Anzahl von Bestellungen von ausländischen Kunden direkt eingingen.

Anfang dieses Jahres kündigte das Chongqing-Institut für grüne und intelligente Technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Herstellung von einschichtigem 15-Zoll-Graphen an und brachte erfolgreich eine transparente Graphenelektrode auf einem resistiven Touchscreen an, um einen 7-Zoll-Touchscreen herzustellen Graphen-Touchscreen.

Es ist erwähnenswert, dass die beiden oben genannten Forschungsteams gemeinsam mit der Shanghai Nanjiang Group eine professionelle Graphenproduktionsfirma gegründet haben, um Graphen-Mikrochips bzw. Graphenfilme herzustellen.

Das Forschungsteam von Changjun Zeng, dem Nationalen Labor für mikroskalige Materialwissenschaften, hat einen anderen Ansatz gewählt. Das herkömmliche Graphenwachstum auf der Basis einer gasförmigen Kohlenstoffquelle muss die hohe Temperatur von 1000 ° C auf 300 ° C senken, wodurch die niedrigste Temperatur für die chemische Gasphasenabscheidung von Graphen erzeugt wird.

Mit der Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Graphen reifen auch die Bedingungen für die industrielle Produktion, und es wird angenommen, dass in den nächsten Jahren weiterhin neue Produkte aus Graphen entstehen werden, sagte Changyu Zeng.

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