Переводчик: Куан-Йи Ли Рецензент: Роберт Такер
Углерод является важным элементом жизни,
и также является одним из самых обильных элементов на земле.
Углерод занимает место во втором ряду периодической таблицы,
прямо над кремнием.
Один атом углерода
состоит из 6 протонов, 6 или 7 нейтронов и 6 электронов.
Хорошо известным примером углерода является кончик карандашей.
Кончик карандашей состоит из графита,
который относится к совокупности атомов углерода, слоев атомов углерода.
Каждый слой атомов углерода
образует сотовую структуру, которая называется графеном.
Хотя ученые знали
что графеновые слои являются составляющими для графита,
в течение многих лет они не были уверены
можно ли изолировать монослой графена в природе.
До 2004 года, когда наконец продемонстрировали два британских физика
что один атомный слой графена может быть изолирован и стабилизирован в природе.
Эти два физика,
Д-р Новоселов и д-р Гейм из Манчестерского университета,
не только продемонстрировали, что графен может быть изолирован и стабилизирован в природе,
они также провели подробные исследования свойств графена.
Они обнаружили, что графен показал очень интересные и уникальные свойства
что может быть перспективным для широкого спектра применений.
Поэтому их исследования вызвали большое волнение во всем мире.
Итак, каковы уникальные свойства графена, которые делают его настолько особенным?
Графен, фактически, является электрически и термически высокопроводящим,
поэтому электроны на графене могут двигаться как безмассовые частицы
баллистически по поверхности графена, не будучи рассеянным.
Графен очень тонкий и оптически прозрачный,
поэтому свет может проникать сквозь графен, не будучи отраженным.
Края графена также обладают очень интересными свойствами
которые могут функционировать для химических применений.
Крошечная сотовая структура графена
может позволить только электронам и протонам проникать,
поэтому по этой причине графен можно использовать для фильтрации химических элементов.
Кроме того, графен является механически гибким
и в 200 раз прочнее стали.
Вы можете себе представить, с этими уникальными свойствами,
многие приложения становятся возможными.
Например, отличная электрическая и теплопроводность,
в сочетании с оптической прозрачностью,
сделать возможным графен
для применения в наноэлектронике в интегральных схемах,
к оптоэлектронным компонентам
как солнечные элементы, светоизлучающие диоды, лазеры и дисплеи.
Гибкие и сильные механические свойства графена
может использоваться для легких, высокопрочных материалов
применимые к таким вещам, как транспортные средства, самолеты.
Отличные возможности фильтрации химических веществ графена
позволяет использовать графен в опреснении, детоксикации,
химическое зондирование, секвенирование ДНК и даже доставка лекарств.
Очень интересны и края графена.
На самом деле, существуют два совершенно разных типа ребер графена.
Один называется краем кресла, другой называется зигзагообразными краями.
Ребра зигзага обычно химически более реакционноспособны
и поэтому может функционировать для всех видов химических применений.
Если вы возьмете кусок графена и разрежьте его на маленькие полосы,
то у вас есть графеновые наноуглероды.
У вас может быть крестообразное или зигзагообразное графеновое наноуглероды.
Все эти нанороботы имеют очень большие отношения к площади,
и поэтому они могут быть очень хорошими, очень эффективными,
для зарядки и разрядки.
По этой причине можно использовать графеновые наноуглероды
в суперконденсаторах, батареи для хранения энергии.
Несмотря на все эти замечательные свойства графена,
есть серьезные проблемы, прежде чем мы сможем полностью реализовать потенциал графена.
В частности, нам необходимо разработать надежное крупномасштабное производство графена
с высоким качеством и низкой стоимостью.
В настоящее время существует три типичных способа изготовления графена.
Первый из них называется механическим отслаиванием из графита.
Что это такое, на самом деле связано с использованием клейких лент,
или скотч, с которым вы знакомы.
Вы берете кусочек скотча,
нажмите его против графита, и вы очистите его.
Затем вы получаете крошечные хлопья из графита.
Затем вы повторяете процесс
пока вы, надеюсь, не получите немного маленьких хлопьев графена
которые могут быть однослойными или двухслойными или многослойными.
Как вы можете себе представить,
это метод, который является трудоемким и очень медленным в производстве.
Он не масштабируется:
вы не контролируете качество и размер образцов графена.
Но это был первоначальный метод, используемый двумя лауреатами Нобелевской премии.
Второй метод основан на химическом восстановлении,
который использует очень токсичные химические вещества
для окисления графита в оксид графита,
а затем химически уменьшает оксид графита на крошечные хлопья графена.
Этот метод, опять же, является экологически недружественным,
а также произведенные хлопья графена
неконтролируемы по размеру, количеству слоев и качеству.
Собственно говоря,
большинство из этих графеновых хлопьев состоят из большого количества примесей.
Третий метод называется химическим осаждением из паровой фазы,
который предполагает использование многоэтапных, долгосрочных процессов
выращивания графена на таких металлах, как медь или никель.
Процесс роста включает очень, очень высокую температуру —
1000 градусов по Цельсию.
Как правило, этот метод может производить
достаточно большие площади графеновых листов,
и качество может быть разумным
если вы занимаете много времени
пройти через множество шагов для производства материала.
В целом этот процесс очень дорог.
Другая проблема заключается в том, что она несовместима
с большинством устройств.
Итак, как вы можете видеть,
все эти три метода не идеальны
для полного осознания потенциала графена.
Чтобы преодолеть эти проблемы, мы недавно разработали новый метод,
который называется плазменным, химическим осаждением из паровой фазы или PECVD.
Этот процесс происходит при комнатной температуре, за один шаг,
и занимает всего несколько минут,
и там мы производим отличное качество графена.
Идея такова:
Мы берем кусок меди.
Медная поверхность очень реакционная и обычно покрыта оксидом.
Мы подвергаем кусок меди водородной плазме
и другие радикалы, такие как голубой.
И тогда, как только мы очистим поверхность меди,
попытайтесь избавиться от всего оксида меди,
мы пропускаем метановый газ через эту высокореактивную меди.
И поэтому медная поверхность разорвет химические связи
между углеродом и водородом,
а затем разрешить образование углерода на поверхности меди
и превратиться в графен.
И с таким подходом,
мы можем на самом деле выращивать очень большие площади графена за очень короткое время,
который имеет превосходное качество,
электрически, структурно и механически.
И здесь я просто покажу вам пример
из изображений, которые мы взяли
используя наш сканирующий туннельный микроскоп на нашем графене PECVD.
Как вы видете,
в небольшом масштабе вы можете визуализировать сотовую структуру углерода.
Мы также можем немного изменить наш процесс
так что мы можем не только выращивать большие листы графена,
мы также можем выращивать графеновые наноуглероды.
Эта небольшая модификация включает добавление дополнительных молекул-предшественников
так что графен также может расти вертикально
на поверхности меди
и превратить в графеновые наноуглероды.
Итак, в целом, используя наш метод PECVD,
мы эффективно превращаем парниковый газ — это метан —
в очень полезный материал: графеновые и графеновые наноуглероды.
Итак, что нового в будущем?
Как вы можете себе представить,
на данный момент, когда у нас есть эти успехи в производстве графена,
многие вещи становятся возможными.
Итак, здесь я приведу вам два примера наших текущих исследований
чтобы дать вам вкус того, что можно сделать.
Первый пример немного экзотичен.
Это называется наноразмерной деформацией графена.
Он предназначен для новых оптоэлектронных приложений.
Одно из самых интересных свойств графена
заключается в том, что если вы искажаете структуру графена в наномасштабе,
вы можете фактически кардинально изменить электронные свойства графена.
Итак, теперь у нас есть по существу безупречные куски графена,
Я могу использовать технологию нанообработки
строить наноструктуры везде, где я хочу, чтобы они были
с любыми формами, которые я хочу, чтобы они были.
Затем я могу заложить слой графена над такими наноструктурами
чтобы произвести искажение, которое я хочу,
и, следовательно, я могу получить электронные свойства, которые я хочу.
Итак, в качестве примера, вы видите здесь,
слой графена размером 600 × 600 нанометров
могут быть перенесены на тетраэдрическую наноструктуру.
Итак, графен искажается,
и следствие этого
что электроны на графене будут видеть это искажение
как будто у вас очень сильные, пространственно изменяющиеся магнитные поля.
Магнитные поля настолько сильны, как вы можете видеть здесь, картина показывает —
синий цвет указывает на отрицательные магнитные поля,
красный цвет указывает на положительные магнитные поля,
и они достигают нескольких сотен теславов,
намного выше, чем у большинства полей
вы можете производить в любой лаборатории на земле.
Итак, если вы правильно спроектируете эти наноструктуры,
и соединить их в особой форме,
электроны будут эффективно видеть эти переменные магнитные поля,
так что, когда электрические токи на графене
попытайтесь пройти через эти искажения,
они будут эффективно ускорены
как если бы они находились под сильными магнитными полями.
Это ускорение может вызывать так называемое синхротронное излучение,
так что фотоны могут излучаться.
Таким образом, это аналогично принципу лазера на свободных электронах,
за исключением того, что мне не нужно применять какое-либо настоящее магнитное поле,
Мне просто нужно заниматься деформацией.
А также вместо гигантской лаборатории
что требуется для создания лазера на свободных электронах,
Я действительно могу сделать настольный лазер с свободными электронами, используя эту концепцию.
Это постоянный исследовательский проект.
Еще один очень практичный пример исследований, которые мы проводим
представляет собой новое поколение межсоединений.
Как вы знаете,
одна из главных проблем
сталкиваясь с продолжающейся миниатюризацией наноэлектроники в интегральных схемах
заключается в том, что межсоединения также сокращаются до очень, очень малого масштаба.
В современной технологии межсоединения основаны на меди.
Когда вы сжимаете медь на крошечные, крошечные линии,
вы начинаете сталкиваться с очень серьезными проблемами,
потому что медь становится зернистой и очень резистивной.
И, следовательно, если вы пропускаете электрический ток через эти межсоединения,
вы будете генерировать много тепла.
Кроме того, медь под действием тепла будет диффундировать в основной кремний,
что еще больше ухудшит
характеристики и свойства межсоединений.
Таким образом, это серьезные проблемы, которые пытаются решить полупроводниковые отрасли.
Теперь представьте, если я смогу поставить барьерный слой графена
между медью и подложкой кремния подложки,
то я могу предотвратить распространение меди на кремний
потому что, как я уже сказал,
только электроны и протоны могут пройти через графен.
Кроме того, графен сам
является отличным электрическим и тепловым проводником.
Поэтому, с присутствием графена,
улучшаются общие свойства межсоединений
как электрически, так и для тепловой диссипации,
и поэтому в целом это уменьшит потребление энергии.
Итак, это всего лишь два примера
от того, с чем мы работаем, с нашей новой разработкой.
В общем, мы можем сказать
что вы можете рассматривать графен как материал чужого поколения
за кремнием для науки и техники.
С новой разработкой достижений в области производства графена,
а также изобретательность исследователей во всем мире,
мы можем ожидать, что графен откроет новые границы для науки и техники
что может скрасить наше будущее.
Я упомянул эти возможности,
включая наноэлектронику следующего поколения,
оптоэлектроники,
очень прочные материалы, которые являются гибкими и легкими,
производство и хранение возобновляемых источников энергии,
а также для медицины и биоинженерии.
Таким образом, со всеми этими возможностями и причинами,
Я полагаю, что даже небо не является пределом.
Спасибо.
(Аплодисменты)
Углерод является важным элементом жизни,
и также является одним из самых обильных элементов на земле.
Углерод занимает место во втором ряду периодической таблицы,
прямо над кремнием.
Один атом углерода
состоит из 6 протонов, 6 или 7 нейтронов и 6 электронов.
Хорошо известным примером углерода является кончик карандашей.
Кончик карандашей состоит из графита,
который относится к совокупности атомов углерода, слоев атомов углерода.
Каждый слой атомов углерода
образует сотовую структуру, которая называется графеном.
Хотя ученые знали
что графеновые слои являются составляющими для графита,
в течение многих лет они не были уверены
можно ли изолировать монослой графена в природе.
До 2004 года, когда наконец продемонстрировали два британских физика
что один атомный слой графена может быть изолирован и стабилизирован в природе.
Эти два физика,
Д-р Новоселов и д-р Гейм из Манчестерского университета,
не только продемонстрировали, что графен может быть изолирован и стабилизирован в природе,
они также провели подробные исследования свойств графена.
Они обнаружили, что графен показал очень интересные и уникальные свойства
что может быть перспективным для широкого спектра применений.
Поэтому их исследования вызвали большое волнение во всем мире.
Итак, каковы уникальные свойства графена, которые делают его настолько особенным?
Графен, фактически, является электрически и термически высокопроводящим,
поэтому электроны на графене могут двигаться как безмассовые частицы
баллистически по поверхности графена, не будучи рассеянным.
Графен очень тонкий и оптически прозрачный,
поэтому свет может проникать сквозь графен, не будучи отраженным.
Края графена также обладают очень интересными свойствами
которые могут функционировать для химических применений.
Крошечная сотовая структура графена
может позволить только электронам и протонам проникать,
поэтому по этой причине графен можно использовать для фильтрации химических элементов.
Кроме того, графен является механически гибким
и в 200 раз прочнее стали.
Вы можете себе представить, с этими уникальными свойствами,
многие приложения становятся возможными.
Например, отличная электрическая и теплопроводность,
в сочетании с оптической прозрачностью,
сделать возможным графен
для применения в наноэлектронике в интегральных схемах,
к оптоэлектронным компонентам
как солнечные элементы, светоизлучающие диоды, лазеры и дисплеи.
Гибкие и сильные механические свойства графена
может использоваться для легких, высокопрочных материалов
применимые к таким вещам, как транспортные средства, самолеты.
Отличные возможности фильтрации химических веществ графена
позволяет использовать графен в опреснении, детоксикации,
химическое зондирование, секвенирование ДНК и даже доставка лекарств.
Очень интересны и края графена.
На самом деле, существуют два совершенно разных типа ребер графена.
Один называется краем кресла, другой называется зигзагообразными краями.
Ребра зигзага обычно химически более реакционноспособны
и поэтому может функционировать для всех видов химических применений.
Если вы возьмете кусок графена и разрежьте его на маленькие полосы,
то у вас есть графеновые наноуглероды.
У вас может быть крестообразное или зигзагообразное графеновое наноуглероды.
Все эти нанороботы имеют очень большие отношения к площади,
и поэтому они могут быть очень хорошими, очень эффективными,
для зарядки и разрядки.
По этой причине можно использовать графеновые наноуглероды
в суперконденсаторах, батареи для хранения энергии.
Несмотря на все эти замечательные свойства графена,
есть серьезные проблемы, прежде чем мы сможем полностью реализовать потенциал графена.
В частности, нам необходимо разработать надежное крупномасштабное производство графена
с высоким качеством и низкой стоимостью.
В настоящее время существует три типичных способа изготовления графена.
Первый из них называется механическим отслаиванием из графита.
Что это такое, на самом деле связано с использованием клейких лент,
или скотч, с которым вы знакомы.
Вы берете кусочек скотча,
нажмите его против графита, и вы очистите его.
Затем вы получаете крошечные хлопья из графита.
Затем вы повторяете процесс
пока вы, надеюсь, не получите немного маленьких хлопьев графена
которые могут быть однослойными или двухслойными или многослойными.
Как вы можете себе представить,
это метод, который является трудоемким и очень медленным в производстве.
Он не масштабируется:
вы не контролируете качество и размер образцов графена.
Но это был первоначальный метод, используемый двумя лауреатами Нобелевской премии.
Второй метод основан на химическом восстановлении,
который использует очень токсичные химические вещества
для окисления графита в оксид графита,
а затем химически уменьшает оксид графита на крошечные хлопья графена.
Этот метод, опять же, является экологически недружественным,
а также произведенные хлопья графена
неконтролируемы по размеру, количеству слоев и качеству.
Собственно говоря,
большинство из этих графеновых хлопьев состоят из большого количества примесей.
Третий метод называется химическим осаждением из паровой фазы,
который предполагает использование многоэтапных, долгосрочных процессов
выращивания графена на таких металлах, как медь или никель.
Процесс роста включает очень, очень высокую температуру —
1000 градусов по Цельсию.
Как правило, этот метод может производить
достаточно большие площади графеновых листов,
и качество может быть разумным
если вы занимаете много времени
пройти через множество шагов для производства материала.
В целом этот процесс очень дорог.
Другая проблема заключается в том, что она несовместима
с большинством устройств.
Итак, как вы можете видеть,
все эти три метода не идеальны
для полного осознания потенциала графена.
Чтобы преодолеть эти проблемы, мы недавно разработали новый метод,
который называется плазменным, химическим осаждением из паровой фазы или PECVD.
Этот процесс происходит при комнатной температуре, за один шаг,
и занимает всего несколько минут,
и там мы производим отличное качество графена.
Идея такова:
Мы берем кусок меди.
Медная поверхность очень реакционная и обычно покрыта оксидом.
Мы подвергаем кусок меди водородной плазме
и другие радикалы, такие как голубой.
И тогда, как только мы очистим поверхность меди,
попытайтесь избавиться от всего оксида меди,
мы пропускаем метановый газ через эту высокореактивную меди.
И поэтому медная поверхность разорвет химические связи
между углеродом и водородом,
а затем разрешить образование углерода на поверхности меди
и превратиться в графен.
И с таким подходом,
мы можем на самом деле выращивать очень большие площади графена за очень короткое время,
который имеет превосходное качество,
электрически, структурно и механически.
И здесь я просто покажу вам пример
из изображений, которые мы взяли
используя наш сканирующий туннельный микроскоп на нашем графене PECVD.
Как вы видете,
в небольшом масштабе вы можете визуализировать сотовую структуру углерода.
Мы также можем немного изменить наш процесс
так что мы можем не только выращивать большие листы графена,
мы также можем выращивать графеновые наноуглероды.
Эта небольшая модификация включает добавление дополнительных молекул-предшественников
так что графен также может расти вертикально
на поверхности меди
и превратить в графеновые наноуглероды.
Итак, в целом, используя наш метод PECVD,
мы эффективно превращаем парниковый газ — это метан —
в очень полезный материал: графеновые и графеновые наноуглероды.
Итак, что нового в будущем?
Как вы можете себе представить,
на данный момент, когда у нас есть эти успехи в производстве графена,
многие вещи становятся возможными.
Итак, здесь я приведу вам два примера наших текущих исследований
чтобы дать вам вкус того, что можно сделать.
Первый пример немного экзотичен.
Это называется наноразмерной деформацией графена.
Он предназначен для новых оптоэлектронных приложений.
Одно из самых интересных свойств графена
заключается в том, что если вы искажаете структуру графена в наномасштабе,
вы можете фактически кардинально изменить электронные свойства графена.
Итак, теперь у нас есть по существу безупречные куски графена,
Я могу использовать технологию нанообработки
строить наноструктуры везде, где я хочу, чтобы они были
с любыми формами, которые я хочу, чтобы они были.
Затем я могу заложить слой графена над такими наноструктурами
чтобы произвести искажение, которое я хочу,
и, следовательно, я могу получить электронные свойства, которые я хочу.
Итак, в качестве примера, вы видите здесь,
слой графена размером 600 × 600 нанометров
могут быть перенесены на тетраэдрическую наноструктуру.
Итак, графен искажается,
и следствие этого
что электроны на графене будут видеть это искажение
как будто у вас очень сильные, пространственно изменяющиеся магнитные поля.
Магнитные поля настолько сильны, как вы можете видеть здесь, картина показывает —
синий цвет указывает на отрицательные магнитные поля,
красный цвет указывает на положительные магнитные поля,
и они достигают нескольких сотен теславов,
намного выше, чем у большинства полей
вы можете производить в любой лаборатории на земле.
Итак, если вы правильно спроектируете эти наноструктуры,
и соединить их в особой форме,
электроны будут эффективно видеть эти переменные магнитные поля,
так что, когда электрические токи на графене
попытайтесь пройти через эти искажения,
они будут эффективно ускорены
как если бы они находились под сильными магнитными полями.
Это ускорение может вызывать так называемое синхротронное излучение,
так что фотоны могут излучаться.
Таким образом, это аналогично принципу лазера на свободных электронах,
за исключением того, что мне не нужно применять какое-либо настоящее магнитное поле,
Мне просто нужно заниматься деформацией.
А также вместо гигантской лаборатории
что требуется для создания лазера на свободных электронах,
Я действительно могу сделать настольный лазер с свободными электронами, используя эту концепцию.
Это постоянный исследовательский проект.
Еще один очень практичный пример исследований, которые мы проводим
представляет собой новое поколение межсоединений.
Как вы знаете,
одна из главных проблем
сталкиваясь с продолжающейся миниатюризацией наноэлектроники в интегральных схемах
заключается в том, что межсоединения также сокращаются до очень, очень малого масштаба.
В современной технологии межсоединения основаны на меди.
Когда вы сжимаете медь на крошечные, крошечные линии,
вы начинаете сталкиваться с очень серьезными проблемами,
потому что медь становится зернистой и очень резистивной.
И, следовательно, если вы пропускаете электрический ток через эти межсоединения,
вы будете генерировать много тепла.
Кроме того, медь под действием тепла будет диффундировать в основной кремний,
что еще больше ухудшит
характеристики и свойства межсоединений.
Таким образом, это серьезные проблемы, которые пытаются решить полупроводниковые отрасли.
Теперь представьте, если я смогу поставить барьерный слой графена
между медью и подложкой кремния подложки,
то я могу предотвратить распространение меди на кремний
потому что, как я уже сказал,
только электроны и протоны могут пройти через графен.
Кроме того, графен сам
является отличным электрическим и тепловым проводником.
Поэтому, с присутствием графена,
улучшаются общие свойства межсоединений
как электрически, так и для тепловой диссипации,
и поэтому в целом это уменьшит потребление энергии.
Итак, это всего лишь два примера
от того, с чем мы работаем, с нашей новой разработкой.
В общем, мы можем сказать
что вы можете рассматривать графен как материал чужого поколения
за кремнием для науки и техники.
С новой разработкой достижений в области производства графена,
а также изобретательность исследователей во всем мире,
мы можем ожидать, что графен откроет новые границы для науки и техники
что может скрасить наше будущее.
Я упомянул эти возможности,
включая наноэлектронику следующего поколения,
оптоэлектроники,
очень прочные материалы, которые являются гибкими и легкими,
производство и хранение возобновляемых источников энергии,
а также для медицины и биоинженерии.
Таким образом, со всеми этими возможностями и причинами,
Я полагаю, что даже небо не является пределом.
Спасибо.
(Аплодисменты)
Please follow and like us:
Be First to Comment