Материал графен: Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Фото: BONNINSTUDIO / Shutterstock

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

1. Что такое графен
2. Миф о токсичности
3. Где используют графен
4. Применение в будущем
5. Графеновый бум
6. Препятствия для развития
7. Что почитать о графене

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

• Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
• В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
• В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

• 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
• 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

• Как графен, перовскит и наноботы изменят будущее. Блог Питера Диамандиса
• «Ведомости» — о том, кто занимается графеном в России и в мире и почему это важно
• Forbes — о том, кто участвует в мировой битве за графен
• «Постнаука» — о том, как применяют графен в медицине
• Verge — о том, почему графен еще не изменил мир (ENG)
• ScienceDirect — о прошлом, настоящем и будущем графена (ENG)
• Исследователи Моника Кракуин и Димитар Димов о графене — материале XXI века (ENG)

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Фото: BONNINSTUDIO / Shutterstock

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

1. Что такое графен
2. Миф о токсичности
3. Где используют графен
4. Применение в будущем
5. Графеновый бум
6. Препятствия для развития
7. Что почитать о графене

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

• Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
• В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
• В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

• 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
• 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

• Как графен, перовскит и наноботы изменят будущее. Блог Питера Диамандиса
• «Ведомости» — о том, кто занимается графеном в России и в мире и почему это важно
• Forbes — о том, кто участвует в мировой битве за графен
• «Постнаука» — о том, как применяют графен в медицине
• Verge — о том, почему графен еще не изменил мир (ENG)
• ScienceDirect — о прошлом, настоящем и будущем графена (ENG)
• Исследователи Моника Кракуин и Димитар Димов о графене — материале XXI века (ENG)

графен — что это такое?

Общие сведения о графене

Графен представляет собой один слой (монослой) атомов углерода, тесно связанных в гексагональной сотовой решетке. Это аллотроп углерода в виде плоскости sp2-связанных атомов с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, уложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нанометра. Отдельные слои графена в графите удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые можно преодолеть при отслаивании графена от графита. 93 Вт·м-1·К-1), а также лучший из известных проводников электричества (исследования показали подвижность электронов при значениях более 200 000 см2·В-1·с-1). Другими примечательными свойствами графена являются его равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра (πα ≈ 2,3%) и его потенциальная пригодность для использования в спиновом транспорте.

Имея это в виду, можно удивиться, узнав, что углерод является вторым наиболее распространенным элементом в человеческом теле и четвертым наиболее распространенным элементом во Вселенной (по массе) после водорода, гелия и кислорода. Это делает углерод химической основой всей известной жизни на Земле, что делает графен потенциально экологически чистым и устойчивым решением для почти неограниченного числа приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена произошел взрывной рост приложений в различных научных дисциплинах, при этом были достигнуты огромные успехи, особенно в высокочастотной электронике, биологических, химических и магнитных датчиках, сверхширокополосных фотодетекторах и энергетике. хранение и генерация.

Проблемы производства графена

Первоначально единственным методом производства графена большой площади был очень дорогой и сложный процесс (химическое осаждение из паровой фазы, CVD), который включал использование токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия на платину, Никель или карбид титана в этилен или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии на чем-либо, кроме металлической подложки, не было. Эти производственные проблемы сделали графен изначально недоступным для исследований в области развития и коммерческого использования. Кроме того, использованию CVD-графена в электронике препятствовала сложность удаления графеновых слоев с металлической подложки без повреждения графена.

Однако исследования, проведенные в 2012 году, показали, что путем анализа межфазной адгезионной энергии графена можно эффективно отделить графен от металлической платы, на которой он выращен, а также теоретически можно повторно использовать плату для будущих приложений бесконечное количество раз. , тем самым уменьшая токсичные отходы, ранее созданные в этом процессе. Кроме того, качество графена, выделенного этим методом, было достаточно высоким для создания устройств молекулярной электроники.

С тех пор исследования в области выращивания CVD-графена продвинулись семимильными шагами, что сделало качество графена неважным для технологического внедрения, которое теперь определяется стоимостью лежащей в основе металлической подложки. Тем не менее, исследования все еще проводятся для последовательного производства графена на нестандартных подложках с контролем таких примесей, как рябь, уровни легирования и размер домена, а также с контролем количества и относительной кристаллографической ориентации слоев графена.

Applications

Приведение исследований графена в промышленное применение требует скоординированных усилий, таких как проект ЕС Graphene Flagship стоимостью миллиард евро. После первого этапа, который длился несколько лет, исследователи Flagship подготовили уточненную дорожную карту приложений графена, в которой указаны наиболее перспективные области применения: композиты, энергетика, телекоммуникации, электроника, датчики и изображения, а также биомедицинские технологии.

Возможность создавать суперконденсаторы из графена, возможно, станет крупнейшим шагом в электронной технике за долгое время. В то время как разработка электронных компонентов развивалась очень высокими темпами в течение последних 20 лет, решения для хранения энергии, такие как батареи и конденсаторы, были основным ограничивающим фактором из-за размера, мощности и эффективности (большинство типов батарей очень неэффективны). , а конденсаторы и того меньше). Например, литий-ионные батареи сталкиваются с компромиссом между плотностью энергии и плотностью мощности.

В ходе первоначальных испытаний суперконденсаторы из графена с лазерной разметкой (LSG) продемонстрировали удельную мощность, сравнимую с плотностью мощности мощных литий-ионных аккумуляторов, которые используются сегодня. Мало того, суперконденсаторы LSG очень гибкие, легкие, быстро заряжаются, тонкие и, как упоминалось ранее, сравнительно недороги в производстве.

«Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, были широко раскрыты»

Графен также используется для повышения не только емкости и скорости заряда батарей, но и их долговечности. В настоящее время, хотя такие материалы, как литий, способны накапливать большое количество энергии, это потенциальное количество уменьшается при каждой зарядке или перезарядке из-за износа электродов. Например, при использовании оксида графена и олова в качестве анода в литий-ионных батареях батареи работают намного дольше между зарядками (потенциальная емкость увеличилась в 10 раз) и практически не уменьшают емкость между зарядками, что эффективно делает такие технологии, как электронное питание транспортные средства гораздо более жизнеспособным транспортным решением в будущем. Это означает, что батареи (или конденсаторы) могут быть разработаны так, чтобы они работали намного дольше и обладали большей емкостью, чем предполагалось ранее. Кроме того, это означает, что электронные устройства можно заряжать в течение нескольких секунд, а не минут или часов, и они значительно продлевают срок службы.

Исследователи из Graphene Flagship также изучают способы использования графена для улучшения производства энергии, в том числе для улучшения перовскитных солнечных элементов (PSC), многообещающих источников солнечной энергии следующего поколения с очень высокой эффективностью. Ведущие исследователи добились значительного прогресса в увеличении срока службы и производительности PSC при одновременном снижении стоимости производства PSC. Добавление промежуточного слоя из уменьшенного оксида графена к PSC привело к низкозатратному производству PSC с эффективностью 20%, сохраняемой до 95% после 1000 часов работы. Пилотная производственная линия и графен-перовскитовая солнечная ферма мощностью 1 кВт находятся в разработке в течение следующего периода.

Использование графена в накопителях энергии наиболее заметно исследуется благодаря использованию графена в усовершенствованных электродах. Сочетание наночастиц графена и кремния привело к созданию анодов, которые сохраняют 92% своей энергоемкости в течение 300 циклов заряда-разряда с высокой максимальной емкостью 1500 мАч на грамм кремния. Достигнутые значения плотности энергии значительно превышают 400 Втч/кг. На следующем флагманском этапе проект Spearhead будет сосредоточен на доиндустриальном производстве литий-ионной батареи на основе кремния и графена. Кроме того, был разработан инструмент для нанесения покрытия распылением на графен, позволяющий крупномасштабное производство тонких пленок графена, которые использовались, например, для производства суперконденсаторов с очень высокой плотностью мощности.

Другим применением графена, схожим с упомянутыми ранее, является применение в красках. Графен очень инертен и поэтому может выступать в качестве коррозионного барьера между диффузией кислорода и воды. Это может означать, что будущие автомобили можно будет сделать устойчивыми к коррозии, поскольку графен можно выращивать на любой металлической поверхности (при правильных условиях). Из-за своей прочности графен в настоящее время также разрабатывается в качестве потенциальной замены кевлара в защитной одежде и в конечном итоге будет использоваться в производстве автомобилей и, возможно, даже в качестве строительного материала.

Графен долгое время считался идеальным материалом для каналов для радиочастотной (РЧ) гибкой электроники. Радиочастотные и даже терагерцовые приложения постоянно продвигаются вперед, с продемонстрированным микроволновым приемником для сигналов до 2,45 ГГц, гибким терагерцовым детектором и демонстрацией эффективного охлаждения наноэлектронных устройств на основе графена с использованием гиперболического фононного охлаждения. Гибкая природа графена позволяет использовать различные электронные устройства на гибких подложках, такие как, например, гибкие, полностью твердотельные суперконденсаторы на основе графена, носимые сенсорные панели, датчики деформации и трибоэлектрические датчики с автономным питанием, все недавно продемонстрированные, с приложениями. такие как гибкие, надежные устройства с сенсорным экраном, такие как мобильные устройства и наручные часы, которые уже не за горами.

Помимо этих краткосрочных приложений, можно ожидать появления складных телевизоров и телефонов и, в конечном счете, электронных гибких газет, содержащих интересующие публикации, которые можно обновлять с помощью беспроводной передачи данных. Графен чрезвычайно прозрачен, и ожидается, что он станет компонентом интеллектуальных (и чрезвычайно прочных) окон в домах с (потенциально) виртуальными шторами или возможностью отображения контента.

Оптическая связь сформировала основу эпохи Интернета и, как ожидается, будет играть ключевую роль в развитии сетей 5G. Современные средства связи основаны на оптических каналах связи, которые передают информацию со скоростью света, а также на схемах, таких как фотодетекторы и модуляторы, которые способны кодировать огромное количество информации в этих световых лучах. Хотя кремний является предпочтительным материалом для фотонных волноводов на оптических чипах, фотодетекторы изготавливаются из других полупроводников, таких как GaAs, InP или GaN, поскольку кремний прозрачен на стандартных длинах волн для телекоммуникаций. Интеграция этих других полупроводников с кремнием сложна, усложняет процессы изготовления и увеличивает расходы. Кроме того, управление температурным режимом становится проблемой, поскольку фотонные устройства продолжают уменьшаться в размерах, потребляя больше энергии.

Графен является многообещающим материалом для телекоммуникационных фотодетекторов, поскольку он поглощает свет в широкой полосе пропускания, включая стандартные телекоммуникационные длины волн. Он также совместим с технологией CMOS, что означает, что он может быть технологически интегрирован с кремниевой фотоникой. Кроме того, графен является отличным проводником тепла, что обещает снижение потребления тепла фотонными устройствами на основе графена. По этим причинам графен для оптических коммуникаций был интенсивной областью исследований, которые в настоящее время приносят плоды в виде полноценных рабочих прототипов.

В 2016 году полоса пропускания графеновых фотодетекторов достигла 65 ГГц, используя pn-переходы графен/кремний с потенциальной скоростью передачи данных ~90 Гбит/с ^-1 . Уже в 2017 году графеновые фотодетекторы с полосой пропускания более 75 ГГц были изготовлены на технологической линии 6-дюймовых пластин. Эти рекордные устройства были продемонстрированы на Всемирном мобильном конгрессе в Барселоне в 2018 году, где посетители могли испытать первую в мире полностью графеновую оптическую линию связи, работающую со скоростью передачи данных 25 Гбит/с.0045 -1 на канал. В этой демонстрации все активные электрооптические операции выполнялись на графеновых устройствах. Модулятор графена обрабатывал данные на передающей стороне сети, кодируя поток электронных данных в оптический сигнал. На стороне приемника графеновый фотодетектор делал обратное, преобразовывая оптическую модуляцию в электронный сигнал. Устройства были изготовлены из графена Graphenea CVD и представлены в павильоне Graphene.

Графен, полученный с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD), станет краеугольным камнем будущих химических, биологических и других типов датчиков на основе графена. Двумерная природа материала обеспечивает внутренние преимущества для сенсорных приложений, поскольку весь объем материала действует как сенсорная поверхность. Кроме того, графен обеспечивает превосходную механическую прочность, тепло- и электропроводность, компактность и потенциально низкую стоимость, что необходимо для конкуренции на переполненном рынке датчиков.

Датчики газа/пара на основе графена привлекли большое внимание в последние годы из-за разнообразия их структур, уникальных характеристик обнаружения, условий работы при комнатной температуре и огромных перспектив применения. Помимо водяного пара, графен использовался для обнаружения таких газов, как NH ₃ , NO ₂ , H ₂ , CO, SO ₂ , H ₂ S, а также паров летучих органических соединений. , что привело к резкому увеличению числа научных публикаций по этой теме. Графен также использовался для обнаружения следов опиоидов в концентрациях до 10 пикограмм на миллилитр жидкости.

Это множество благоприятных свойств привело к широкому спектру исследований использования графена для биосенсоров. Особенно интересными конфигурациями являются графеновые полевые транзисторы (GFET) и улучшенный графеном поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Эти типы графеновых сенсоров использовались для обнаружения ДНК, белков, глюкозы и бактерий. С помощью GFET были изготовлены биосенсоры с пределом обнаружения 10 пг/мл для молекул опиоидов.

Графен также позволяет создавать новые гибкие датчики магнитного поля. Рынок датчиков магнитного поля постоянно расширяется, и его размер, по оценкам, достигнет 4,16 млрд долларов США в 2022 году. Множество целей датчиков магнитного поля, таких как определение положения, мониторинг тока, определение скорости и определение угла, открывают доступ к широкому спектру таких отраслях, как автомобилестроение, бытовая электроника, здравоохранение и оборона. Наиболее распространенный тип магнитного датчика использует эффект Холла, создание разности потенциалов на электрическом проводнике при приложении магнитного поля.

Ключевым фактором, определяющим чувствительность датчиков Холла, является высокая подвижность электронов. Таким образом, графен является очень интересным материалом для этого приложения, с измеренной подвижностью носителей более 200 000 см ² В ^-1 с ^-1 . В графене, инкапсулированном в нитрид бора, были продемонстрированы графеновые датчики Холла с чувствительностью по току до 5700 В/АТ и чувствительностью по напряжению до 3 В/Вт. Такие характеристики превосходят современные кремниевые датчики и датчики Холла III/V с магнитным разрешением всего 50 нТл/√Гц. Текущий практический предел чувствительности графеновых устройств Холла на стандартных отраслевых пластинах составляет около ~ 3000 В / АТ. Для сравнения, современные датчики Холла из традиционных КМОП-совместимых материалов имеют чувствительность порядка ~100 В/АТ. Даже гибкие графеновые датчики Холла, изготовленные на каптоновой ленте, достигают чувствительности, аналогичной жестким кремниевым датчикам Холла.

Сочетая некоторые из этих вышеупомянутых потенциальных применений, можно представить перспективные приложения, такие как автомобильные системы безопасности, которые связаны с краской на транспортном средстве. может записывать эту информацию и отправлять ее на смартфон владельца в режиме реального времени. Такая «умная краска» также может использоваться для анализа дорожно-транспортных происшествий, чтобы определить начальные пятна контакта и последующее рассеяние энергии.

Вскоре на рынке появится одежда, содержащая фотоэлектрические элементы и суперконденсаторы с усиленным графеном, а это означает, что мы сможем заряжать наши мобильные телефоны и планшетные компьютеры за считанные минуты (возможно, даже секунды) по дороге в школу или на работу. Возможно, мы даже увидим ориентированную на безопасность одежду, обеспечивающую защиту от нежелательного контакта с использованием электрического разряда.

Изменивший правила игры

Таким образом, это открытие профессора физики и его аспиранта в лаборатории в Манчестере, где они использовали кусок графита и немного скотча, полностью изменило наше представление о потенциальных пределах наших способностей как ученых, инженеров и изобретателей. Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, были широко раскрыты, и теперь можно представить себе такие удивительные перспективные ситуации, как молниеносные, но сверхмаленькие компьютеры, плащи-невидимки, смартфоны, которые работают неделями. между зарядками и компьютерами, которые мы можем сложить и носить в карманах, куда бы мы ни пошли.

Услуги Graphenea GFAB

Перейти к содержимому

Особенности

GFET, использующие высококачественный графен Graphenea

Особенности

Индивидуальные конструкции доступны по запросу

Особенности

Устройства готовы к вашей новой функционализации

От устройств Plug & Play к интеграции в масштабе вафли

Graphenea Foundry следует модели чистого литейного производства. Мы воплощаем идеи и прототипы наших клиентов в реальность, следуя уникальной схеме вертикальной интеграции: мы выращиваем, транспортируем и перерабатываем наш графен под одной крышей. Это позволяет нам постоянно контролировать производственный процесс и поставлять высококачественные и надежные устройства на основе графена, адаптированные к вашим потребностям. Graphenea Foundry специализируется на биосенсорных, оптоэлектронных и фотонных приложениях. Мы поддерживаем наших клиентов нашим опытом в производстве графена от раннего прототипирования до коммерциализации.

Ассортимент нашей продукции и услуг охватывает все потребности, связанные с графеном:

GFET

Ознакомьтесь с нашим ассортиментом твердотельных устройств для ваших экспериментов

Для проверки концепции выберите один из наших многочисленных проектов, доступных в нашем каталоге GFET: действительно plug & play устройства

Подробнее

MPW

Multiproject Wafer Run позволяет дешево и легко создавать прототипы

С помощью наших обычных MultiProject Wafer Run можно получать нестандартные устройства из сверхмалых объемов

Подробнее

GFAB

Расширьте масштаб своей технологии с помощью нашего литейного производства

Наша служба GFAB может расширить масштаб вашей технологии и вывести ее из лаборатории на рынок

Дополнительная информация

ИНТЕРФЕЙСЫ

Эти устройства взаимодействуют со многими моделями GFET из нашего каталога, упрощая настройку измерений

Дополнительная информация

Исследование графеновых устройств

Graphenea поставляет самые современные графеновые устройства непосредственно исследователям, что позволяет проводить прикладные исследования без дополнительной нагрузки, связанной с изготовлением высококачественных графеновых полевых транзисторов

БИОЭЛЕКТРОНИКА

Благодаря своей уникальной структуре и удивительным физико-химическим свойствам, включая высокую химическую инертность, большую удельную площадь поверхности, высокую электропроводность и биосовместимость, графен имеет большой потенциал в приложениях биоэлектроники

ФОТОДЕТЕКТОРЫ

Уникальные оптоэлектронные свойства графена реализовать фотоприемники со сверхбыстрым фотооткликом в широком спектральном диапазоне от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового излучения

ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Для многих приложений требуется способность обнаруживать химические вещества в воздухе или в воде, а требования к чувствительности возрастают.