แกรฟีน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
แกรฟีนเป็นโครงสร้างตารางแบบรังผึ้งหนาเพียงหนึ่งอะตอมที่ประกอบขึ้นโดยการวางตัวของอะตอมของคาร์บอนหลายๆอะตอม

แกรฟีน (อังกฤษ: Graphene) หรือ กราฟีน เป็นรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอน เคียงข้างกับ เพชร, กราไฟท์, ท่อนาโนคาร์บอนและ fullerenes โดยที่ อะตอมของคาร์บอนจะเรียงตัวในรูปแบบหกเหลี่ยมรังผึ้งทั่วไป แกรฟีนสามารถอธิบายได้ว่า เป็นชั้นหนาเพียงอะตอมเดียวของแร่แกรไฟต์ที่เป็นชั้นๆ กราฟีนที่มีคุณภาพสูง มีความแข็งแรงมาก น้ำหนักเบา(แกรฟีนขนาด 1 ตารางเมตรมีน้ำหนักเพียง 0.77 มิลลิกรัมเท่านั้น) เกือบโปร่งใส และเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี การที่มันมีปฏิสัมพันธ์ที่ดีกับวัสดุอื่นๆ และกับแสง, และการที่โดยธรรมชาติเป็นแบบสองมิติของมัน ทำให้มันมีคุณสมบัติเฉพาะที่ไม่เหมือนใคร

ในช่วงปี 2004 นักวิจัยหลายคนที่ศึกษาคาร์บอนนาโนทิวบ์ได้คุ้นเคยกันดีอยู่แล้ว กับองค์ประกอบของโครงสร้างและคุณสมบัติของแกรฟีน ซึ่งได้รับการคำนวณในหลายทศวรรษที่ผ่านมาก่อนหน้านี้ เมื่อรวมเข้ากับคุณสมบัติพิเศษและความสะดวกที่น่าแปลกใจของการแยกออกทำให้เกิดการการวิจัยของแกรฟีนเป็นไปอย่างกว้างขวาง Andre Geim และ คอนสแตนติน Novoselov แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ชนะรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 "สำหรับการเริ่มต้นการทดลองที่เกี่ยวข้องกับวัสดุแกรฟีนสองมิติ"

รายละเอียด[แก้]

คุณสมบัติ[แก้]

ด้านอิเล็กทรอนิกส์[แก้]

แกรฟีนแตกต่างจากวัสดุสามมิติทั่วไป แกรฟีนที่แท้จริงเป็นสารกึ่งตัวนำแบบกึ่งโลหะหรือแบบช่องว่างเป็นศูนย์ การทำความเข้าใจโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของแกรฟีน เป็นจุดเริ่มต้นในการหาแถบโครงสร้างของแกรไฟท์ ในปี 1947 พีอาร์ วอลเลซ ได้รับรู้ว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับโมเมนตัม (ความสัมพันธ์แบบกระจาย) เป็นเส้นตรง สำหรับ พลังงานต่ำ ใกล้มุมทั้งหกของ Brillouin โซนหกเหลี่ยมสองมิติ นำไปสู่มวลที่มีประสิทธิภาพเป็นศูนย์สำหรับอิเล็กตรอนและโฮล อิเล็กตรอนและโฮลใกล้จุดทั้งหกเหล่านี้ มีสองตัวที่ไม่เสมอกัน, ทำตัวเหมือนอนุภาคสัมพันธ์ ที่อธิบายได้โดยสมการ Dirac สำหรับ อนุภาค สปิน 1/2 ดังนั้น อิเล็กตรอนและโฮลจึงถูกเรียกว่า Dirac fermions และหกมุมของ Brillouin โซน จะถูกเรียกว่าจุด Dirac สมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเชิงเส้นคือ E = \hbar v_F\sqrt{k_x^2+k_y^2}; เมื่อ ความเร็ว Fermi vF ~ 106 เมตร/วินาที และ wavevector "k" จะวัดจากจุด Dirac (พลังงานเป็นศูนย์จะถูกเลือกที่นี่ให้ตรงกับจุด Dirac)


การขนส่งอิเล็กตรอน[แก้]

ผลการทดลองจากการวัดการขนส่งแสดงให้เห็นว่า กราฟีนมีความสามารถในการเคลื่อนย้าย อิเล็กตรอนที่สูงอย่างน่าทึ่งที่อุณหภูมิห้อง โดยมีค่าตามรายงาน มากกว่า 15,000 cm2·V−1·s−1 นอกจากนี้ สัดส่วนของค่าการนำกระแสโดยการวัดจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า ความสามารถในการเคลื่อนที่ สำหรับโฮลและอิเล็กตรอนเกือบจะเป็นค่าเดียวกัน การเคลื่อนที่เกือบจะเป็นอิสระจากอุณหภูมิ ระหว่าง 10K ถึง 100K ซึ่งหมายความว่า กลไกการ กระจัดกระจายที่โดดเด่นเป็นข้อบกพร่อง การกระจัดกระจายโดย acoustic phonons ของ กราฟีนเป็นตัวจำกัดความสามารถที่แท้จริงในการเคลื่อนที่ในอุณหภูมิห้อง ที่ 200,000 cm2·V−1·s−1 ที่ความหนาแน่นของตัวขนส่งเท่ากับ 1012 cm−2 ความต้านทานของแผ่นกราฟีนที่สอดคล้องกันจะเป็น 10−6 Ω·cm ซึ่งน้อยกว่าความต้านทานของเงิน ที่เป็นสารให้ความต้านทานต่ำสุดเท่าที่รู้จักกันที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตามสำหรับแกรฟีนบนพื้นผิว SiO2 การกระจัดกระจายของอิเล็กตรอน โดย phonons ของแสงของพื้นผิวเป็นผลขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิห้องมากกว่าการกระจัดกระจายด้วย phonons ของตัวแกรฟีนเอง สิ่งนี้จำกัดการเคลื่อนที่ให้มีค่าอยู่ที่ 40,000 cm2·V−1·s−1

แม้ว่าที่จุดใกล้ Dirac points จะมีความหนาแน่นของตัวขนส่งเป็นศูนย์ แกรฟีนก็ยังให้การนำกระแสขั้นต่ำในราว 4e^2/h ต้นตอของการนำกระแสขั้นต่ำนี้ก็ยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม รอยหยักของแผ่นกราฟีนหรือสิ่งสกปรกที่แตกตัวเป็นไอออนในสารตั้งต้น SiO2 อาจนำไปสู่​​แอ่งน้ำท้องถิ่นของตัวขนส่งที่ช่วยการนำกระแส มีหลายทฤษฎีที่ชี้ให้เห็นว่าการนำกระแสขั้นต่ำควรเป็น 4e^2/{(\pi}h) อย่างไรก็ตามการวัดส่วนใหญ่จะได้ค่าเป็น 4e^2/h หรือมากกว่า และ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน

การทดลองที่ผ่านมาได้หยั่งอิทธิพลของสารเจือปนเคมีที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวขนส่งในแกรฟีน Schedin และคนอื่นๆได้ทำการโด๊ปแกรฟีนด้วยก๊าซชนิดต่างๆ (บางตัวเป็นผู้รับ บางตัวเป็นผู้ให้) พบว่าสถานะเริ่มแรกที่ไม่ได้โด๊ปของโครงสร้างแกรฟีนสามารถกู้คืนได้โดยให้ความร้อนอย่างนุ่มนวลแก่แกรฟีนในสุญญากาศ พวกเขาได้รายงาน ว่าแม้ความเข้มข้นสารเจือปนเคมีในส่วนที่เกินจาก 1,012 cm2 ก็ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวขนส่ง Chen และคนอื่นๆได้โด๊ปแกรฟีนด้วยโพแทสเซียมในสูญญากาศที่สูงพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ พวกเขาพบว่าโพแทสเซียมไอออนทำหน้าที่ตามที่คาดไว้ สำหรับสิ่งสกปรกที่ประจุไว้ในแกรฟีน และสามารถลดความสามารถในการเคลื่อนที่ถึง 20 เท่า การลดลงของความสมารถในการเคลื่อนที่จะกลับกัน เมื่อให้ความร้อนแก่แกีฟีนเพื่อแยกโพแทสเซียมออก

เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นสองมิติของมัน การแยกออกเป็นส่วนเล็กๆของประจุ (ที่ซึ่งประจุที่เห็นได้ชัดของอนุภาคเทียมแต่ละชิ้นในระบบมิติต่ำมีค่าน้อยกว่าควอนตัมเดี่ยวอันหนึ่ง) มีความคิดว่าได้เกิดขึ้นในแกรฟีน เพราะฉะนั้น มันจึงอาจจะเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์แบบควอนตัมที่ใช้วงจร anyonic

คุณสมบัติทางแสง[แก้]

คุณสมบัติด้านแสงที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวของแกรฟีนทำให้มีความทึบแสงสูงอย่างไม่คาดคิด สำหรับอะตอมชั้นเดียวในสูญญากาศ โดยการดูดซับ πα≈ 2.3 % ของแสงสีขาว เมื่อ α คือค่าโครงสร้างละเอียดคงที่ นี่คือ "ผลพวงจากความผิดปกติของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พลังงานต่ำของ graphene monolayer ที่ทำให้แถบรูปทรงกรวยของอิเล็กตรอนและโฮลมาประจบกันที่ Dirac point [ซึ่ง] เป็นคุณภาพที่แตกต่างจากแถบขนาดใหญ่ที่ธรรมดาอื่นๆ". บนพื้นฐานของรูปแบบแถบของกราไฟต์ของ Slonczewski - Weiss - McClure (SWMcC) ระยะทางระหว่างอะตอม, ค่า hopping และความถี่จะหักล้างกัน เมื่อการนำแสงถูกคำนวณโดยใช้สมการของ Fresnel ในขีดจำกัดแบบ thin-film

สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลอง แต่การวัดไม่ได้แม่นยำพอที่จะปรับปรุงด้วยเทคนิคอื่น ๆ ในการหาค่าโครงสร้างละเอียดคงที่

ความกว้างของแถบของแกรฟีน สามารถปรับได้จาก 0 ถึง 0.25 eV (ความยาวคลื่น ประมาณ 5 ไมโครเมตร) โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับ ทรานซิสเตอร์แบบ FET ที่มีเกทสองชั้นประสานกัน (อังกฤษ: dual-gate bilayer graphene field-effect transistor) ที่อุณหภูมิห้อง การตอบสนองต่อแสงของ nanoribbons graphene ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถปรับแต่งให้มีค่าเป็น terahertz (ล้านล้านเฮริตซ์) โดยการใช้สนามแม่เหล็ก แสดงให้เห็นว่า ระบบแกรฟีน/แกรฟีนออกไซด์มีพฤติกรรมที่เป็น electrochromic ซึ่งยอมให้ทำการปรับแต่งได้ทั้งแบบคุณสมบัติเชิงเส้นและจากคุณสมบัติทางแสงที่รวดเร็วมาก

เมื่อเร็วๆนี้ ตะแกรงของแบรกก์ที่มีพื้นฐานมาจากแกรฟีน (คริสตัลไฟโต้โทนิคหนึ่งมิติ) ได้ถูกสร้างขึ้นและได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการกระตุ้นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผิว โดยใช้เลเซอร์ He-Ne 633 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดแสง.

คุณสมบัติเชิงกล[แก้]

ณ ปี 2009, แกรฟีนดูเหมือนจะเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดที่เคยทดสอบ วัดความแข็งแรงทำลายมากกว่า 100 เท่าของแผ่นเหล็กสมมุติที่มีความหนาเท่ากัน (บางอย่างไม่น่าเชื่อ) ด้วยโมดูลัสแรงดึง(ความแข็ง) จาก 1 TPa (150,000,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) อย่างไรก็ดี กระบวนการสกัดออกจากกราไฟท์ที่มีอยู่ในธรรมชาติ จะต้องมีการพัฒนาทางเทคโนโลยี ก่อนที่จะคุ้มค่ามากพอที่จะนำมาใช้ในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรม แม้เรื่องนี้อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงในไม่ช้า แกรฟีนมีน้ำหนักเบามากน้ำหนักเพียงประมาณ 0.77 มิลลิกรัมต่อตารางเมตร รางวัลโนเบลได้ประกาศว่า 1 ตารางเมตร ของเปลญวนที่ทำจากแกรฟีน สามารถรองรับแมวหนัก 4 กิโลกรัมได้ แต่เปลญวนจะมีน้ำหนักเพียงเท่ากับหนวดแมวหนึ่งหนวดเท่านั้น คือที่ 0.77 มิลลิกรัม (ประมาณ 0.001 % ของน้ำหนักของ 1 ตารางเมตรของกระดาษ)

กระดาษแกรฟีนเพิ่งได้รับการพัฒนาโดยแผนกวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซิดนีย์ โดย Guoxiu Wang ที่สามารถนำมาผ่านขบวนการต่างๆ, การเปลี่ยนรูปแบบ, การสร้างรูปแบบขึ้นมาใหม่จากสถานภาพของวัตถุดิบเดิม นักวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการสีกราไฟท์ดิบ โดยการทำให้บริสุทธิ์ และกรองด้วยสารเคมีเพื่อก่อร่างและปฏิรูปใหม่ให้อยู่ในรูปแบบโครงสร้างนาโน แล้วผ่านขบวนการให้เป็นแผ่นบางเท่ากระดาษ ตามข้อความของมหาวิทยาลัย หัวหน้านักวิจัย Ali Reza Ranjbartoreh กล่าวว่า "ไม่เพียงแต่มันมีน้ำหนักเบา แข็งแรง แกร่งและ ยืดหยุ่นมากกว่าเหล็กเท่านั้น แต่ยังเป็นผลิตภัณฑ์ที่นำมารีไซเคิลได้ และยั่งยืน เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีตันทุนที่มีประสิทธิภาพในการใช้งานอีกด้วย" Ranjbartoreh กล่าวว่าผลลัพธ์จะช่วยให้มีการพัฒนารถยนต์ที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง และเครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่า การสร้างมลพิษที่น้อยกว่า มีราคาถูกเพื่อให้ทำงานได้ และยั่งยืนทางด้านนิเวศวิทยา เขากล่าวอีกว่า บริษัทการบินและอวกาศที่มีขนาดใหญ่ ได้เริ่มต้นแล้วที่จะเปลี่ยนโลหะที่มีคาร์บอนไฟเบอร์ และวัสดุคาร์บอน และกระดาษแกรฟีนที่มี คุณสมบัติทางกลที่เปรียบไม่ได้ ที่จะเป็นวัสดุต่อไปสำหรับพวกเขาในการสำรวจเพื่อใช้งาน

เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม(อังกฤษ: Atomic Force Microscope) หรือ AFM ทำการวัดแรงดีดคงที่ของแผ่นแกรฟีนที่ถูกแขวนอยู่เหนือ SiO แผ่นแกรฟีนถูกแขวนอยู่ด้วยกันด้วยแรง van der Waals forces

ปลายของ AFM ถูกสอดเข้าไปในโพรงสองโพรงเพื่อทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ค่าแรงดีดคงที่จะอยู่ในช่วง 1-5 N/m และ ค่ามอดุลัสของ Young เป็น 0.5 TPa ซึ่งแตกต่างจากค่าของกราไฟท์ที่เป็นก้อน ค่าเหล่านี้ที่สูงมาก ทำให้แกรฟีนแข็งแกร่งและหนาแน่น คุณสมบัติแท้จริงเหล่านี้ อาจนำไปสู่การใช้แกรฟีน สำหรับการใช้งาน Nanoelectromechanical system หรือ NEMS เช่น เซ็นเซอร์ความดัน และ resonators

เป็นไปตามความจริงของวัสดุทั้งหมด หลายภาคส่วนของแกรฟีนจะมีการผันผวนของความร้อนและควอนตัมในการเคลื่อนย้ายสัมพันธ์ ถึงแม้ว่าขนาดของความผันผวนเหล่านี้อยู่ในรูปของโครงสร้าง 3D (แม้จะอยู่ในข้อจำกัดของขนาดที่ไม่มีที่สิ้นสุด) ทฤษฎีบทของ Mermin - Wagner แสดงให้เห็นว่า แอมพลิจูดของความผันผวนของความยาวคลื่นที่ยาวจะเพิ่มมากขึ้นแบบลอการิทึมที่มีขนาดตามโครงสร้าง 2D และดังนั้นจึงไม่มีทิศทางในโครงสร้าง ที่มีขนาดไม่สิ้นสุด ความผิดปกติท้องถิ่นและความเครียดยืดหยุ่นได้รับผลกระทบที่ตัดทิ้งได้โดยความแตกต่างในระยะยาวในการเคลื่อนย้ายสัมพันธ์ เชื่อได้ว่ามันเป็นโครงสร้าง 2D ขนาดใหญ่พอ ในกรณีที่ไม่มีความตึงเครียดด้านข้างที่ใส่เข้าไป จะโค้งงอและพังทลายในรูปแบบโครงสร้าง 3D ที่มีความผันผวน นักวิจัยได้สังเกตระลอกในชั้นแขวนของแกรฟีน และได้รับการเสนอว่า ระลอกเกิดจากความผันผวนของความร้อนในวัสดุ ผลจากการเสียรูป เหล่านี้ก็เป็นที่ถกเถียงกันว่า graphene เป็นโครงสร้าง 2D จริงหรือไม่

ศักยภาพในการนำมาใช้งาน[แก้]

แกรฟีนอยู่ในระหว่างการพัฒนาเพื่อนำไปใช้หลายอย่าง รวมถึง หน้าจอแสดงผล, วงจรไฟฟ้า, และเซลล์แสงอาทิตย์ ที่มีน้ำหนักเบา, บาง, ยืดหยุ่นแต่ยังคงทน เช่นเดียวกับ การแพทย์, กระบวนการทางสารเคมีและอุตสาหกรรมต่างๆ

ในปี 2013 นักวิจัยแกรฟีนนำโดยศาสตราจารย์ Jari Kinaret จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ของสวีเดน ได้รับทุนมูลค่า 1 พันล้านยูโร จากสหภาพยุโรปสำหรับการวิจัยต่อเนื่องในการพัฒนาแกรฟีน ในปีเดียวกัน สมาคมเรือธงแกรฟีนถูกจัดตั้งประกอบด้วย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers และ อีกเจ็ดมหาวิทยาลัยและศูนย์การวิจัยในยุโรป และ บริษัทโนเกียของฟินแลนด์ โนเกียยังได้ทำงานกับเทคโนโลยีแกรฟีนมาแล้วเป็นเวลาหลายปี

ทางการแพทย์[แก้]

มีรายงานว่า แกรฟีนช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส หรือ PCR โดยการเพิ่ม ผลผลิตของดีเอ็นเอ การทดลองได้แสดงให้เห็นว่าการนำความร้อนที่โดดเด่นของแกรฟีน เป็นเหตุผลหลักที่อยู่เบื้องหลังผลลัพธ์ที่ได้นี้ นอกจากนี้ แกรฟีนยังให้ผลผลิตดีเอ็นเอ เทียบเท่ากับการควบคุมบวก ที่ลดลงถึง 65% ในรอบ PCR

แผงวงจรรวม[แก้]

แกรฟีนมีคุณสมบัติในอุดมคติที่จะเป็นองค์ประกอบที่ดีของวงจรรวม แกรฟีนมีตัวขนส่งกระแสไฟฟ้าที่มีความคล่องตัวสูง และคลื่นรบกวนต่ำ ทำให้มันถูกนำมาใช้เป็นช่องทางในทรานซิสเตอร์แบบ FET ปัญหาก็คือแผ่นแกรฟีนเดี่ยวจะยากที่จะผลิต และยิ่งยากที่จะผลิต เหนือพื้นผิวที่เหมาะสม นักวิจัยกำลังมองหาวิธีการของการถ่ายโอนแผ่นกราฟีนเดี่ยวจาก แหล่งที่มาของมัน (การขัดด้วยกลไกบน SiO2/Si หรือการผลิตกราไฟต์ด้วยความร้อนของ พื้นผิว SiC) ลงบนพื้นผิวเป้าหมาย ในปี 2008 ทรานซิสเตอร์ที่เล็กที่สุดในเวลานั้น มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม, กว้าง 10 อะตอมทำจากแกรฟีน ไอบีเอ็มประกาศในเดือน ธันวาคม 2008 ว่าได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ทำจากแกรฟีน ทำงานที่ความถี่ GHz ในเดือนพฤษภาคม 2009 ทรานซิสเตอร์ ชนิด n-type และ p -type ถูกประกาศว่าได้ถูกสร้างขึ้นด้วยแกรฟีน วงจรรวมที่ทำงานด้วยแกรฟีนก็ยังถูกสาธิตให้เห็นด้วยตัวอินเวอร์เตอร์ ที่ทำงานเสิมกัน ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์แกรฟีนที่เป็น p-type หนึ่งตัว และ n-type หนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม อินเวอร์เตอร์นี้ ให้โวลเตจเกนที่ต่ำมาก

ตามรายงานเดือน มกราคม 2010, แกรฟีนถูกสร้างขึ้นบนชั้นของ epitaxy บน SiC ใน ปริมาณและคุณภาพที่เหมาะสมสำหรับการผลิตวงจรรวมปริมาณมากๆ ที่อุณหภูมิสูง, ควอนตัม ฮอลล์ เอฟเฟ็กสามารถวัดได้ในตัวอย่างเหล่านี้ ดูเพิ่มเติมที่ งานของ IBM ปี 2010 ในส่วนทรานซิสเตอร์ข้างต้น ในที่ซึ่ง 'โปรเซสเซอร์' ของทรานซิสเตอร์ 100 GHz ถูกสร้างขึ้นบนแผ่นแกรฟีนขนาด 2 นิ้ว (51 มม.)

ในเดือนมิถุนายน 2011, นักวิจัยของไอบีเอ็มประกาศว่าได้ประสบความสำเร็จในการสร้างวงจรรวมจากแกรฟีนเป็นครั้งแรก โดยสร้างเป็นตัวผสมวิทยุบรอดแบนด์ วงจรสามารถจัดการกับความถี่ได้ถึง 10 GHz และประสิทธิภาพการทำงานจะไม่ได้รับผลกระทบกับ อุณหภูมิที่สูงถึง 127 องศาเซลเซียส

ใน มิถุนายน 2013, วงจร oscillator วงแหวน 1.28 GHz ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ 8 ตัวก็ถูกสร้างขึ้น

ทรานซิสเตอร์[แก้]

แกรฟีนได้แสดงให้เห็นถึงการตอบสนองที่เด่นชัดกับสนามไฟฟ้าภายนอกที่ตั้งฉาก ซึ่งมีศักยภาพในการสร้างทรานซิสเตอร์แบบ FET เอกสารในปี 2004 กล่าวว่า FETs มีอัตราส่วน เปิดปิดอยู่ที่ ~ 30 ที่อุณหภูมิห้อง เอกสารในปี 2006 ประกาศเรื่องทรานซิสเตอร์ FET ที่เป็นแกรฟีนทั้งตัวมีเกทอยู่ด้านข้าง อุปกรณ์แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่ 2 % ที่อุณหภูมิแช่แข็ง FET ที่มีเกทด้านบนตัวแรก(อัตราการเปิดปิด <2) แสดงให้เห็นในปี 2007 nanoribbons Graphene อาจพิสูจน์โดยทั่วไปว่ามีความสามารถในการเป็นสารกึ่งตัวนำแทนซิลิกอน

เอกสารในปี 2008 แสดงให้เห็นถึง ผลของการสวิตชิ่งใหม่บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ผันกลับของชั้นแกรฟีน ที่ให้อัตราการเปิดปิดที่มากขึ้นกว่าหกเท่า สวิทช์ที่กลับทางได้เหล่านี้อาจจะนำไปใช้กับเมมโมรี่แบบลบเลือน

ในปี 2009 นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงลอจิกเกท สี่ประเภทที่แตกต่างกัน แต่ละประเภท ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ที่ใช้แกรฟีนเพียงตัวเดียว

การประยุกต์ใช้สำหรับวงจรเหล่านี้จะถูกจำกัดโดยโวลเตจเกนขนาดเล็กมาก โดยปกติแล้ว สัญญาณเอาต์พุตน้อยกว่าสัญญาณอินพุทถึง 40 เท่า นอกจากนี้ยังไม่มีวงจรใดที่ทำงานที่ ความถี่สูงกว่า 25 kHz

ในปีเดียวกัน การจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่าช่องว่างของแถบที่เหนี่ยวนำในทรานซิสเตอร์แบบ FET ที่เป็นแกรฟีนสองชั้น ไม่ได้มีขนาดใหญ่พอสำหรับทรานซิสเตอร์ ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานดิจิตอล แต่สามารถจะเพียงพอสำหรับการใช้งานที่ แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำเป็นพิเศษ เมื่อการใช้ประโยชน์จากสถาปัตยกรรม tunnel-FET

ในกุมภาพันธ์ 2010 นักวิจัยประกาศเรื่องทรานซิสเตอร์ที่มีการเปิด/ปิดด้วยอัตรา 100 กิกะเฮิรตซ์, ซึ่งไกลเกินอัตราของความพยายามก่อนหน้านี้และเกินความเร็วของทรานซิสเตอร์ ซิลิคอนที่มีความยาวเกทเท่ากัน อุปกรณ์ขนาด 240 นาโนเมตรนี้ถูกสร้างขึ้นมาด้วยอุปกรณ์ ที่ใช้ในการผลิตซิลิกอนธรรมดา

ในพฤศจิกายน 2011 นักวิจัยได้ใช้การพิมพ์อิงค์เจ็ท (การผลิตสารเติมแต่ง) เป็นวิธีการที่ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์แกรฟีน

ในปี 2013 นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเคลื่อนตัวสูงของแกรฟีนในเครื่องตรวจจับ ที่ช่วยให้ความสามารถในการเลื่อกความถี่แถบกว้างในช่วงตั้งแต่ THz จนถึงช่วง IR (0.76-33THz) นักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่งสร้างทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงถึง Tara Hz ด้วยคุณ ลักษณะแบบ bistable ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์สามารถสลับระหว่างสองสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ด้วยตัวของมันเอง อุปกรณ์ประกอบด้วยสองชั้นของแกรฟีนที่แยกจากกันโดยชั้นฉนวนของโบรอนไนไตรด์ หนาเพียงไม่กี่อะตอม อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านอุปสรรค นี้ได้โดยการขุดอุโมงค์ควอนตัม ทรานซิสเตอร์ใหม่เหล่านี้แสดง "conductance ความแตกต่างเชิงลบ" โดยที่การไหลของกระแสไฟฟ้าจะเท่ากัน ที่แรงดันที่จ่ายให้สองแรงดันที่แตกต่างกัน

ขั้วนำไฟฟ้าที่โปร่งใส[แก้]

แกรฟีนมีการนำไฟฟ้าสูงและมีความโปร่งใสทางแสงสูง ทำให้มันเป็นขั้วไฟฟ้าโปร่งใสที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเช่น หน้าจอสัมผัส (อังกฤษ: touchscreen), จอแสดงผลแบบคริสตัลเหลว, เซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ และไดโอดเปล่งแสงแบบอินทรีย์ (อังกฤษ: Organic light-emitting diode)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแข็งแรงทางกลของแกรฟีน และความยืดหยุ่นเป็นข้อได้เปรียบ เมื่อเทียบกับอินเดียมดีบุกออกไซด์ ซึ่งเปราะ และแผ่นฟิล์มแกรฟีนอาจถูกทิ้งไว้ในดินให้เป็นอาหารของพืชต่อไป

แผ่นฟิล์มแกรฟีนไม่กี่เลเยอร์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ติดกันอย่างต่อเนื่องโปร่งใสและมีการนำกระแสสูงจะถูกผลิตโดยไอสารเคมีสะสมและนำมาใช้เป็น anodes สำหรับการประยุกต์ใช้ ในอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน (PCE) สูงถึง 1.71 % ซึ่งเป็น 55.2 % ของ PCE ของอุปกรณ์ควบคุมบนพื้นฐานของอินเดียมทินออกไซด์

ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLEDs) ที่มี anodes เป็นแกรฟีนยังได้รับการสาธิตให้เห็นถึงประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์และทางออปติคอล ปรากฏว่าจะคล้ายกับอุปกรณ์ที่ทำด้วย อินเดียมดีบุกออกไซด์

อุปกรณ์ที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมดที่เรียกว่าเซลล์ไฟฟ้าเคมีเปร่งแสง (LEC) ได้รับการสาธิต กับแกรฟีนที่ทำจากสารเคมี เพื่อเป็นแคโทดและ PEDOT โพลิเมอร์การนำไฟฟ้าเป็นขั้วบวก โดย Matyba กับพวก อุปกรณ์นี้แตกต่างจากรุ่นก่อนซึ่งรุ่นนี้จะประกอบด้วยอโลหะ มีแต่ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนเท่านั้น การใช้งานของแกรฟีนเป็นขั้วบวกใน LECs ก็ยังได้รับการยืนยันในสิ่งพิมพ์เดียวกัน

การกลั่นเอทานอล[แก้]

เยื่อออกไซด์ของแกรฟีนยอมให้ไอน้ำซึมผ่านไปได้ แต่ไม่ยอมให้ของเหลวหรือแก๊สอื่นแม้แต่ฮีเลียมซึมผ่านได้ ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกนำมาใช้ในการกลั่นวอดก้าในขั้นตอนต่อไปเพื่อให้ได้ความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ที่สูงขึ้น ในห้องปฏิบัติการที่อุณหภูมิห้อง โดยไม่ต้องมีการใส่ความร้อนหรือสูญญากาศในวิธีการกลั่นแบบดั้งเดิม การส่งเสริมการพัฒนา และการค้าของเยื่อดังกล่าวอาจปฏิวัติเศรษฐศาสตร์ของการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพและอุตสาหกรรมเครื่องดื่มแอลกอฮอล์

กระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ[แก้]

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าตัวกรองแกรฟีนจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคนิคอื่นๆอย่างมีนัยสำคัญ

เซลล์แสงอาทิตย์[แก้]

แกรฟีนมีการผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของการนำไฟฟ้าสูงและความโปร่งใสของแสง ซึ่ง ทำให้มันเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ แผ่นเดียวของแกรฟีนเป็นสารกึ่งตัวนำที่มี bandgap เป็นศูนย์ ที่ซึ่งตัวขนส่งประจุจะไม่ถูกกระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าการกระจัดกระจายของตัวขนส่งจะไม่เกิดขึ้น เนื่องจากวัสดุนี้จะดูดซับเพียง 2.3 % ของแสงที่ตามองเห็นเท่านั้น มันจึงเป็นตัวเลือกสำหรับการใช้งานในฐานะตัวนำไฟฟ้าโปร่งใส แกรฟีนสามารถประกอบขึ้นเป็นขั้วไฟฟ้าบางที่มีผิวเรียบ แต่ในทางปฏิบัติ แผ่นแกรฟีนบางๆที่ถูกผลิตผ่านขบวนการสารละลายจะประกอบด้วยข้อบกพร่องของตาข่าย และ จุดวงรอบเล็กๆที่ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมตัวใหม่ และลดการนำไฟฟ้าของวัสดุ ดังนั้น แผ่นบางเหล่านี้จะต้องถูกทำให้หนากว่าหนึ่งชั้นอะตอม เพื่อให้ได้ความหนืดที่ผิวที่สัมผัสได้ ความหนืดที่ถูกเพิ่มเข้าไปนี้สามารถถูกต่อต้านโดยการผสมผสานวัสดุเพิ่มการนำไฟฟ้า เช่นเมทริกซ์ซิลิกา การนำไฟฟ้าของฟิล์มแกรฟีนที่ถูกลดลงไปยังสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยการติด​​โมเลกุลอโรเมทิกขนาดใหญ่เช่น เกลือโซเดียม pyrene -1- กรดซัลโฟนิก (Pys) และเกลือโซเดียม ของ 3,4,9,10 - perylenetetracarboxylic diimide bisbenzenesulfonic acid (PDI) โมเลกุลกรดอโรเมติกที่มีขนาดใหญ่เหล่านี้ ภายใต้อุณหภูมิสูงจะช่วยในการจับคู่แบบ π ของแผ่นฐานของแกรฟืนได้ดีขึ้น แผ่นแกรฟีนบางๆ มี ความโปร่งใสในระดับสูงในภูมิภาคที่ตามองเห็นได้และภูมืภาคใกล้อินฟราเรด และ นอกจากนี้ยังมีเสถียรภาพทางเคมีและความร้อนที่สูง

เพื่อให้แกรฟีนสามารถนำไปใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ได้ การผลิตขนาดใหญ่ ของวัสดุจะต้องประสบความสำเร็จ อย่างไรก็ตาม การปอกเปลือกของ graphene pyrolytic ดูเหมือนว่าจะไม่ได้เป็นขั้นตอนง่ายๆในการยกระดับขึ้น วิธีทางเลือกที่มีศักยภาพ ในการผลิตที่สามารถปรับขนาดของแกรฟีนที่ได้รับการแนะนำ คือการสลายตัวทางความร้อนของ ซิลิกอนคาร์ไบด์

การใช้แกรฟีนที่นอกเหนือไปจากฐานะที่เป็นออกไซด์การนำกระแสที่มีความโปร่งใส (อังกฤษ: transparent conducting oxide) หรือ TCO มันยังได้แสดงความสามารถในการเคลื่อนประจุที่สูง อาจนำไปสู่ข้อสรุปว่า มันอาจจะสามารถถูกนำไปใช้เป็นตัวสะสมและขนส่งประจุในเซลล์แสงอาทิตย์ การใช้งานของแกรฟีนใน OPVs สำหรับเป็นวัสดุ photoactive ต้องปรับ bandgap ให้อยู่ในช่วงของ 1.4 - 1.9eV ในปี 2010 Yong & Tour ได้รายงานประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แกรฟีนโครงสร้างนาโนเซลล์เดียว ได้กว่า 12% อ้างอิงถึงข้อเขียนเรื่องอนาคตของแกรฟีนใน OPV ของ P. Mukhopadhyay และ R. K. Gupta ว่า อาจจะเป็น "อุปกรณ์ในที่ซึ่งแกรฟีนกึ่งตัวนำถูกใช้เป็นวัสดุ photoactive และแกรฟีนโลหะถูกใช้เป็นขั้วไฟฟ้า"

ห้องปฏิบัติการโรงเรียนวิศวกรรม USC Viterbi ได้รายงานการผลิตขนาดใหญ่ของแผ่นฟิล์มแกรฟีนโปร่งใสมากจากไอสารเคมีสะสมในปี 2008 ในขั้นตอนนี้นักวิจัยได้สร้างแผ่น แกรฟีนบางเฉียบโดยตอนแรกเป็นการวางอะตอมของคาร์บอน ในรูปแบบของฟิล์มแกรฟีน บนแผ่นนิกเกิลจากก๊าซมีเทน แล้วพวกเขาก็วางชั้นป้องกันของเทอร์โมพลาสติคเหนือชั้น แกรฟีนและละลายนิกเกิลใต้อ่างน้ำกรด ในขั้นตอนสุดท้าย พวกเขาแนบแกรฟีนที่มีการป้องกันด้วยพลาสติกไปกับแผ่นโพลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นมากซึ่งจากนั้นจะสามารถรวมตัวเข้าไปในเซลล์ OPV (photovoltaics graphene) แผ่นแกรฟีน/ลิเมอร์ถูกผลิตที่มีขนาด ใหญ่ถึง 150 ตารางเซนติเมตร และสามารถใช้ในการสร้างอาร์เรย์ที่มีความหนาแน่นของเซลล์ OPV มีความยืดหยุ่นได้ ในที่สุดมันก็อาจเป็นไปได้ที่จะสั่งแท่นพิมพ์เพื่อวางเซลล์แสงอาทิตย์ราคาไม่แพงให้ครอบคลุมพื้นที่กว้าง เหมือนเช่นการพิมพ์หนังสือพิมพ์บนหนังสือพิมพ์ (ม้วนต่อม้วน)

ในขณะที่ซิลิกอนได้เป็นมาตรฐานสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์มานาน, การวิจัย ใหม่จากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งโฟโทนิค (ICFO) ในสเปนได้แสดงให้เห็นว่า แกรฟีน สามารถพิสูจน์ว่ามันมีประสิทธิภาพสูงขึ้นมาก เมื่อมันเปลี่ยนแสงให้เป็นพลังงาน การศึกษาพบว่ามันแตกต่างจากซิลิกอนที่สร้างเพียงหนึ่งอิเล็กตรอนที่ขับกระแสสำหรับแต่ละโฟตอนที่มันดูดซับ แต่แกรฟีนสามารถสร้าางได้หลายอิเล็กตรอน เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยแกรฟีนสามารถให้มีประสิทธิภาพได้สูงถึง 60% - สองเท่าของประสิทธิภาพสูงสุดที่ซิลิกอนทำได้

การตรวจจับแก๊สโมเลกุลเดี่ยว[แก้]

ประวัติและการค้นพบ[แก้]

ค.ศ.1947 P. R. Wallace [1] ได้ทำนายถึงโครงสร้างแถบพลังงานของแกรไฟต์ ในเชิงทฤษฎีด้วยวิธีการที่เรียกว่า Tight binding approximation โดยยังไม่พบได้จากการทดลอง จนกระทั่ง ค.ศ.2004 K. S. Novoselov, A. K. Geim และทีมงาน ได้พบการมีอยู่ของวัสดุยุคใหม่นี้ที่ชื่อ แกรฟีน เป็นผลให้ K. S. Novoselov และ A. K. Geim ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี2010 [2]

อ้างอิง[แก้]