Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Grafen (znowu) na skraju wykorzystania swojego potencjału

ghost666 14 Wrz 2020 11:36 894 0
  • Grafen (znowu) na skraju wykorzystania swojego potencjału
    Grafen - allotropowa odmiana węgla o grubości jednego atomu - szczyci się niezwykłymi właściwościami w zakresie elastyczności, wytrzymałości jak i przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. Od dawna budzi on spore zainteresowanie. Hiperbola sprawiła, że ​​grafen został wspaniale opisany jako cudowny materiał, który znajdzie transformacyjne zastosowania w sektorze elektronicznym. Jednak sprostanie temu oczekiwaniu nie okazało się łatwe.

    Jak dotąd grafen, jako materiał, w dużej mierze nie wykorzystał swojego potencjału w zastosowaniach urządzeń elektronicznych, głównie ze względu na sposób jego wytwarzania i przetwarzania. Mając to na uwadze, należy zadać stosowne pytanie: czy grafen kiedykolwiek takie zastosowanie znajdzie? Aby znaleźć odpowiedź na to pytanie, musimy cofnąć się o krok i przyjrzeć niektórym wyzwaniom związanym z produkcją grafenu do użytku w sektorze elektronicznym.

    Istnieje obecnie na rynku kilka firm produkujących grafen w postaci proszku (czyli płatków grafenu), który jest używany jako dodatek do polepszania właściwości polimerów i cementów. Grafenowe urządzenia elektroniczne jako produkty są jednak nadal w powijakach z powodu wielu problemów, z których jednym jest opłacalna metoda wytwarzania arkuszy grafenu na podłożach krzemowych. Istnieje również ograniczona wiedza komercyjna na temat przetwarzania tych arkuszy w działające, niezawodne urządzenia elektroniczne z dobrą wydajnością procesu.

    Większość grafenu produkowanego obecnie na rynku jest albo tworzona przez złuszczanie grafitu, albo formowanie grafenu na metalowym podłożu - najczęściej folii miedzianej. Podczas gdy złuszczany grafit daje grafen najlepszej jakości, to jest to zazwyczaj bardzo mały obszar, miejscami wielowarstwowy, niejednorodny i niemożliwy do zastosowania poza laboratorium. Dlatego też proces ten nie nadaje się do urządzeń elektronicznych innych niż na poziomie badawczo-rozwojowym.

    Tymczasem grafen wyhodowany na folii miedzianej musi zostać przeniesiony na podłoże kompatybilne z elektroniką po zsyntetyzowaniu, z udziałem różnych procesów przenoszenia na mokro i na sucho, które mogą wpływać na funkcjonowanie grafenu w docelowym urządzeniu. Jest on również naturalnie zanieczyszczony miedzią.

    Wyzwania te oznaczają, że na rynku brakuje wolnego od zanieczyszczeń i konieczności transferu wielkopowierzchniowego grafenu, a jego wdrażanie w elektronice na rynek masowy pozostaje powolne. Nowe rozwiązania są wyraźnie potrzebne, jeśli grafen ma zaistnieć w branży elektronicznej.

    Nowatorska technika jest naprawdę obiecująca

    Firma Paragraf opracowała innowacyjną metodę produkcji grafenu na dużą skalę. Można to osiągnąć dzięki skalowalnej i opatentowanej technologii, która umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości grafenu o dużej powierzchni (obecnie do 8” średnicy) na arbitralnie wybranych podłożach.

    Podejście to wykorzystuje zmodyfikowaną metodę osadzania, która eliminuje potrzebę procesów transferu powszechnie stosowanych w większości metod syntezy grafenu na dużych powierzchniach. Dlatego grafen można wytwarzać w jednolitej, pojedynczej warstwie bezpośrednio na szerokiej gamie podłoży, w tym na krzemie, węgliku krzemu (SiC), szafirze, azotku galu (GaN) i innych podłożach półprzewodnikowych. Jest on również wolny od zanieczyszczeń metalicznych.

    Pozornie więc to skalowalne podejście przezwycięża wiele wyzwań związanych z opracowywaniem grafenu do zastosowań elektronicznych. Następnym krokiem jest maksymalne wykorzystanie tych postępów poprzez zidentyfikowanie odpowiednich zastosowań i wprowadzenie na rynek opłacalnych, z handlowego punktu widzenia, produktów opartych na grafenie.

    Proces ten już się rozpoczął, a naukowcy i inżynierowie z Paragraf opracowali nowy czujnik Halla oparty na grafenie. Istniejące urządzenia wykorzystujące efekt Halla, wykonane z krzemu, są używane głównie do wykrywania pola magnetycznego. Mają jednak ograniczenia w zakresie czułości, dokładności i zasięgu pomiaru pola magnetycznego. Firma ta uważa, że ​​jej urządzenie grafenowe pokonają wiele z tych ograniczeń parametrów.

    Przyjrzyjmy się więc tym twierdzeniom firmy bardziej szczegółowo, zaczynając od szczegółów - dlaczego grafen, jako materiał, jest tak dobry do stosowania go w czujnikach Halla. Co najważniejsze, grafen ma właściwość zwaną koncentracją nośników w arkuszu: zasadniczo liczba elektronów, dostępnych do poruszania się poprzez materiał, która jest bardzo niska. Podczas tworzenia materiału do interakcji z innymi polami elektrycznymi lub magnetycznymi, na przykład w czujniku Halla, właściwość ta bezpośrednio przekłada się na bardzo wysoki poziom czułości urządzenia. W rzeczywistości może to być od 30 do 50 razy bardziej czułe niż w przypadku standardowego półprzewodnika, takiego jak krzem.

    Co ważne, grafen jest materiałem dwuwymiarowym, co oznacza, że ​​nie wykazuje takich samych właściwości kierunkowych jak materiały grubsze lub materiały objętościowe. W przypadku czujników z efektem Halla jest to szczególnie przydatne: jednym z problemów związanych z tradycyjnymi urządzeniami jest grubość materiału czujnikowego, który powoduje, że warstwa czujnikowa jest trójwymiarowa. Powoduje to, że wykrywane są również składowe pola, które nie są prostopadłe do kierunku wykrywania, a w rezultacie wytwarzane są fałszywe sygnały. Jest to znane jako planarny efekt Halla. Brak tego efektu w czujnikach Paragrafu wynika z naturalnej cienkości jednowarstwowego grafenu, więc błędy te nie powstają, umożliwiając bardziej precyzyjne odwzorowanie pól magnetycznych.

    Ponadto grafen jest bardzo wytrzymały i nie podlega oddziaływaniom termicznym, jakie mają miejsce w konwencjonalnych urządzeniach półprzewodnikowych. Dzięki temu czujnik może pracować w bardziej ekstremalnych temperaturach, znacznie wyższych i znacznie niższych niż standardowe półprzewodnikowe urządzenia krzemowe. Mogą być używane w ekstremalnych temperaturach kriogenicznych w warunkach poniżej -271°C (1,8 K), i do 80°C (353 K), co oznacza, że ​​mogą być używane w środowiskach nadprzewodzących, zachowując jednocześnie wysoką czułość. Oprócz odporności na szok termiczny nie jest wymagana żadna ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi, a czujniki można podłączyć bezpośrednio do sieci (220 V) bez żadnych negatywnych skutków. Ułatwia to obsługę czujników w środowiskach przemysłowych.

    Oparte na grafenie czujniki Halla mają również bardzo niski pobór mocy - rzędu pikowatów (pW) z prądem sterującym rzędu nanoamperów (nA) - dzięki czemu nie ogrzewają środowiska kriogenicznego i oszczędzają energię w porównaniu z innymi czujnikami tego rodzaju.

    Paragraf oferuje obecnie swój grafenowy czujnik Halla w niewielkich ilościach do użytku w szerokim zakresie zastosowań pomiarów magnetycznych przed pełną komercyjną premierą jeszcze w tym roku. Ceny czujników odzwierciedlają póki co możliwość uzyskania pierwszego dostępu do tej nowej i przełomowej technologii i są dostarczane jako część pakietu współpracy, który jest wyceniany w zależności od aplikacji i w zależności od wymaganego poziomu dostosowania oraz wsparcia ze strony firmy Paragraf.

    Testy terenowe zapewniają walidację

    Charakterystyki techniczne czujnika Paragraf zostały potwierdzone podczas testów terenowych z kilkoma partnerami. Na przykład Paragraf współpracuje z Laboratorium Pomiarów Magnetycznych Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), które przetestowało czujniki, aby sprawdzić, czy mogą dokładnie odwzorować pola magnetyczne w elektromagnesach używanych w unikalnej konfiguracji systemu pomiarowego w CERN. Testy terenowe pokazują definitywnie, że czujnik Paragrafa ma pomijalny planarny efekt Halla i dlatego mierzy tylko składowe pola wzdłuż żądanej osi pomiaru. CERN chce zbudować system mapowania z tych czujników Halla, który może zapewnić bardzo dokładne pomiary pola magnetycznego przy użyciu czujników firmy Paragraf.

    Paragraf współpracował również z National Physical Laboratory (NPL) w celu zbadania przydatności czujników w ekstremalnie trudnych warunkach oraz z Queen Mary University of London w celu zbadania potencjału grafenu do zastąpienia tlenku cyny-indu (ITO) w urządzeniach elektronicznych jako przeźroczyste elektrody.

    Czujniki, takie jak opisane powyżej, mogłyby być teoretycznie wbudowane np. w silniki samolotów w celu ciągłego monitorowania usterek w czasie rzeczywistym. Ponadto po zakończeniu prac testowych z NPL i po wykazaniu, że czujnik może działać w trudnych warunkach promieniowania, zastosowania mogą obejmować wykorzystanie jako czujników pozycyjnych w robotach pracujących w instalacjach jądrowych i w satelitach kosmicznych.

    Źródło: https://www.eetimes.com/graphene-on-the-verge-of-delivering-on-its-potential/

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9961 postów o ocenie 8219, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • MetalworkMetalwork