Стоимость фотоэлементов можно уменьшить благодаря использованию 3d-графена

Создан фотоэлемент на основе графена, который может стать основой линз ночного видения

Стоимость фотоэлементов можно уменьшить благодаря использованию 3d-графена

В ближайшем будущем контактные линзы ночного видения могут перестать ассоциироваться с некоторыми научно-фантастическими фильмами и воплотятся в реальном коммерческом продукте.

Исследователям из Мичиганского университета удалось разработать первый в мире фотоэлемент на основе графена, работающий при комнатной температуре, который может обнаруживать инфракрасное излучение во всем спектре длин волн.

Как сообщается на сайте университета, в отличие от присутствующих сейчас на рынке фотодетекторов, которые собирают излучение только в пределах среднего и дальнего инфракрасного диапазона, детектор, разработанный инженерами Мичиганского университета, обходится без громоздких систем охлаждения.

Тот факт, что графен, слой углерода толщиной в один атом, может взаимодействовать с инфракрасным излучением во всем спектре длин волн, а также видимым и ультрафиолетовым излучением, известен уже достаточно давно.

Однако до недавнего времени использование графена в качестве фотодетектора считали нецелесообразным в силу того, что он не может захватывать необходимое для преобразования в электрический импульс количество света. С толщиной в один атом он способен поглощать только 2,3% света.

Работа современных фотодетекторов устроена таким образом, что для преодоления потенциального барьера (зазора между энергетическими уровнями в полупроводнике) квант света должен передать носителю достаточное количество энергии.

Однако графен не является «полноценным» полупроводником и не располагает так называемой запрещенной зоной. Если фотон света не можно преобразовать в электрический сигнал, графен не может быть использован в качестве датчика.

Чтобы преодолеть это препятствие Чжаохуэй Чжун вместе с профессором электротехники и компьютерных наук Жераром А. Муру и аспирантами разработали новую технологию генерации электрического сигнала.

Вместо того чтобы напрямую измерять энергию, которая высвобождается в момент, когда свет попадает на графен, они решили усилить эффект путем воздействия на материал постоянным током. Иначе говоря, исследователи объединили вместе два слоя графена, а между ними поместили изолирующий материал.

На нижний слой они воздействовали электрическим током, а на верхний – инфракрасным излучением. В момент попадания света на верхний слой графена на месте высвобождавшихся электронов возникали положительно заряженные дырки.

При этом сами электроны благодаря туннельному эффекту проникают сквозь диэлектрик в нижний слой графена. В свою очередь оставшиеся в верхнем слое графена дырки создают электрическое поле, которое влияет на движение электронов в нижнем слое.

Измеряя изменения параметров тока в нижнем слое, команде исследователей удалось определить интенсивность света, попадающего на верхний слой графена.

Таким образом, новый подход впервые позволил обеспечить для фотоэлемента на основе графена, работающего при комнатной температуре, нужный уровень чувствительности, позволяющий на равных конкурировать с современными кремниевыми матрицами, охлажденными до сверхнизких температур.

К слову, по размерам детектор исследователей из Мичиганского университета сравним с ногтем мизинного пальца.

В настоящее время исследователи занимаются совершенствованием технологии и планируют интеграцию фотоэлемента в различную мобильную электронику. Областей для применения устройств с подобными детекторами множество, от медицины и до робототехники.

Устройство было описано в научной статье «Фотоэлементы на основе графена с широкой полосой пропускания и высокой чувствительностью при комнатных температурах», опубликованной в Nature Nanotechnology.

Источник: Мичиганский университет

Источник: https://itc.ua/news/sozdan-fotoelement-na-osnove-grafena-kotoryiy-mozhet-stat-osnovoy-linz-nochnogo-videniya/

Напечатанный на 3D принтере графен оказался прочнее стали в десять раз « Gearmix

Уже было достаточно много написано по поводу того, что графен спасёт мир, благодаря своим уникальным свойствам и перспективам широкого применения в различных областях.

Но на самом деле возможностей увидеть в натуральную величину доказательства того, как и почему шестиугольные решетки настолько прочные, было немного. Исследователям Массачусетского технологического института это удалось.

Они получили в недавних экспериментах графен, который оказался на 5 процентов плотнее и в десять раз прочнее металла, показав, что это возможно, даже когда размеры куска композита больше обычного листа бумаги.

Используя высокоточную компьютерную модель, учёные напечатали на 3D принтере двухатомные кубы в виде материала с губчатой структурой, а затем подвергли их испытаниям на сжатие.

В таких тестах форма играет невероятно важную роль. Сам куб выглядит как губка пурпурного цвета.

Его пористая структура говорит о наличии поверхности с большой площадью, а это повышает прочность при сохранении малого веса.

Пожалуй, наиболее интересным является то, что различные кубики реагировали неожиданно по-разному. Например, куб с более толстыми стенками и складками оказался менее устойчивым к разрушению, когда прикладывалось большее давление. В отличие от кубов с более тонкой структурой, которые разрушались постепенно, сохраняя свою форму почти до конца, этот разрушался мгновенно, как при взрыве.

Учёные говорят, что это происходит потому, что более тонкие стенки деформируются постепенно, в то время как более толстые накапливают энергию деформации, которая потом приводит к мгновенному схлопыванию. Это говорит о том, что для обеспечения прочности, помимо структуры материала, важна его форма.

«Можно заменить материал каким-то другим, — говорит  один из специалистов МТИ. — Доминирующим фактором является геометрия».

Где это можно применить? Можно покрыть полимер или частицы металла графеном и затем после термосилового закрепления убрать базовый материал. В результате остаётся лёгкая и суперпрочная графеновая структура. Исследователи считают, что такой материал можно использовать в строительстве бетонных мостов, в системах фильтрации воды или в оборудовании для химической обработки.

Похожие записи

© Gearmix 2013 Права на опубликованный перевод принадлежат владельцам вебсайта gearmix.ru Все графические изображения, использованные при оформлении статьи принадлежат их владельцам. Знак охраны авторского права распространяется только на текст статьи.

Использование материалов сайта без активной индексируемой ссылки на источник запрещено.

Источник: http://gearmix.ru/archives/32527

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Развитие транспорта на электрической тяге, всевозможных портативных устройств и прочей техники, работающей на аккумуляторах, требует от научного сообщества новых разработок в этом направлении. Графеновый аккумулятор стал одной из таких разработок несколько лет назад.

Эта новинка стала обсуждаемой, поскольку по основным характеристикам графеновая аккумуляторная батарея превосходила литиевые в несколько раз. Однако широкого практического применения пока ещё незаметно.

В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой графеновый аккумулятор и как обстоят дела с развитием этой технологии.

 

Что за материал графен?

Графен представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Выглядит он как бесцветный, тонкий лист углерода толщиной в один атом. Этот материал обладает высокой прочностью и энергоёмкостью.

Графен был получен искусственным путём в 2010 году российскими учёными Андреем Гейм и Константином Новоселовым. Они сменили гражданство или проживают в Великобритании.

В процессе своих исследовательских работ в Манчестерском университете им удалось получить графен на подложке оксида кремния. Это плёнка углерода в миллион раз тоньше, чем обычный лист бумаги.

Учёным удалось представить данные по измерению электрической проводимости графена, эффекта Холла и Шубникова-де Гааза. В 2010 году Гейм и Новоселов получили за исследование графена Нобелевскую премию.

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10-12 метра.

При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике.

Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно.

Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд.

Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.

Вернуться к содержанию

 

Устройство графенового аккумулятора

Как и обычные свинцово-кислотные автомобильные АКБ, графеновые аккумуляторы работают на базе электрохимических процессов.

Естественно, что в основе здесь лежит другая реакция, нежели в кислотном электролите. По устройству графеновые аккумуляторы больше всего похожи на литий─полимерные аккумуляторные батареи.

На сегодняшний день появились две разных технологии получения графеновых аккумуляторов.

В первом случае предлагается использовать в качестве катода чередующиеся пластины графена и кремния, а в качестве анода LiCoO2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO2 предлагается заменить на оксид магния, который дешевле. На схеме ниже можно посмотреть схематическое отображение работы графенового аккумулятора.

Среди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:

  • Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
  • Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
  • Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
  • Не загрязняют окружающую среду;
  • Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
  • Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
  • Довольно легко устранить повреждения;
  • Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует.

А вот в сфере автомобилестроения графеновые аккумуляторы имеют хорошие перспективы уже сейчас.

Исследования показали, что использование графеновой аккумуляторной батареи на электромобиле Tesla Model S может увеличить пробег с 300─400 до тысячи километров.

При этом на зарядку графенового автомобильного аккумулятора потребуется 5─10 минут. Для этого нужно будет оснастить АЗС мощными зарядными станциями, но это вполне решаемая проблема.

Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей.

Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.

Вернуться к содержанию
 

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7─10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий─ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla).

Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек.

Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung).

Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки.

Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий─полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов.

Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций.

В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы.

Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

В России их преобладающим направлением при разработке графеновых аккумуляторов стало использование графена и магния (вместо лития).

В качестве приоритетных направлений своей деятельности российские исследователи называют использование графеновых аккумуляторных батарей в автомобилестроении, а также альтернативной энергетике (ветряной и солнечной).

Одной из компаний, которые занимаются разработкой графеновых АКБ, является «Конгран». Там рассчитывают создать аккумуляторы, превышающие современные батареи по мощности на порядок. При этом их стоимость будет дешевле нынешних.

Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода ─ магний. Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз.

Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.

Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ.

Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов.

Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях.

Читайте также:  Программатор громова для atmega8a-pu

Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.

Вернуться к содержанию

Поделиться в социальных сетях!

Источник: http://akbinfo.ru/stati/grafenovyj-akkumuljator.html

«Графеновый» глаз мотылька позволил создать сверхэффективные солнечные панели



ПодробностиОпубликовано: 03.03.2016 07:22Просмотров: 2919

Для эффективной работы большинства солнечных панелей (есть конечно же и альтернативный дизайн) необходимо попадание на них прямых солнечных лучей.

А фотоэлементам, расположенным внутри помещений без искусственного источника света или отраженного света просто не обойтись.

Однако британские ученые нашли оригинальное решение этой проблемы: они предложили воспользоваться технологиями самой природы, а за основу взять структуру глаза ночного мотылька.

Исследователи из Университета Суррея разработали тончайшую пленку из карбоновых нанотрубок, которая способна перерабатывать до 99% падающего на нее света, практически всех спектральных диапазонов волн.

Инновационный материал может улавливать самое незначительное излучение и применяться для самых разнообразных нужд: от оптических датчиков до ультратонких солнечных панелей для смартфонов.

Результаты научной работы под названием Ultra-broadband light trapping using nanotextured decoupled graphene multilayers опубликованы в журнале Science Advances.

Для получения пленки ученые скомбинировали два подхода. Во-первых, в качестве основного материала они взяли графен, который поглощает свет в очень широком диапазоне волн, от видимого света до ультрафиолета. Во-вторых, исследователи воспользовались аморфными наноструктурами, внутри которых «теряется» значительное количество излучения определенной длины волны.

Объединив оба материала, ученые получили тонкую пленку толщиной в 15 нанометров, которая абсорбирует до 99 процентов оптических волн. Исследователи утверждают, что принцип работы пленки они позаимствовали у мотыльков, чьи глаза способны очень хорошо видеть в темноте.

В ходе исследования ученые выращивали аморфные наноструктуры из титана на специальной кремниевой подложке, которая состояла из «пикселей» — квадратных участков с металлической поверхностью и нагревающим элементом. На слой титана наносили слой графена. Идея ученых состояла в том, что верхний слой графена будет «ловить» световые волны, а нерегулярные структуры под ним удерживать электромагнитное излучение.

Для проверки, как хорошо полученный материал поглощает свет, его нагревали до температуры в 200 градусов Цельсия, в результате чего наноструктуры начинали испускать тепло.

Согласно закону излучения Кирхгофа, тепловое излучение при этом соответствует излучению тела с определенной способностью к поглощению. Для измерения теплоотдачи ученые использовали тепловизионную камеру.

Результаты показали, что материал способен поглощать до 99 процентов падающего на него излучения, от инфракрасных до ультрафиолетовых длин волн.  

В 2014 году компания Surrey NanoSystems разработала материал, названный Vantablack, который поглощает до 99,96 процентов падающего излучения, включая радиоволны.

Вещество состоит из вертикальных нанотрубок, в которых «теряются» фотоны, почти не отражаясь обратно и превращаясь в тепло.

В 2015 году физики из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы получили наночастицы золота, которые поглощают свыше 98,43 процентов видимого и инфракрасного излучения.

Справка: Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить, как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Впервые графен был получен в 2004 году.

Источник: https://ecotechnica.com.ua/energy/solntse/840-grafenovyj-glaz-motylka-pozvolil-sozdat-sverkheffektivnye-solnechnye-paneli.html

О главном: фотоэлемент

Недавно была опубликована статья про принцип действия солнечных батарей. Сегодня хочется остановиться на центральном элементе любой солнечной батареи — фотоэлементе.

От параметров фотоэлемента зависят все параметры солнечной батареи: эффективность производства электроэнергии (КПД), срок службы и, конечно, условия работы.

Если смотреть вклад в стоимость солнечной батареи, то фотоэлемент — это самая дорогая часть, и именно от его стоимость зависят сроки окупаемости гелиосистемы.

Еще совсем недавно фотоэлементы изготавливались в основном из кристаллического кремния. Но теперь, набор материалов и технологий изготовления достаточно обширен. Единым остался лишь принцип их работы на основе фотогальванического эффекта. Принципы были хорошо описаны в предыдущей статье.

На данный момент все известные в мире фотоэлементы делятся на две большие группы: кристаллические кремниевые, тонкопленочные и органические. Дальше детально рассмотрим каждую из групп.
С точки зрения возникновения технологий — это самая первая. Такие фотоэлементы существуют уже несколько десятков лет и успешно эксплуатируются в космонавтике.

Космические аппараты на таких элементов успешно эксплуатируются на орбите Земли, на других планетах и даже на грани солнечной системы. Они остаются самыми распространенными и на Земле. Кремниевый фотоэлемент состоит из двух слоев. Внутри расположен сверхчистый кристаллический кремний, который перед этим проходит множество этапов очистки.

Внешний слой состоит из кремния с примесями, которые вводятся для различных целей. Такой примесью может быть, например, фосфор. Как известно, кремний — один из самых распространенных элементов на земле. Однако, картина не столь радужна, большей частью он встречается в виде оксида, например, кварца. Не удивляйтесь, но кремний содержится даже в речном песке.

А когда вы ходите по кварцевому песочку на пляже, знайте, что из этого материала делают микроэлектронику. Возникает проблема выделения чистого кремния из природных ресурсов. Люди научились решать эту проблему, но пока это долгий и дорогой процесс. Чтобы как-то сбалансировать необходимость и реалии делают кремний разных степеней очистки.

Есть даже стандарт на «солнечный кремний», который применяют в производстве фотоэлементов. Кристаллический кремний для производства фотоэлементов бывает двух видов: поликристаллический и монокристаллический.

Монокристаллические фотоэлементы

Из плюсов — самый высокий КПД (порядка 10-16%) и очень долгий срок службы. На таких фотоэлементах работают космические аппараты, которые находятся там уже больше 20 лет. Главным недостатком подобных фотоэлементов являются цена.

Кроме этого, у таких фотоэлементов есть еще один недостаток, при облачности или затемнении их КПД уменьшается. Для космоса — это не проблема, там нет облаков. Для «земного» применения в быту, это может стать непреодолимым препятствием.

В попытке решения этой и некоторых других проблем были созданы поликристаллические фотоэлементы.

Поликристаллические фотоэлементы

В отличии от своих собратьев на монокристаллах, таки элементы характеризуются более низким КПД (порядка 11%) и меньшим сроком службы (около 10 лет). Однако, они имеют меньшую цену и меньше зависят от затемнения.
Как уже было отмечено, фотоэлементы на основе кремния достаточно дороги.

Однако, для повсеместного «земного» применения требуется, чтобы цены были доступны для обывателя. Чтобы решить эту проблемы, многие фирмы и исследовательские команды по всему миру принялись искать альтернативу. И нашли ее в виде тонкопленочной технологии. Стоимость таких элементов почти в два раза ниже.

Экономия возникает в следствии того, что для производства элементов на тонких пленках требуется гораздо меньше кремния. Кроме этого, в качестве полупроводниковых, можно использовать более новые и более дешевые соединения.

На данный момент самыми популярными видами тонкопленочных фотоэлементов являются элементы из аморфного кремния, CIS (CIGS) и CdTe технологии.

Фотоэлементы из аморфного кремния (a-Si)

Такие элементы стоят гораздо дешевле своих кристаллических собратьев за счет снижения количества кремния. Такие элементы — это различного рода пленки, на которые нанесен слой рабочего кремния толщиной 0,5-1,0 мкм (в противовес 300 мкм в кристаллических, разница — в 300 раз).

Кроме этого, аморфный кремний в отличии от кристаллического можно наносить на самые разные поверхности, которые ко всему прочему можно гнуть (аморфный материал в отличии от кристаллического не ломается). Аморфность, кроме своих плюсов имеет очевидный минус — КПД. КПД таких элементов составляет всего около 6-8%.

CIS (CIGS) фотоэлементы

  • CIS — Copper Indium Selenide, соединения селена с медью и индием
  • CIGS — Copper Indium Gallium Selenide, соединение селена с медью, индием и галлием

В таких элементах нет кремния, совсем. Как указано выше в расшифровке аббревиатур, основу таких элементов составляет селен, в который добавляются соединения меди, индия и галлия. Главный плюсом таких элементов является КПД (порядка 11%), который является самым большим среди тонкопленочных элементов. Кроме всего прочего, такие элементы эффективнее кристаллических в облачную, пасмурную погоду и вечерние часы. На этом плюсы таких элементов не заканчиваются. Такие элементы обладают так называемым «эффектом светового насыщения». Стоит оставить их на солнце без подключенной нагрузке на несколько часов, и их эффективность повышается на 10%. Удивительно! Кристаллические элементы при долгом воздействии деградируют.

CdTe фотоэлементы

В основе таких фотоэлементов лежат соединения кадмия и теллура. КПД — около 9%. Следует отметить тот факт, что кадмий вообще — вредный токсичный элемент. Хотя и используется в обычных батарейках в небольших количествах. Производители, конечно, утверждают, что ввиду очень малой доли продукция безвредна.

Достаточно новый вид фотоэлементов на основе органических соединений. Пока характеризуется небольшим КПД (порядка 5-7%), хотя если образцы, в которых удалось добиться порядка 20%. Напомню, что биологический коэффициент покрытосеменных растений — 10%.

Плюсы — дешевизна при массовом производстве, экологичность, возможно наносит на любые поверхности (даже сгибаемые), и, возможно, КПД в будущем.

Источник: http://itw66.ru/blog/alternative_energy/454.html

3D-графен полностью заменит платину

Представляем вашему вниманию DSSC – очень тонкие, пластичные, простые в производстве и невероятно дешевые солнечные панели. Они могли бы стать настоящим спасением человечества от энергетического кризиса.

Только представьте себе: миллионы домов по всему миру, сотни тысяч крыш автомобилей и общественного транспорта покрыты такими элементами. Однако, в использовании этой технологии есть одно небольшое «но», создающее огромные проблемы для массового внедрения таких батарей.

Ключевой элемент, который пригоден для эффективного использования DSSC, – это платина, один из наиболее редких и дорогих металлов на Земле. Конечно, чтобы произвести одну солнечную батарею, нужно совсем немного платины.

Но если учесть ее цену, полторы тысячи долларов за одну унцию, то стоимость солнечной панели все равно остается непомерно высокой.

Выход нашли американские ученые. Они разработали принципиально новый материал. Он, по сравнению с платиной, катастрофически дешевый. Название новинки вышло очень современным – 3D-графен.

Это вещество обеспечивает достаточно высокий эффект преобразования солнечного света в электрическую энергию – 7,8%, в то время как у DSSC на основе платины – 8%. Даже столь небольшого КПД оказывается достаточно, чтобы DSSC с 3D-графеном обрели коммерческий успех.

Более того, само устройство солнечных панелей оказывается очень простым – всего пара элементов: два электрода и подкрашенный йодом электролит.

Отметим, что сам графен был изобретен сравнительно недавно и произвел настоящую революцию в мире наноматериалов. Его особенность заключается в том, что он является двумерным материалом и при этом невероятно крепок. А новая версия этого вещества получила структуру в виде сот.

Для получения такого эффекта исследователи соединили окись углерода с окисью лития. Химическая реакция дала карбонат лития и сотовый графен. Карбонат помог образовать так называемые графеновые листы, которые он и изолирует друг от друга. Так не было допущено образование традиционного графита.

Более того, карбонат лития легко удаляется из сот 3D-графена.

Опыты ученых показали, что соты нового вещества обладают отличной проводимостью и большим порогом каталитической активности.

Благодаря этому соты можно легко применять в качестве хранилища и преобразователя энергии. Американским инженерам удалось полностью заменить электрод из платины на новый материал.

Так, самая дорогостоящая часть DSSC-ячеек оказалась ненужной. При этом была сохранена эффективность всей системы.

Создатели отмечают, что синтез нового вида графена является достаточно дешевым и не требующим сложного технического обеспечения процессом.

Это значит, что уже в скором времени можно будет наладить производство солнечных панелей, сенсибилизированных красителями. В теории, такие панели могут вырабатывать и до 30% КПД. Это на 4% больше КПД обычных кремниевых батарей.

Ученым есть куда стремиться, хоть и их рекорд в 7,8% является абсолютно рентабельным.

Источник: https://www.innoros.ru/news/13/11/3d-grafen-polnostyu-zamenit-platinu

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций.

• Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами.

Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
• Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала.

Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока.

Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
• Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток.  Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Читайте также:  Структура hex-файла

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью.

Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка.

Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной.

Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной.

Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Применение

Практическое применение фотоэлементов идет по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

  • По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
  • Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
  • Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
  • На станке для плазменной резки металла элементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
  • В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
  • На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
  • В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
  • Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
  • Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
  • Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/fotoelementy/

Графен – какие возможности у космического материала?

Графен — вещество довольно новое. Его открытие принесло двум исследователям: Андрею Гейму и Константину Новоселову Нобелевскую премию. По сути графен – некий вид углеродной пленки, по толщине равной одному атому. Свойства у материала уникальные. Даже при комнатной температуре носители графена способны передвигаться.

Внешне открытие остается прозрачным при любом видимом спектральном диапазоне и при этом сохраняет высокую проводимость. Вещество позволяет задуматься о разработке транзисторов наименьших размеров. Получить графеновый лист смогли именно ученые, которые и получили за это заслуженную награду.

До них было невозможно заставить углеродные атомы стать более устойчивыми.

Графеновые соединения были обнаружены и в космосе. Это удалось сделать несколько лет назад ученым из National Optical Astronomy Observatory в американских Соединенных Штатах. Но факт того, что в пространстве живет этот материал, по сути ничего не дает. Надо научиться его использовать.

И вот тут вперед пошли китайские ученые. Причем продвинулись они довольно далеко. Для начала было предложено путешествовать по Космосу на парусах, которые будут использовать Солнце и работать как раз на графене.

Предложение возникло не на пустом месте. Исследователям удалось создать губки из графеного материала.

Затем при помощи специальных устройств у специалистов получилось сфокусировать свет солнца и передвинуть губку на некоторое расстояние.

Отсюда вывод: графен поглощает свет солнца, начинает испускать электроны, которые затем провоцируют движение в противоположную от солнца сторону. И, как утверждают посвященные, в условиях вакуума эффект будет усилен, что приведет к возможности передвижения в Космосе космических аппаратов.

Но все эти открытия произошли несколько лет назад и уже известны определенному кругу в подробностях. Последние новости же касаются того, что над графеном серьезно потрудился Крис Соренсен.

До сих пор графен невозможно было производить в солидных количествах. Процесс стоил немало, и это стопорило работы.

Новая метода базируется на осуществлении детонации материалов углеродосодержащей этиологии в замкнутом пространстве.

Если подробней, то в емкость помещаются кислород, ацетилен с газообразным этиленом. Затем используется простая свеча зажигания. Смесь обязательно взрывается. В итоге на стенах емкости остается графен. Стоимость производства становится низкой, что позволяет задуматься о массовом производстве материала.

Способ открыли случайно. Но зато теперь можно подумать о том, что перед человеком открываются пути ухода от топливных вредных веществ и перехода на экологичное графеновое движение

Источник: http://mks-onlain.ru/news/grafen-kakie-vozmozhnosti-u-kosmicheskogo-materiala/

Не вылететь в нанотрубку. Современные продукты из графена могут получить широкое применение в строительстве при условии, что удастся снизить их стоимость

Одностенные углеродные нанотрубки — продукт, который может кардинально изменить свойства материалов, в том числе и строительных. Если просто, то трубки — это лист графена, свернутый в полый цилиндр. Область применения углеродных нанотрубок исключительно широка — от медицины до строительства.

Так, например, введение их в качестве модификатора в бетон придает последнему электропроводность, термостойкость и повышенную прочность. Добавление даже 0,01% нанотрубок в материал существенно меняет его свойства.

Тесты по сверлению и истиранию материалов, модифицированных нанотрубками, проведенные в Европе, показали, что одностенные углеродные нанотрубки не покидают матрицу материала при его механическом повреждении.

«Прелесть нанотрубок еще и в их чрезвычайно низких концентрациях, необходимых для кардинального изменения свойств материалов, — говорит академик РАН Михаил Предтеченский. — Например, одного килограмма нанотрубок хватит, чтобы улучшить километр асфальтированной трассы — срок службы асфальта будет в четыре раза длиннее».

Еще одно из возможных направлений применения модифицированных с помощью нанотрубок бетонных смесей: защита трубопроводов на морских шельфах, на дне рек, в обводненной и болотистой местности, в промерзающем грунте.

Российской компанией «БТ СВАП» уже накоплен опыт при строительстве подводных переходов в Охотском, Черном и Каспийском морях, через Куйбышевское водохранилище, на Сахалине и Ямале.

Директор фирмы по науке и технологиям Сергей Меликов отмечает, что применение углеродных нанотрубок улучшило характеристики защитных и утяжеляющих покрытий трубопроводов: прочность, водонепроницаемость, удобство при укладке.

При этом за счет улучшенных характеристик наномодифицированной бетонной смеси удалось снизить стоимость самого защитного покрытия. Попутно заметим, что бетонные смеси для защитного и утяжеляющего универсального бетонного покрытия с добавлением одностенных углеродных нанотрубок компании «БТ СВАП» получили европейский сертификат соответствия.

Дело за малым — утверждение российских стандартов применения наноматериалов для обычных бетонов, композитов, пластиков, металлов, массово используемых в строительстве. Применение углеродных нанотрубок в составах бетонных смесей было рекомендовано Фондом инфраструктурных и образовательных программ по результатам их сертификации в Системе сертификации продукции наноиндустрии «Наносертифика».

По мнению проректора по научной работе МГСУ, одного из ведущих специалистов в области новых материалов для строительства Андрея Пустовгара, применение нанотрубок для модификации строительных материалов является действительно перспективным направлением. Правда, оговаривается эксперт, только в том случае, если мы не сведем это только к простому добавлению нанотрубок в бетонную смесь с целью повысить прочность при сжатии на 30% или даже 50%, не принимая во внимание стоимость бетона.

«Применение нанотрубок, на мой взгляд, эффективно, прежде всего, при создании покрытий и материалов с управляемыми магнитными, электрическими и теплотехническими свойствами, — говорит Андрей Пустовгар.

 — Данный подход позволит создавать интеллектуальные здания, в которых функцию нейронной управляющей сети будут выполнять покрытия, модифицированные нанотрубками и другими нанообъектами».

Изменение проводимости различных участков покрытий, например, ограждающих конструкций, позволит наделить их функцией отслеживания координат нажатия, превратив их в тач-панели (Touch Panel) — визуальное устройство, которое позволяет пользователю управлять системами освещения и инженерными системами зданий и сооружений путем нажатия на его поверхность.

Получится, что системы электроснабжения будут «нарисованы» на стене, а включение и выключение инженерного оборудования станет возможным осуществлять путем нажатия на выделенный цветом участок стены.

 «Создание „умных“ покрытий строительных конструкций — это одно из основных направлений, на котором нужно сконцентрировать научные и прикладные исследования применения нанотрубок в строительных материалах, — уверен профессор МГСУ.

 — Это открывает перспективы создания когнитивных систем зданий и сооружений, в которых покрытия будут обладать способностью к пониманию процессов, происходящих внутри и снаружи здания и адекватно реагировать на них».

Научный консультант ФАУ ФЦС Минстроя России Александр Цернант подтверждает, что нанотрубки применяются для модифицирования материалов, в которых благодаря им образуются матрицы.

К таким модифицируемым материалам, в частности, относятся бетоны и полимерные композиты. «Этот вопрос подробно изучен наукой, ЦНИИС имеет патенты на применение углеродных нанотрубок для повышения качества матрицы различных бетонов, — рассказывает Александр Цернант.

 — Модификация бетона на наноуровне придает конструкциям более высокие потребительские свойства. Это доказано. Сейчас, когда технология изготовления наноструктур освоена, ее применение становится естественным процессом.

Ключевым критерием остается стоимость такой модификации, поэтому их применение должно быть обосновано с технической и с экономической точек зрения».

Действительно, цена продукта пока относительно высока. Сегодня на рынке присутствуют два крупных производителя нанотрубок — российская фирма OCSiAl (портфельная компания РОСНАНО) и японская Zeon.

Японцы продают трубки по цене около 10 тысяч за килограмм при ежегодном производстве около тонны. Это сильно ограничивает промышленное применение их продукции.

В российской компании утверждают, что им удалось существенно снизить цену продукта — фирма готова запустить установку мощностью 50 тонн нанотрубок в год по цене от $100 до $200 за килограмм.

Кстати, OCSiAl — первый в мире производитель одностенных углеродных нанотрубок, прошедший сертификацию в соответствии с регламентом Европейского союза REACH. Это позволит компании ежегодно поставлять до 10 тонн нанотрубок в Европу и значительно расширить их применение в различных отраслях.

Источник: http://www.rusnano.com/about/press-centre/news/20180518-stroygaz-ne-vyletet-v-nanotrubku

Хаос. Нелинейная динамика

Век электроники начался с изобретения в 1904 году англичанином Джоном Флемингом электронной лампы с термокатодом. В 1919 году Вильям Иклс ввел для устройства название “диод”, образованное от греческих корней: “di” – два и “odos” – путь.

В 1906 году американский изобретатель Ли де Форест ввел в диод третий электрод – сетку, что дало возможность усиливать электрический сигнал. Свое изобретение он назвал аудион, который был усовершенствован другим американским изобретателем, Эдвином Армстронгом. Кстати, Ли де Форест ввел термин “радио”, так как ему очень не нравилось название “беспроволочный телеграф”.

Электронные лампы сделали возможным принципиально изменить не только средства связи – как проводные, так и беспроводные. Они фактически создали технологическую основу телевидения, а затем и компьютеров.

Читайте также:  Исправление фузов avr

Изобретение и последующее внедрение транзисторов достаточно быстро привело современную технику в то положение, которое мы наблюдаем сегодня.

Это трудно представить какой поразительный эффект на современников имело появление переносных радиоприемников и магнитофонов.

На смену счетам с костяшками на проволоках и механическим арифмометрам, изобретенных еще в XVII веке Блезом Паскалем, пришли калькуляторы.

Победное шествие транзисторов проходило в двух направлениях. Были созданы полупроводниковые приборы для коммутации и преобразования больших токов, что существенно изменило электроэнергетику, передачу больших мощностей на значительные расстояния, управления агрегатами, например, в металлургии или химической промышленности, авиации и ракетной технике.

Наряду с силовой электроникой еще более быстрыми темпами развивалась полупроводниковая техника малых сигналов. В 1958 году американцы Роберт Нойс и Джек Колби независимо друг от друга создали почти идентичную модель интегральной микросхемы. Так началась эра микроэлектроники.

Благодаря которой, мы имеем сегодня настольные компьютеры, ноутбуки, iPad, iPhone, устройства для чтения книг в электронной форме, мобильную связь и, наконец, Интернет. Весной прошлого года корпорация Altera установила новый отраслевой рекорд: ее специалисты спроектировали интегральную микросхему, состоящей из 3,9 млрд транзисторов.

Она позволяет создать оборудование для компьютерных магистральных сетей с пропускной способностью 100 Гбит/с.

При всех успехах микроэлектроники уже очевидны пределы, которые она может достигнуть. Приближается квантово-механический барьер. Он ограничивает дальнейшее увеличение числа компонентов в микросхеме и тактовую частоту ее работы. А от нее в значительной мере зависит быстродействие, в частности, компьютеров.

Кроме того, это ограничивает объем вычислений в приемлемое время. Более точный прогноз погоды, моделирование в микробиологии для поиска вакцин против СПИДа и гриппа и много других научных задач требуют производства огромного объема вычислений, при этом чтобы они не растягивались на десятилетия.

Конечно, есть аппаратные и алгоритмические способы решения таких задач, но они не решают проблему, а только смягчают. Так как там тоже возникают объективные трудности. Развитие современной электроники стоит перед необходимостью технологического прорыва. Поиск его происходит по разным направлениям.

На одном мы остановимся более подробно.

В 2010 году лауреатами Нобелевской премии по физике и химии стали два бывших советских ученых Андрей (Андре) Гейм и Константин (Костя) Новоселов. Сейчас они работают в университете Манчестера в Великобритании.

Премия была присуждена ученым за исследования графена – тончайшего в мире материала, толщиной всего в один атом. Этот материал сочетает в себе уникальные свойства: он сверхтонок, почти прозрачен, обладает высокой прочностью и хорошей теплопроводностью.

Физически графен представляет собой двухмерную решетку, состоящую из одинарного слоя атомов углерода.

Интересно, что за успехи в изучении графена профессора Андре Гейм и его ученик и друг Константин Новоселов (чтобы не затруднять британцев сложными для них русскими именами, он подписывается уменьшительным “Костя”) получили от британской королевы Елизаветы II звания рыцаря-бакалавра.

Это звание – более древнее, известное с XIII века, со времен правления короля Генриха III, чем даже орден Подвязки (высший орден Великобритании, учрежденный королем Эдуардом III в 1348 году. – Авт.), дает право прибавлять к имени почетный титул “сэр”, а в конце подписи добавлять буквы kt. (англ.

knight – рыцарь).

За прошедшие два года после присуждения премии оба ученых добились впечатляющих результатов в изучении графена.

Еще на стадии фундаментальных исследований уникальных физических свойств и явлений, наблюдаемых в графене, стало ясно, что большое будущее ожидает использование этого материала в оптоэлектронике и фотонике.

В частности, группа физиков из исследовательского центра Томаса Джона Уотсона компании IBM опубликовала в 2009 году в журнале Nature Nanotechnology, а затем в 2010 году в Nature Photonics работы, в которых описан ультрабыстрый графеновый фотоэлемент.

Если на поверхность графена нанести металлические контакты, а затем облучить его светом, можно получить электрический ток.

Такое устройство представляет собой простейший элемент прямого преобразования света в электрический ток, своего рода солнечный элемент.

Особенностью его является очень высокое быстродействие, в сотни раз превосходящее традиционные полупроводниковые аналоги. Это связано с очень высокой подвижностью и большой скоростью носителей заряда в графене.

Основным препятствием на пути применения этой технологии в реальных приборах оставалась очень низкая эффективность. Удавалось использовать всего около 2% падающего на него света, тогда как основная часть электромагнитных волн проникает сквозь графен и не вызывает генерирование электрического тока. Лучшие образцы современных фотоэлементов в лабораторных условиях имели КПД до 43%.

Выход был найден в смежной области физики – плазмонике, в которой работает сосед Константина Новоселова по университету в Манчестере на факультете астрономии и физики, доктор Александр Григоренко.

Эффект плазмонного резонанса состоит в возбуждении внешней электромагнитной волной плазмона – квазичастицы, отвечающей за колебания свободных электронов в проводнике и используется для усиления электромагнитного поля на поверхности и увеличения светопоглощения материалов. В статье в журнале Physical Review в 2008 году, одним из авторов которой был Григоренко, описана плазмонная наноструктура, которая при определенных условиях ведет себя почти как абсолютно черное тело, поглощая до 99% падающего на нее света.

Для получения эффекта плазмонного усиления на поверхность графена нанесли вблизи микроконтактов наноструктуры из титана и золота с помощью электроннолучевой литографии.

При облучении лазерным пучком в область локализации плазмонной наноструктуры в ячейке регистрировали фототок, значительно превышающий аналогичные показатели для графена, не подвергнутого поверхностной модификации. Величина эффекта зависела от длины волны возбуждающего света.

Самое сильное увеличение – более чем в 20 раз – наблюдалось для длины волны 514 нм (нанометр – одна миллиардная часть метра. – Авт.) на наноструктуре, состоящей из металлических полосок шириной 110 нм.

Если в обычном графеновом фотоэлементе воздействие света непосредственно приводит к образованию в графене свободных носителей заряда, которые и создают фототок, то в модифицированной с помощью плазмонной наноструктуры ячейке механизм более сложный. Свет возбуждает плазму – электронный газ в металлических наночастицах, ее резонансные колебания генерируют электромагнитное поле, которое и приводит к образованию в графене дополнительных свободных носителей заряда.

Как считает профессор инженерного факультета Кембриджского университета Андреа Феррари, “Эти результаты показывают его (графена. – Авт.

) огромный потенциал в области фотоники и оптоэлектроники, где его уникальные оптические и электрические свойства в комбинации с плазмонными наноструктурами могут быть использованы в полной мере… в разнообразных полезных устройствах, таких как солнечные батареи и фотодетекторы”.

Значение солнечных батарей для альтернативной энергетики требуют отдельного рассмотрения. Существенное увеличение, примерно в два раза, эффективности фотоэлементов может серьезно продвинуть этот вид энергетики.

Пока же только отметим, что фотоэлементы на графене могут серьезно изменить такой, прочно вошедший в наш быт прибор, как телевизор, а с ним – и дисплеи компьютеров, мобильных телефонов и всех устройств, в которых необходимо воспроизведение информации в оптическом виде.

В первую очередь – из-за высокого быстродействия и существенного снижения массы и энергопотребления, а также большей независимости от источников зарядки аккумуляторов. Ведь сам графеновый экран и будет источником электрической энергии, как для компьютера, так и для мобильного телефона. А еще применение таких элементов в промышленности, медицинской технике, всего и не перечислить.

Как часто бывает в науке, чем дальше ученые углубляются в изучение той или иной ее части, тем поле открытий и применения полученных знаний увеличивается.

Группа Нобелевского лауреата Андрея Гейма опубликовала в авторитетном журнале Science статью о намагничивании графена электрическим током, то есть потоком электронов. При этом используется такая характеристика частицы, как спин (англ. spin – вертеться, вращение).

Он представляет собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином.

Первый связан с перемещением или вращением частицы, второй имеет внутреннюю природу и непосредственно никакого движения не вызывает.

Несмотря на то, что спин не связан с реальным вращением частицы, он, тем не менее, порождает определенный магнитный момент, а значит – приводит к дополнительному (по сравнению с классической электродинамикой) взаимодействию с магнитным полем.

Сейчас управление спином возможно только для материалов, в которых происходят так называемые спин-орбитальные взаимодействия. В них очень слабые магнитные поля, созданные ядрами, влияют на движение электронов через кристалл. Сам эффект очень слабо выражен, поэтому регулировать его очень сложно. Соответственно, практическое использование невозможно.

В то же время использовать спин для хранения и передачи информации было бы очень выгодно.

Ведь в отличие от электронных устройств, где операции с информацией производится с помощью управляемого изменения заряда, а это требует определенных энергетических затрат, в спинтронике используется возможность хранить и передавать информацию с помощью управляемой ориентации спина.

Одна проблема была на этом пути – научиться управлять спином электрона с помощью электрического тока. Самим током мы управлять умеем – на этом основана работа микроэлектронных устройств, полупроводниковых транзисторов. А вот дальше…

Группа Гейма обнаружила такую возможность в виде приложения относительно слабого магнитного поля к графену.

Такое поле создает поток спина в направлении, перпендикулярном потоку электрического тока, намагничивая графеновый слой.

Если его разместить на подложке нитрида бора, то индуцированный магнетизм в такой системе распространяется на макроуровне без сильного угасания. Другими словами, информация хранится. Изменяя спин частиц, ее также можно менять.

При этом спин частицы остается в таком состоянии без приложения внешнего воздействия, то есть не нужно тратить энергию на хранение информации.

Именно такие транзисторы могут стать основой принципиально другой электроники – более дешевых, сверхбыстрых и экономичных устройств обработки и хранения информации.

Если спиновый транзистор, эффективно работающий при стандартных условиях и рентабельный в производстве, будет создан, это будет новая технологическая революция, по масштабам сравнимая с созданием классического полупроводникового транзистора в середине прошлого века.

“Это открытие – начало новой главы в богатой истории графена”, – считает Антонио Кастро Нето, профессор физики из Университета Бостона, которого журнал Science попросил написать комментарий к статье группы Гейма.

Если бы чудные открытия, которые приготовил ученым графен, ограничились только рассказанным, уже б было понятно, что мы имеем дело с материалом будущего.

Недавно Андрей Гейм и Константин Новоселов преодолели очередной барьер, лежащий на пути к созданию графеновой электроники. Им удалось сконструировать на основе графена туннельный транзистор с характеристиками, подходящими для промышленного производства.

Туннельный эффект заключается в преодолении микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Интересно то, что преодоление барьера происходит без изменения энергии частицы. В 1928 году тогда еще советский, а с 1933-го – американский, физик Георгий Гамов теоретически разработал теорию альфа-распада на основе туннельного эффекта.

Упрощенно туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределенностей. Оно имеет вероятностный характер и представляет произведение среднеквадратического отклонения координаты частицы на среднеквадратическое отклонения импульса, которое больше или равно половине величины приведенной постоянной Планка.

При ограничении квантовой частицы по координате, то есть увеличении ее определенности по координате x, ее импульс p становится менее определенным. Случайным образом неопределенность импульса может добавить частице энергии для преодоления барьера.

Таким образом, с некоторой вероятностью квантовая частица может проникнуть через барьер, а средняя энергия частицы останется неизменной.

В 1958 году японский физик Лео Эсаки, Нобелевский лауреат 1973 года, создал прибор, использующий этот эффект – туннельный диод. Он широко применяется в электронике и радиотехнике для схем генерирования сигналов.

Характеристика туннельного диода имеет падающий участок с так называемым отрицательным дифференциальным сопротивлением, что очень удобно именно для таких схем.

Тем не менее, туннельный диод не может усиливать сигнал, это принадлежность транзистора.

Теперь Гейм и Новоселов именно его и создали. Важным преимуществом является то, что туннельный эффект дает возможность хранить информацию на основе такого транзистора без существенных затрат энергии.

В туннельном транзисторе, в отличие от обычного полевого – активного элемента современных микросхем, – канал контролируется с помощью квантового туннельного эффекта, а не инжекции заряда.

При наложении внешнего напряжения электроны преодолевают потенциальный барьер со значительно большей вероятностью.

Теоретические расчеты показывают, что такой транзистор будет использовать значительно меньшие величины напряжения для переключения состояний, а значит, резко снизит энергопотребление микросхем.

В чистом виде графен не имеет запрещенной зоны, то есть области значений энергии, которую не могут иметь носители заряда. Именно наличие такой зоны отличает полупроводник от металла и делает возможным функционирование основных элементов интегральных схем.

Чтобы обойти это препятствие физики создали на основе графена слоистую структуру из различных полупроводников – гетероструктуру типа сэндвич. В качестве прокладки использовали монослои нитрида бора и дисульфида молибдена.

Устройство оказалось весьма перспективным, показав отношение токов включенного и выключенного состояния от 50 для прослойки нитрида бора до 10000 для прослойки из дисульфида молибдена.

Эти показатели практически не зависели от температуры, то есть технология пригодна для создания устройств, работающих в обычных условиях, а возможно – и с небольшим перегревом. В любом случае мощность вентилятора в компьютере существенно уменьшится, если он вообще понадобится.

Полупроводниковая электроника, начавшаяся в 1948 году изобретением Бардиным и Браттейном транзистора, была “веком кремния”, так как этот элемент периодической системы Менделеева есть основа современных микросхем. Вполне возможно, после открытий Гейма и Новоселова, начинается “век углерода”.

Хотя уже сейчас появляются и другие кандидаты на эту роль. В любом случае, очевидно, что мы стоим на пороге новой технической и технологической революции, которая круто изменит нашу жизнь. Уже забываем кассетные магнитофоны, скоро историей станут настольные компьютеры и даже планшетники.

Будем носить их в карманах и сумочках, как записные книжки.

Юрий РАЙХЕЛЬ, Газета “День”

Источник: http://chaos.in.ua/story/grafenovaya-revolyuciya

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector