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グラフェンの潜在的な用途としては、軽量、薄型、フレキシブルな電気/光回路、太陽電池、および新しいグラフェン材料の使用によって強化または可能になり、グラフェン生産の大幅なコスト削減によって有利になるさまざまな医療、化学、工業プロセスなどがあります。[1] [2] [3]
薬
2011年に研究者らは、生化学的誘導剤を使用せずにヒト間葉系幹細胞の骨形成分化を促進するグラフェンの能力を発見した。 [4]
2015年、研究者らはグラフェンを使用して、シリコンカーバイド上にエピタキシャルグラフェンを塗布したバイオセンサーを作成した。このセンサーは8-ヒドロキシデオキシグアノシン（8-OHdG）に結合し、抗体と選択的に結合することができる。血液、尿、唾液中の8-OHdGの存在は、一般的にDNA損傷と関連している。8-OHdGレベルの上昇は、いくつかの癌のリスク増加と関連している。[5]翌年までに、グラフェンバイオセンサーの商用バージョンは、タンパク質結合センサープラットフォームとして生物学研究者によって使用されていた。[6]
2016年に研究者らは、コーティングされていないグラフェンは、信号強度や瘢痕組織の形成などの特性を変えたり損傷したりすることなく、神経インターフェース電極として使用できることを明らかにした。体内のグラフェン電極は、柔軟性、生体適合性、導電性などの特性により、タングステンやシリコンの電極よりもはるかに安定している。[7]
組織工学
グラフェンは組織工学の分野で研究されてきました。骨組織工学用途の生分解性ポリマーナノ複合材料の機械的特性を向上させるための強化剤として使用されてきました。[8]低重量％のグラフェン（≈0.02重量％）の分散により、ポリマーナノ複合材料の圧縮および曲げ機械的特性が向上しました。[9]ポリマーマトリックスにグラフェンナノ粒子を追加すると、ナノ複合材料の架橋密度が向上し、ポリマーマトリックスから下層のナノ材料への荷重伝達が改善され、機械的特性が向上します。
造影剤、バイオイメージング
機能化され界面活性剤が分散されたグラフェン溶液は、血液プールMRI 造影剤として設計されています。[10]さらに、ヨウ素とマンガンを組み込んだグラフェンナノ粒子は、マルチモーダル MRI-コンピューター断層撮影(CT) 造影剤として使用されています。[11]グラフェンのマイクロ粒子とナノ粒子は、光音響断層撮影と熱音響断層撮影の造影剤として使用されています。 [12]グラフェンは癌細胞を効率的に取り込むことも報告されており、癌治療用の薬物送達剤の設計を可能にしています。 [13]グラフェンナノリボン、グラフェンナノプレートレット、グラフェンナノオニオン[要説明]など、さまざまな形態のグラフェンナノ粒子は、低濃度では無毒であり、幹細胞の分化を変化させないため、生物医学用途に安全に使用できる可能性があります。[14]
ポリメラーゼ連鎖反応
グラフェンはDNA産物の収量を増加させることでPCRを強化したと報告されている。[15]実験により、グラフェンの熱伝導率がこの結果の主な要因である可能性があることが明らかになった。グラフェンはPCRサイクルを最大65%削減しながら、陽性対照と同等のDNA産物を生成する。[要出典]
デバイス
グラフェンの化学修飾、単位体積当たりの大きな表面積、原子の厚さ、分子ゲート構造により、抗体機能化グラフェンシートは哺乳類や微生物の検出・診断デバイスに最適な候補となります。[16]グラフェンは非常に薄いため、水はほぼ完全に濡れる透明性を持ち、これは特にバイオセンサー用途の開発において重要な特性です。[17]つまり、グラフェンでコーティングされたセンサーは、コーティングされていないセンサーと同じくらい水性システムと接触しながらも、機械的に環境から保護されたままになります。
グラフェンの集積（厚さ0.34nmの薄膜をナノ電極としてナノポアに組み込む技術[18]は、ナノポアベースの単分子DNAシーケンシングのボトルネックを解決できる可能性がある。
2013年11月20日、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団は「グラフェンのようなナノ材料を含むコンドーム用の新しい弾性複合材料の開発」に10万ドルを授与した。 [19]
2014年に、グラフェンベースの透明（赤外線から紫外線の周波数まで）で柔軟な埋め込み型医療センサーマイクロアレイが発表され、インプラントによって隠された脳組織の観察が可能になった。光学的透明性は90％以上であった。実証されたアプリケーションには、焦点皮質領域のオプトジェネティック活性化、蛍光顕微鏡による皮質血管の生体内イメージング、3D光干渉断層撮影などがある。[20] [21]
薬物送達
モナッシュ大学の研究者らは、グラフェン酸化物シートを溶液に入れて pH を操作するだけで、ポリマーのように自発的に液晶液滴に変化することを発見した。グラフェン液滴は外部磁場の存在下で構造が変化する。この発見により、グラフェン液滴に薬剤を運び、磁場内で液滴の形状を変化させることで標的組織に到達した際に薬剤を放出できる可能性が浮上した。また、毒素などの特定の疾患マーカーの存在下でグラフェンが形状を変えることがわかった場合、疾患検出にも応用できる可能性がある。[22] [23]
グラフェンの「空飛ぶ絨毯」が、マウスモデルの肺腫瘍細胞（ A549細胞）に2種類の抗がん剤を順番に送達することが実証されました。ドキソルビシン（DOX）はグラフェンシートに埋め込まれ、腫瘍壊死因子関連アポトーシス誘導リガンド（ TRAIL ）の分子は、短いペプチド鎖を介してナノ構造にリンクされています。静脈内に注入されると、薬剤ペイロードを含むグラフェンストリップは、腫瘍周辺の一般的な血管漏出により、がん細胞に優先的に集中します。がん細胞膜上の受容体がTRAILに結合し、細胞表面酵素がペプチドを切り取って、細胞表面に薬剤を放出します。かさばるTRAILがなければ、DOXが埋め込まれたグラフェンストリップは細胞に飲み込まれます。細胞内の酸性環境は、グラフェンからのDOXの放出を促進します。細胞表面のTRAILはアポトーシスを誘発し、DOXは核を攻撃します。これら2つの薬剤は相乗的に作用し、どちらか一方の薬剤単独よりも効果的であることが判明した。[24] [25]
ナノテクノロジーと分子生物学の発展により、特定の特性を持つナノマテリアルが改良され、従来の疾患診断および治療手順の弱点を克服できるようになりました。[26]近年、多様な薬剤の持続放出を実現するための新しい方法の設計と開発に多くの注目が集まっています。各薬剤には、それを超えると有毒でそれ以下では効果がない血漿レベルがあり、従来の薬剤送達では、血液中の薬剤濃度が急速に上昇してから低下するため、理想的な薬物送達システム（DDS）の主な目的は、1回の投与後に薬剤を望ましい治療範囲内に維持すること、および/または薬剤を特定の領域に標的化し、同時に薬剤の全身レベルを下げることです。[27] [28]グラフェン酸化物（GO）などのグラフェンベースの材料は、新しい薬剤放出システムの開発を含むいくつかの生物学的用途に大きな可能性を秘めています。 GO は、基底面と端にヒドロキシル、エポキシ、カルボキシルなどの官能基が豊富に含まれており、バイオメディカル用途でさまざまな生体分子を固定化またはロードするためにも使用できます。一方、バイオポリマーは、非毒性、生体適合性、生分解性、環境感受性などの優れた特性のため、薬物送達製剤を設計するための原料として頻繁に使用されています。タンパク質治療薬は、通常の生物学的プロセスに対する高い標的特異性やオフターゲット効果の低さなど、小分子アプローチに比べて利点があります。ヒト血清アルブミン (HSA) は、最も豊富な血液タンパク質の 1 つです。これは、いくつかの内因性および外因性リガンドやさまざまな薬物分子の輸送タンパク質として機能します。HSA ナノ粒子は、さまざまな薬物分子に結合する能力、高い保存安定性と生体内適用、非毒性および抗原性、生分解性、再現性、製造プロセスのスケールアップ、放出特性のより優れた制御のため、長い間製薬業界で注目されてきました。さらに、アルブミン分子には多数の薬物結合部位があるため、粒子マトリックスにかなりの量の薬物を組み込むことができます。[29]したがって、HSA-NPとGO-NSの組み合わせは、GO-NSの細胞毒性を低減し、癌治療における薬物負荷と持続的な薬物放出を強化するのに役立つ可能性があります。
バイオマイクロロボティクス
研究者らは、生きた胞子細胞をグラフェン量子ドットで覆うことで作られたナノスケールのバイオマイクロロボット（またはサイトボット）を実証した。この装置は湿度センサーとして機能した。[30]
テスト
2014年にグラフェンをベースにした血糖値検査製品が発表された。[31] [32]
バイオセンサー
グラフェンベースのFRETバイオセンサーは、さまざまなプローブを使用してDNAとDNAの巻き戻しを検出することができます。[33]
エレクトロニクス
グラフェンはキャリア移動度が高く、ノイズが低いため、電界効果トランジスタのチャネルとして使用することができます。[34]未改質のグラフェンにはエネルギーバンドギャップがないため、デジタルエレクトロニクスには適していません。ただし、改質（例：グラフェンナノリボン）により、エレクトロニクスのさまざまな分野での潜在的な用途が生まれています。
トランジスタ
化学的に制御されたグラフェン トランジスタと電圧制御されたグラフェン トランジスタの両方が構築されています。
グラフェンベースのトランジスタは現代のシリコンデバイスよりもはるかに薄く、より高速で小型の構成が可能になります。[35]
グラフェンは垂直な外部電界に対して顕著な反応を示し、潜在的に電界効果トランジスタ（FET）を形成できるが、バンドギャップがないため、室温でのオンオフコンダクタンス比は基本的に約30未満に制限される。[36] 2006年の論文では、サイドゲートを備えた全グラフェン平面FETが提案された。[37]このデバイスは極低温で2％の変化を示した。最初のトップゲートFET（オンオフ比<2）は2007年に実証された。[38] グラフェンナノリボンは、半導体としてシリコンを一般的に置き換えることができることが証明されるかもしれない。[39]
グラフェンベースの電子機器の特許は2006年に発行されました。[40] 2008年には、MITリンカーン研究所の研究者が1つのチップ上に数百個のトランジスタを製造し[41] 、2009年にはヒューズ研究所で超高周波トランジスタが製造されました。[42]
2008年の論文では、グラフェン層の可逆的な化学修飾に基づくスイッチング効果を実証し、オンオフ比が6桁以上になることが示された。これらの可逆スイッチは、不揮発性メモリに使用できる可能性がある。[43] IBMは2008年12月にGHz周波数で動作するグラフェントランジスタを発表した。[44]
2009年、研究者らはそれぞれ1つのグラフェントランジスタで構成された4つの異なるタイプの論理ゲートを実証した。 [45] 2009年5月には、n型トランジスタが以前のp型グラフェントランジスタを補完した。[46] [47]機能的なグラフェン集積回路が実証された。これは、 1つのp型トランジスタと1つのn型トランジスタで構成される補完インバータである。 [48]しかし、このインバータは電圧ゲインが低いという問題があった。通常、出力信号の振幅は入力信号の約40倍小さい。さらに、これらの回路はいずれも25kHzを超える周波数では動作しなかった。
同年、タイトバインディング数値シミュレーション[49]により、グラフェン二層電界効果トランジスタに誘起されるバンドギャップは、デジタル用途の高性能トランジスタには十分な大きさではないが、トンネルFETアーキテクチャを利用すると超低電圧用途には十分であることが実証された。[50]
2010年2月、研究者らはオンオフ速度が100ギガヘルツのグラフェントランジスタを発表した。これは従来の速度をはるかに上回り、ゲート長が同等のシリコントランジスタの速度を上回った。240nmデバイスは従来のシリコン製造装置で製造された。[51] [52] [53] 2010年1月の報告書によると、[54]グラフェンは集積回路の大量生産に適した量と品質でSiC上にエピタキシャル成長した。高温では量子ホール効果を測定できる。IBMは2インチ（51mm）のグラフェンシート上に100GHzのトランジスタを使用して「プロセッサ」を構築した。[55]
2011年6月、IBMの研究者らは、グラフェンをベースとした初のウェーハスケール集積回路である広帯域無線ミキサーを発表しました。[56]この回路は最大10GHzの周波数を処理できました。その性能は127℃までの温度でも影響を受けませんでした。11月には、研究者らは3Dプリンティング（積層造形）を使用してデバイスを製造しました。[57]
2013年、研究者らは、THzからIR領域（0.76～33 THz）までの広帯域周波数選択性を可能にする検出器でグラフェンの高い移動度を実証した。 [58]別のグループは、双安定特性を持つテラヘルツ速度のトランジスタを作成した。これは、デバイスが2つの電子状態を自発的に切り替えることができることを意味する。このデバイスは、数原子層の厚さの窒化ホウ素の絶縁層で分離された2層のグラフェンで構成される。電子は量子トンネル効果によってこの障壁を通過する。これらの新しいトランジスタは負の微分コンダクタンスを示し、2つの異なる印加電圧で同じ電流が流れる。[59] 6月には、8トランジスタ1.28 GHzリング発振器回路が説明された。[60]
従来設計のグラフェン電界効果トランジスタで実験的に観察された負性微分抵抗は、実行可能な非ブール計算アーキテクチャの構築を可能にする。特定のバイアス方式で観察される負性微分抵抗は、対称バンド構造に起因するグラフェンの固有の特性である。この結果はグラフェン研究の概念的変化を示し、情報処理におけるグラフェンの応用の代替ルートを示している。[61]
2013年に研究者らは、通信回路に十分な25ギガヘルツで動作し、大規模に製造可能なフレキシブルプラスチック上にプリントされたトランジスタを開発した。研究者らはまず、プラスチックシート上にグラフェンを含まない構造（電極とゲート）を作製した。それとは別に、金属上に大きなグラフェンシートを成長させ、それを剥がしてプラスチックに転写した。最後に、シートの上に防水層を載せた。デバイスは水に浸した後も動作し、折り畳めるほど柔軟であった。[62]
2015年に研究者らは、グラフェンシートに窒化ホウ素ナノチューブを穿孔してデジタルスイッチを考案し、0.5Vのターンオン電圧で10 5のスイッチング比を示した。密度汎関数理論によれば、この動作は状態密度の不一致に起因すると示唆されている。[63]
単一原子
2008年には、グラフェンで厚さ1原子、幅10原子のトランジスタが作られました。[64]
2022年、研究者らは0.34ナノメートル（オン状態）の単一原子グラフェントランジスタを作製した。これは、グラフェンの代わりにカーボンナノチューブを使用した関連デバイスよりも小さい。グラフェンがゲートを形成した。二酸化ケイ素がベースとして使用された。グラフェンシートは化学蒸着法によって形成され、 SiOの上に置かれた。
2グラフェンの上に酸化アルミニウムのシートを敷いた。
2お
xおよび SiO
2グラフェンを挟み込むと絶縁体として機能します。次に、挟み込んだ材料にエッチングを施し、グラフェンとAlを切り取ります。
2お
xグラフェンの端が露出する段差を作った。次に、段差の上部、側面、下部に酸化ハフニウムと二硫化モリブデン（別の2D材料）の層を追加した。次に、上部と下部にソースとドレインとして電極を追加した。彼らはこの構造を「サイドウォールトランジスタ」と呼んでいる。オン/オフ比は1.02 × 105に達し、サブスレッショルドスイング値は117 mV dec–1であった。[65]
三層
電界は三層グラフェンの結晶構造を変化させ、金属のような挙動から半導体のような挙動に変化させる。鋭い金属走査トンネル顕微鏡の先端は、上部グラフェン構成と下部グラフェン構成の間のドメイン境界を動かすことができた。材料の片側は金属として挙動し、もう片側は半導体として挙動する。三層グラフェンは、ベルナル型または菱面体型のいずれかの構成で積み重ねることができ、単一の薄片に存在することができる。2つのドメインは、中間層が1つの積み重ねパターンから別の積み重ねパターンへの移行に対応するために歪んでいる正確な境界によって分離されている。[66]
シリコントランジスタはp型かn型のいずれかであるが、グラフェンはどちらとしても動作することができる。これによりコストが下がり、汎用性が高まる。この技術は電界効果トランジスタの基礎となる。[66]
三層グラフェンでは、2つの積層構成が異なる電子特性を示す。それらの間の領域は、1つのグラフェン層の炭素原子が炭素-炭素結合距離だけ移動する局所的なひずみソリトンで構成される。2つの積層構成間の自由エネルギー差は電場の2乗に比例し、電場が増加すると菱面体積層が有利になる。[66]
積層順序を制御するこの能力は、構造的特性と電気的特性を組み合わせた新しいデバイスへの道を開きます。[66] [67]
透明導電電極
グラフェンは高い電気伝導性と高い光透過性を備えているため、タッチスクリーン、液晶ディスプレイ、無機太陽電池、[68] [69] 有機太陽電池、有機発光ダイオードなどの用途に必要な透明導電電極の候補となっています。特に、グラフェンの機械的強度と柔軟性は、脆いインジウムスズ酸化物に比べて有利です。グラフェン膜は溶液から広い面積に堆積することができます。[70] [71] [72]
大面積で連続した透明で高導電性の少数層グラフェン膜が化学蒸着法で製造され、太陽光発電装置のアノードとして使用されている。最大1.7%の電力変換効率（PCE）が実証されており、これはインジウムスズ酸化物をベースにした制御デバイスのPCEの55.2%に相当する。しかし、この製造方法によってもたらされる主な欠点は、基板の接着が不十分なことであり、最終的にはサイクル安定性が低下し、電極の抵抗が高くなる。[73]
グラフェンアノードを備えた有機発光ダイオード（OLED）が実証されました。このデバイスは、石英基板上に溶液処理されたグラフェンによって形成されました。グラフェンベースのデバイスの電子的および光学的性能は、インジウムスズ酸化物で作られたデバイスに似ています。[74] 2017年には、銅基板上にCVDによってOLED電極が製造されました。[75]
化学的に誘導されたグラフェンを陰極として、導電性ポリマーのポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン） （PEDOT）を陽極として用いた、発光電気化学セル（LEC）と呼ばれる炭素ベースのデバイスが実証されました。[76]以前のデバイスとは異なり、このデバイスには金属ではなく炭素ベースの電極のみが含まれています。[引用が必要]
2014年にはグラフェンベースのフレキシブルディスプレイのプロトタイプが実証された。[77]
2016年に研究者らは、干渉変調を使用して色を制御するディスプレイを実証した。これは「グラフェンバルーンデバイス」と呼ばれ、2枚のグラフェンシートで覆われた10μmの円形の空洞を含むシリコンでできている。各空洞の上のシートの曲率の度合いによって、発せられる色が決まる。このデバイスは、空洞の底で反射する光波と（透明な）材料との干渉によって生じるニュートンリングと呼ばれる現象を利用している。シリコンと膜の間の距離が長くなると、光の波長が長くなる。このアプローチは、Qualcomm Toqなどのカラー電子書籍リーダーディスプレイやスマートウォッチで使用されている。これらはグラフェンの代わりにシリコン材料を使用している。グラフェンは電力要件を削減する。[78]
周波数逓倍器
2009年に研究者らは、特定の周波数の入力信号を受け取り、その周波数の倍数の信号を出力する実験的なグラフェン周波数逓倍器を構築した。 [79] [80] [81]
オプトエレクトロニクス
グラフェンは光子と強く相互作用し、バンドギャップを直接生成する可能性があります。これはオプトエレクトロニクスやナノフォトニクスデバイスにとって有望です。光相互作用はファンホーベ特異点により発生します。グラフェンは光子相互作用に応じて、フェムト秒（超高速）からピコ秒まで、さまざまな時間スケールを示します。潜在的な用途としては、透明フィルム、タッチスクリーン、発光体、または光を閉じ込めて波長を変えるプラズモニックデバイスなどがあります。[82]
ホール効果センサー
グラフェンは電子移動度が非常に高いため、高感度ホール効果センサーの製造に使用できる可能性があります。[83]このようなセンサーの潜在的な用途は、特殊な用途向けのDC変流器に関連しています。[要出典] 2015年4月に、新しい記録的な高感度ホールセンサーが報告されました。これらのセンサーは、既存のSiベースのセンサーの2倍の性能を備えています。[84]
量子ドット
グラフェン量子ドット（GQD）は、すべての寸法が10nm未満に保たれています。そのサイズとエッジ結晶学が、電気的、磁気的、光学的、化学的特性を決定します。GQDは、グラファイトナノトミー[85]またはボトムアップのソリューションベースのルート（ディールス・アルダー、環化三量化および/または環化脱水素化反応）を介して生成できます。[86]制御された構造を持つGQDは、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、電磁気学のアプリケーションに組み込むことができます。量子閉じ込めは、リボンに沿った特定のポイントでグラフェンナノリボン（GNR）の幅を変更することによって作成できます。[64] [87]燃料電池の触媒として研究されています。[88]
有機エレクトロニクス
半導体ポリマー（ポリ（3-ヘキシルチオフェン）[89]）を単層グラフェンの上に垂直に配置すると、薄いシリコン層上よりも電荷をよりよく伝導します。厚さ50nmのポリマーフィルムは、厚さ10nmのフィルムよりも約50倍電荷を伝導しますが、これは前者がさまざまな配向の結晶のモザイクで構成され、相互接続された結晶の連続経路を形成するためと考えられます。薄膜またはシリコン上では、[89]プレート状の結晶がグラフェン層と平行に配向しています。用途には太陽電池などがあります。[90]
スピントロニクス
化学蒸着法（CVD）で作製され、SiO2基板上に積層された大面積グラフェンは、長期間にわたって電子スピンを保存し、通信することができます。スピントロニクスは、電流の流れではなく電子スピンを変化させます。スピン信号は、1ナノ秒以上にわたって最大16マイクロメートルの長さのグラフェンチャネルに保存されます。純粋なスピン輸送と歳差運動は、16マイクロメートルのチャネル長にまで及び、スピン寿命は1.2ナノ秒、スピン拡散長は室温で約6マイクロメートルです。[91]
スピントロニクスは、データストレージ用のディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリに使用されています。電子スピンは一般的に短寿命で壊れやすいものですが、現在のデバイスにおけるスピンベースの情報は、数ナノメートルの移動だけで済みます。しかし、プロセッサでは、情報は整列したスピンで数十マイクロメートルを移動する必要があります。グラフェンは、このような動作ができる唯一の既知の候補です。[91]
導電性インク
2012年、Vorbeck Materialsは、金属アンテナとRFIDチップの外部配線を置き換えるためにグラフェンベースのVor-Ink回路を使用したSiren盗難防止梱包装置の出荷を開始しました。これは、グラフェンをベースにした世界初の市販製品でした。[92] [93]
軽い処理
光変調器
グラフェンのフェルミ準位を調整すると、その光吸収を変えることができます。2011年に研究者らは、グラフェンをベースとした最初の光変調器を報告しました。温度コントローラなしで1.2GHzのこの変調器は、広い帯域幅（1.3〜1.6μm）と小さなフットプリント（約25μm2 ）。[94]
最近、ハイブリッドグラフェン-シリコン導波路に基づくマッハツェンダー変調器が実証され、ほぼチャープフリーで信号を処理できるようになりました。[95]最大34.7dBの消光と-0.006の最小チャープパラメータが得られました。挿入損失は約-1.37dBです。
紫外線レンズ
ハイパーレンズはリアルタイムの超解像レンズで、エバネッセント波を伝播波に変換して回折限界を破ることができます。2016年には、誘電体層状グラフェンとh-窒化ホウ素（h-BN）をベースにしたハイパーレンズが金属設計を上回ることができました。その異方性に基づいて、平面ハイパーレンズと円筒形ハイパーレンズは、それぞれ1200 THzの層状グラフェンと1400 THzの層状h-BNで数値的に検証されました。[96] 2016年には、細菌1個分の大きさの物体を画像化できる厚さ1 nmのグラフェンマイクロレンズが開発されました。このレンズは、グラフェン酸化物溶液をシート状に噴霧し、レーザービームを使用してレンズを成形することで作成されました。200ナノメートルという小さな物体を解像し、近赤外線を見ることができます。回折限界を破り、光の波長の半分未満の焦点距離を実現します。考えられる用途としては、携帯電話の熱画像、内視鏡、ナノ衛星、スーパーコンピュータや超高速ブロードバンド配信におけるフォトニックチップなどがある。[97]
赤外線検出
グラフェンは室温で赤外線スペクトルに反応するが、感度は実用には100～1000倍低すぎる。しかし、絶縁体で分離された2つのグラフェン層により、一方の層で光電子が放出したホールによって生成された電界が、もう一方の層を流れる電流に影響を与える。このプロセスではほとんど熱が発生しないため、暗視光学系での使用に適している。このサンドイッチは、ハンドヘルドデバイス、眼鏡に取り付けるコンピューター、さらにはコンタクトレンズに組み込めるほど薄い。[98]
光検出器
グラフェン/n型シリコンヘテロ接合は、強い整流挙動と高い光応答性を示すことが実証されています。薄い界面酸化物層を導入することで、グラフェン/n-Siヘテロ接合の暗電流はゼロバイアスで2桁減少しました。室温では、界面酸化物を備えたグラフェン/n-Si光検出器は、真空中、ピーク波長890 nmで最大5.77 × 10 13 cm Hz 1/2 W 2の比検出能を示します。さらに、改良されたグラフェン/n-Siヘテロ接合光検出器は、0.73 AW −1の高い応答性と≈107の高い光電流対暗電流比を備えています。これらの結果は、界面酸化物を備えたグラフェン/Siヘテロ接合が、高検出能光検出器の開発に有望であることを示しています。[99]最近、波長 350 nm から 1100 nm までの記録的な高速応答速度 (< 25 ns) を備えたグラフェン/Si ショットキー光検出器が発表されました。[100]この光検出器は、2 年以上空気中に保管しても優れた長期安定性を示します。これらの結果は、グラフェン/Si ショットキー接合に基づく高性能光検出器の開発を前進させるだけでなく、費用対効果の高い環境モニタリング、医療画像、自由空間通信、光電スマートトラッキング、新興の興味関心アプリケーション向け CMOS 回路との統合などのためのグラフェンベースの光検出器アレイデバイスの量産にも重要な意味を持ちます。
エネルギー
世代
エタノール蒸留
酸化グラフェン膜は水蒸気を通過させますが、他の液体や気体は透過しません。[101]この現象は、従来の蒸留方法で使用される熱や真空を適用せずに、室温の研究室でウォッカをさらに高アルコール濃度に蒸留するために使用されています。
太陽電池
グラフェンは、Si、CdS、CdSeなどのさまざまな基板上に使用され、ショットキー接合太陽電池を製造しています。グラフェンの仕事関数などのグラフェンの特性により、太陽電池の効率を最適化できます。グラフェン電極の利点は、安価なショットキー接合太陽電池を製造できることです。[102]
電荷導体
グラフェン太陽電池は、グラフェンの高い電気伝導性と光透過性という独自の組み合わせを利用しています。[103]この材料は、緑色の光をわずか 2.6%、赤色の光を 2.3% しか吸収しません。[104]グラフェンは、粗さの少ないフィルム電極に組み立てることができます。これらのフィルムは、有用なシート抵抗を得るために、1 原子層よりも厚くする必要があります。この追加された抵抗は、シリカマトリックスなどの導電性充填材を組み込むことで相殺できます。導電性の低下は、ピレン-1-スルホン酸ナトリウム塩 (PyS) や 3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸ジイミドビスベンゼンスルホン酸 (PDI) の二ナトリウム塩などの大きな芳香族分子を結合することで相殺できます。これらの分子は、高温下でグラフェン基底面の π 共役を改善します。[105]
光コレクター
グラフェンを光活性材料として使用するには、そのバンドギャップが1.4～1.9 eVである必要があります。2010年には、ナノ構造グラフェンベースのPVの単一セル効率が12%以上達成されました。P. MukhopadhyayとRK Guptaによると、有機太陽光発電は「半導体グラフェンを光活性材料として使用し、金属グラフェンを導電性電極として使用するデバイス」である可能性があります。[105]
2008年、化学蒸着法によって、メタンガスから作られたグラフェンフィルムをニッケル板に堆積させることでグラフェンシートが製造された。グラフェン層の上に熱可塑性プラスチックの保護層を置き、その下のニッケルを酸浴で溶解する。最終段階では、プラスチックコーティングされたグラフェンを柔軟なポリマーシートに取り付け、これをPVセルに組み込む。グラフェン/ポリマーシートのサイズは最大150平方センチメートルで、高密度アレイの作成に使用できる。[106]
シリコンは吸収した光子1つにつき電流駆動電子を1つしか生成しませんが、グラフェンは複数の電子を生成することができます。グラフェンで作られた太陽電池は60％の変換効率を実現できます。[107]
電極
2010年、研究者らは初めてグラフェン-シリコンヘテロ接合太陽電池を作成したと報告した。この太陽電池では、グラフェンが透明電極として機能し、グラフェンとn型シリコンの界面近くに内蔵電界を導入して電荷キャリアの収集を助けた。[108] 2012年、研究者らはトリフルオロメタンスルホニルアミド（TFSA）ドープグラフェンでコーティングされたシリコンウェーハからなるプロトタイプで8.6％の効率を報告した。ドーピングにより、2013年には効率が9.6％に上昇した。[109] 2015年、研究者らはシリコン上の最適な酸化物の厚さを選択することで15.6％の効率を報告した。[110]太陽電池を製造するための炭素材料と従来のシリコン半導体のこの組み合わせは、炭素科学の有望な分野である。[111]
2013年には、別のチームが酸化チタンとグラフェンを電荷コレクターとして、ペロブスカイトを太陽光吸収体として組み合わせることで、15.6%の効率向上を報告した。このデバイスは、溶液ベースの堆積法を使用して150℃（302℉）以下の温度で製造可能である。これにより製造コストが下がり、柔軟なプラスチックを使用できる可能性が生まれる。[112]
2015年、研究者らは半透明ペロブスカイトとグラフェン電極を使用したプロトタイプセルを開発した。この設計により、両側から光を吸収できるようになった。推定生産コストは0.06ドル/ワット未満で、効率は約12パーセントだった。グラフェンはPEDOT:PSS導電性ポリマー（ポリチオフェン）ポリスチレンスルホン酸でコーティングされた。CVDによるグラフェンの多層化により、シート抵抗を低減する透明電極が作成された。上部電極と正孔輸送層との接触を増やすことで、性能がさらに向上した。[113]
燃料電池
適切に穿孔されたグラフェン（および六方晶窒化ホウ素hBN）は陽子を通過させることができるため、グラフェン単層を水素原子を遮断するバリアとして使用できる可能性が生まれ、陽子/イオン化水素（電子が剥ぎ取られた水素原子）は遮断しない。大気から水素ガスを抽出し、周囲の空気で発電機を動かすこともできる。[114]
膜は高温で使用したり、白金などの触媒ナノ粒子で覆われているとより効果的です。[114]
グラフェンは燃料電池の大きな問題である、効率と耐久性を低下させる燃料のクロスオーバーを解決する可能性がある。[114]
メタノール燃料電池では、膜領域のバリア層としてグラフェンを使用することで、プロトン抵抗が無視できるほど小さくなり、燃料のクロスオーバーが減少し、性能が向上します。[115]
室温では、単層hBNのプロトン伝導性はグラフェンよりも優れており、プロトンの流れに対する抵抗率は約10Ωcm2 、 活性化エネルギーは約0.3電子 ボルトと低い。より高温ではグラフェンの方が優れており、 250℃以上では抵抗率は10−3Ωcm2未満になると推定される。 [116]
別のプロジェクトでは、水中の溶融シリカ上のわずかに不完全なグラフェン膜をプロトンが容易に通過することがわかった。 [117]膜は高pHと低pHのサイクルにさらされた。プロトンは水相からグラフェンを通って反対側に可逆的に移動し、そこでシリカのヒドロキシル基との酸塩基反応を起こす。コンピューターシミュレーションでは、グロッタス型リレーに参加するヒドロキシル末端原子欠陥のエネルギー障壁は0.61～0.75 eVであるのに対し、ピリリウムのようなエーテル末端ではそうではないことが示された。[118]最近、IISERボパールのポールと同僚は、酸素官能化数層グラフェン（8.7x10 −3 S/cm）の固体プロトン伝導を低い活性化障壁（0.25 eV）で実証した。[119]
熱電
ランタンと部分的に還元されたストロンチウムチタン酸化物の混合物に0.6％のグラフェンを加えると、室温から750℃の温度範囲で強いゼーベック現象が発生します（グラフェンなしの場合は500～750℃）。この材料は熱の5％を電気に変換します（ストロンチウムチタン酸化物の場合は1％）。[120]
コンデンサーコーティング
2015年には蒸気凝縮器にグラフェンコーティングを施し、凝縮効率が4倍になり、プラント全体の効率が2～3パーセント向上しました。[121]
ストレージ
スーパーキャパシタ
グラフェンは表面積と質量の比が高いため、スーパーキャパシタの導電板への応用が期待されています。[122]
2013年2月、研究者らはDVDバーナー削減アプローチに基づいてグラフェンスーパーキャパシタを製造する新しい技術を発表しました。 [123]
2014年に、現在のリチウムイオン電池に匹敵するエネルギー密度を達成すると主張されるスーパーキャパシタが発表されました。[31] [32]
2015年にこの技術は積層型3D スーパーキャパシタの製造に応用された。レーザー誘起グラフェンはポリマーシートの両面に生成された。次に、セクションは積層され、固体電解質で分離され、複数のマイクロスーパーキャパシタが作られた。積層構成により、結果のエネルギー密度が大幅に増加した。テストでは、研究者はデバイスを数千サイクル充電および放電したが、静電容量はほとんど失われなかった。[124]得られたデバイスは機械的に柔軟で、8,000回の曲げサイクルに耐えた。これにより、円筒形に巻くのに適している可能性がある。固体ポリマー電解質ベースのデバイスは、電流密度0.02 mA/cm2で面積静電容量が9 mF/cm2を超え、従来の水性電解質の2倍以上である。[125]
2015年には、別のプロジェクトで、ウェアラブルデバイスやインプラントデバイスに収まるほど小型のマイクロスーパーキャパシタが発表された。紙の5分の1の厚さしかないこのキャパシタは、同等の薄膜リチウム電池の2倍以上の電荷を保持できる。この設計では、レーザー刻印されたグラフェン、または二酸化マンガンを含むLSGが採用されている。このキャパシタは、極端な温度や高価な「ドライルーム」を必要とせずに製造できる。このキャパシタの容量は、市販のスーパーキャパシタの6倍である。[126]このデバイスの体積容量は1,100 F/cm3以上に達した。これは、構成物質であるMnO2の比容量1,145 F/gに相当し、理論上の最大値1,380 F/gに近い。エネルギー密度は、デバイスの構成に応じて22～42 Wh/Lの範囲で変化する。[127]
2015年5月、ホウ酸を注入したレーザー誘起グラフェンスーパーキャパシタは、面エネルギー密度が3倍、体積エネルギー密度が5～10倍に増加しました。この新しいデバイスは、12,000回の充放電サイクルで安定しており、静電容量の90％を維持しました。ストレステストでは、8,000回の曲げサイクルに耐えました。[128] [129]
バッテリー
シリコングラフェンアノードリチウムイオン電池は2012年に実証されました。[130]
安定したリチウムイオンサイクルはニッケル 基板上に成長した二層および少数層のグラフェン膜で実証されており[131]、一方単層グラフェン膜は電池ケースなどの電池部品の腐食に対する保護層として実証されている[ 132] 。これにより、アノードが活物質と電流コレクターとして機能するマイクロスケールのリチウムイオン電池用の柔軟な電極の可能性が生まれます[133]。
研究者らはグラフェンとシリコンでできたリチウムイオン電池を開発し、1回の充電で1週間以上持続し、充電にはわずか15分しかかからないと主張した。[134]
2015年にアルゴンイオンベースのプラズマ処理が使用され、グラフェンサンプルにアルゴンイオンが照射されました。これにより一部の炭素原子が除去され、材料の静電容量が3倍に増加しました。これらの「アームチェア」欠陥と「ジグザグ」欠陥は、穴を取り囲む炭素原子の配置に基づいて命名されています。[135] [136]
2016年にファーウェイは、携帯電話の中で最も寿命が短い部品である従来のリチウムイオン電池に比べて耐熱性が高く、寿命が2倍のグラフェン補助リチウムイオン電池を発表しました。[137] [138] [139]
制御されたトポロジカル欠陥を持つグラフェンはより多くのイオンを吸着することが実証されており、高効率の電池を生み出す。[140] [141]
伝染 ; 感染
導線
グラフェンは電気伝導性、熱伝導性、機械的強度、耐腐食性に優れているため、高出力エネルギー伝送への応用が期待されています。
銅線は、その高い導電性、延性、低コストのため、長い間電力伝送に使用されてきました。しかし、従来の電線は多くの新技術の伝送要件を満たすことができません。メソスコピック銅線の熱に依存する抵抗は、小型電子機器の効率と電流容量を制限します。 [142]さらに、銅線は高電流密度でエレクトロマイグレーションによる内部故障を示し、電線の小型化を制限します。銅は重量が重く、低温で酸化されるため、高電力伝送への応用も制限されます。[143]電子機器や電気自動車用途での高電流容量伝送の需要が高まるにつれて、導体技術の改善が必要になります。
グラフェン銅複合導体は、高出力アプリケーションにおける標準導体の有望な代替品です。
2013年、研究者らは、従来の銅線と比較して、カーボンナノチューブと銅の複合線で電流容量が100倍に増加することを実証しました。これらの複合線は、銅線よりも1桁小さい抵抗温度係数を示し、高負荷用途にとって重要な特徴です。[144]
グラフェン被覆線
さらに、2021年に研究者らは、軸方向に連続したグラフェンシェルを備えた銅線の電流密度破壊限界が4.5倍に増加することを実証した。銅線は化学蒸着法によって連続グラフェンシートでコーティングされた。コーティングされたワイヤは、ジュール加熱中のワイヤの酸化が減少し、熱放散が増加し（224％増加）、導電率が増加した（41％増加）。[145] [146]
センサー
バイオセンサー
グラフェンは空気中でも体液中でも酸化しないため、バイオセンサーとして魅力的な材料となっている。[147]グラフェン回路は、グラフェンに生物学的捕捉分子と遮断層を適用し、グラフェンと生物学的試験サンプルを含む液体との間の電圧差を制御することで、電界効果バイオセンサーとして構成することができる。製造可能な様々なタイプのグラフェンセンサーのうち、バイオセンサーが最初に販売された。[148]
圧力センサー
グラフェン/h-BNヘテロ構造の電子特性は、外部圧力をかけて層間距離を変えることで調整でき、原子レベルの薄さの圧力センサーの実現につながる可能性があります。2011年に研究者らは、六方晶窒化ホウ素で挟まれたグラフェンで構成された面内圧力センサーと、グラフェンで挟まれたh-BNで構成されたトンネル圧力センサーを提案しました。[149]圧力が0から5 nN/nm 2に増加すると、電流は3桁変化します。この構造は、包まれるh-BN層の数に影響されないため、プロセス制御が簡素化されます。h-BNとグラフェンは高温に対して不活性であるため、このデバイスは極限条件下でのアプリケーション向けの超薄型圧力センサーをサポートできます。
2016年に研究者らは、グラフェン片と架橋ポリシリコーン（シリーパテに含まれる）を混合して作られた生体適合性圧力センサーを実証した。[150]
ネムス
ナノ電気機械システム（NEMS）は、機械的、電気的、およびファンデルワールスエネルギー領域間の相互作用と結合を理解することで設計および特性評価できます。ハイゼンベルクの不確定性関係によって支配される量子力学的限界が、ナノ機械システムの究極の精度を決定します。量子スクイージングは、2つの直交振幅のうちの1つの所望の振幅の量子変動を減らすことで精度を向上させることができます。従来のNEMSは、厚さの制限により量子スクイージングをほとんど達成できません。原子スケールの厚さを利用して、典型的な実験的なグラフェンNEMS構造を通じてスクイージングされた量子状態を取得するスキームが提案されています。[151]
分子吸収
理論的には、グラフェンは 2D 構造のため優れたセンサーになります。グラフェンは体積全体が周囲の環境に露出しているため、吸着分子の検出が非常に効率的です。しかし、カーボンナノチューブと同様に、グラフェンの表面にはダングリングボンドがありません。気体分子はグラフェン表面に容易に吸着できないため、本質的にグラフェンは感度がありません。[152]グラフェン化学ガスセンサーの感度は、たとえばフィルムを特定のポリマーの薄層でコーティングするなどの機能化によって劇的に向上できます。薄いポリマー層は、気体分子を吸収する濃縮器のように機能します。分子の吸収により、グラフェンセンサーの電気抵抗が局所的に変化します。この効果は他の材料でも発生しますが、グラフェンは電気伝導率が高く (キャリアがほとんど存在しない場合でも)、ノイズが低いため、この抵抗の変化を検出できます。[153]
圧電効果
密度汎関数理論シミュレーションでは、グラフェン上に特定の吸着原子を堆積させることで、面外方向に印加された電界に対してグラフェンが圧電応答性を持つようになると予測されている。このタイプの局所的に設計された圧電性は、バルク圧電材料の圧電性の大きさと同等であり、グラフェンはナノスケールデバイスの制御およびセンシングの候補となる。 [154]
体の動き
ウェアラブルデバイスの需要に後押しされて、グラフェンは柔軟で高感度のひずみセンサーへの応用が期待される材料であることが証明されています。環境に優しくコスト効率の高い方法で大面積の極薄グラフェンフィルムを作製し、高感度の柔軟なひずみセンサーに使用できるようになりました。組み立てられたグラフェンフィルムは、マランゴニ効果によって液体/空気界面で急速に形成され、面積を拡大することができます。これらのグラフェンベースのひずみセンサーは、2%ひずみでゲージ係数1037という非常に高い感度を示し、これは、この小さな変形でのグラフェンプレートレットの最高値です。[155]
グラフェンを注入したゴムバンド（「Gバンド」）は、安価なボディセンサーとして使用できます。バンドは柔軟性を保ち、呼吸、心拍数、動きを測定するセンサーとして使用できます。脆弱な患者用の軽量センサースーツにより、微妙な動きを遠隔で監視できるようになります。これらのセンサーは、800%を超えるひずみでは抵抗と仕事が10 × 104倍に増加します。最大35のゲージ率が観測されました。このようなセンサーは、少なくとも160Hzの振動周波数で機能します。60Hzでは、6000%/sを超えるひずみ速度で少なくとも6%のひずみを監視できます。[156]
磁気
2015年に研究者らは、シリコンベースの同等のデバイス（1アンペアテスラあたり7,000ボルト）よりも100倍感度が高いグラフェンベースの磁気センサーを発表しました。センサーの基板は六方晶窒化ホウ素です。このセンサーはホール効果に基づいており、磁場が移動する電荷キャリアにローレンツ力を誘導し、偏向と測定可能なホール電圧をもたらします。最悪の場合でも、グラフェンは最良のシリコン設計とほぼ同等でした。最良の場合、グラフェンはより低いソース電流と電力要件を必要としました。[157]
環境
汚染物質の除去
酸化グラフェンは無毒で生分解性です。表面はエポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル基で覆われており、陽イオンや陰イオンと相互作用します。両親媒性（水や油と混ざる）であるため、水に溶け、他の液体でも安定したコロイド懸濁液を形成します。液体に分散すると、優れた吸着能力を発揮します。銅、コバルト、カドミウム、ヒ酸塩、有機溶媒を除去できます。
水のろ過
研究によれば、グラフェンフィルターは他の淡水化技術よりも大幅に優れた性能を発揮する可能性があることが示唆されている。[158]
2021年、研究者らは、再利用可能なグラフェンフォームが、グラフェン1グラムあたりウラン4グラムの割合で、水からウラン（および鉛、水銀、カドミウムなどの他の重金属も）を効率的にろ過できることを発見した。[159]
浸透バリア
透過を許可する代わりに、遮断することも必要です。ガス透過バリアは、食品、医薬品、医療、無機および有機電子デバイスなどのパッケージングに至るまで、ほぼすべてのアプリケーションで重要です。製品の寿命を延ばし、デバイスの合計厚さを小さく保つことができます。原子レベルの薄さであるため、欠陥のないグラフェンはすべてのガスに対して不浸透性です。特に、グラフェンをベースにした極薄の水分透過バリア層は、有機FETとOLEDにとって重要であることが示されています。[160] [161]生物科学におけるグラフェンバリアの応用が研究されています。
他の
芸術作品の保存
2021年、研究者らは、化学蒸着法で可逆的に塗布されたグラフェンベールが美術品の色彩を維持できることを報告した（70％）。[162] [163]
航空
2016年、研究者らはエポキシ/グラフェン複合材にジッパーのないカーボンナノチューブグラフェンナノリボンを組み込んだ試作型の除氷システムを開発した。実験室でのテストでは、ヘリコプターのローターブレードの前縁にこの複合材を塗布し、保護用の金属スリーブで覆った。電流を流すと、複合材は200°F（93°C）以上に加熱され、周囲温度が-4°F（-20°C）の状態で厚さ1cm（0.4インチ）の氷層が溶けた。[164]
触媒
2014年、西オーストラリア大学の研究者らは、ナノサイズのグラフェン断片が化学反応の速度を速めることができることを発見した。[165] 2015年、研究者らは、窒素をドープし、少量のコバルトを添加したグラフェンで作られた原子スケールの触媒を発表した。その開始電圧は白金触媒に匹敵した。[166] [167] 2016年には、グラフェンに埋め込まれた鉄窒素錯体が別の形の触媒として報告された。この新素材は白金触媒の効率に近づくと主張された。このアプローチにより、効率の低い鉄ナノ粒子が不要になった。[168]
冷却剤添加剤
グラフェンは熱伝導率が高いため、冷却剤の添加剤として使用できる可能性があります。予備調査では、体積比5%のグラフェンがベース流体の熱伝導率を86%向上できることが示されました。[169]グラフェンの熱伝導率向上による別の用途としてPCRが見つかりました。[15]
潤滑剤
科学者たちは、潤滑剤としてグラフェンを使用すると、従来使用されていたグラファイトよりも効果的であることを発見しました。鋼球と鋼板の間にある1原子の厚さのグラフェン層は、6,500サイクル持続しました。従来の潤滑剤は1,000サイクルしか持続しませんでした。[170]
ナノアンテナ
グラフェンベースのプラズモニックナノアンテナ（GPN）は、ミリ波の電波波長で効率的に動作することができます。特定の周波数での表面プラズモン ポラリトンの波長は、同じ周波数で自由に伝播する電磁波の波長よりも数百倍小さいです。これらの速度とサイズの違いにより、効率的なグラフェンベースのアンテナは、従来の代替品よりもはるかに小さくなります。後者はGPNよりも100〜1000倍大きい周波数で動作し、0.01〜0.001の光子を生成します。[171]
グラフェン表面に垂直に向けられた電磁波（EM）はグラフェンを振動させ、グラフェンが取り付けられている誘電体内の振動と相互作用して表面プラズモンポラリトン（SPP）を形成する。アンテナが共振状態になると（SPP波長の整数倍がグラフェンの物理的寸法に収まる）、SPP/EM結合が大幅に増加し、両者の間でエネルギーが効率的に伝達される。[171]
直径100μmのフェーズドアレイアンテナは、 従来の金属アンテナの180度放射の代わりに、直径わずか数度の300GHzビームを生成できます。潜在的な用途としては、スマートダスト、低電力テラビット無線ネットワーク[171]、フォトニクスなどがあります。[172]
ナノスケールの金棒アンテナは電磁エネルギーを捕らえてグラフェンプラズモンに変換した。これはラジオアンテナが金属ケーブル内で電波を電磁波に変換するのと似ている。プラズモン波面はアンテナの形状を調整することで直接制御できる。波は（アンテナを曲げることで）集束され、（プリズム状のグラフェン二重層によって）屈折される。これは、2原子厚のプリズムの導電率が周囲の1原子厚の層よりも大きいためである。[172]
プラズモニック金属グラフェンナノアンテナは、双極子金ナノロッドと単層グラフェンの間に数ナノメートルの酸化物を挿入することによって構成されました。[173]ここで使用されている酸化物層は、グラフェンと金属アンテナ間の量子トンネル効果を低減することができます。電界効果トランジスタアーキテクチャを介してグラフェン層の化学ポテンシャルを調整することで、グラフェンプラズモニクスと金属プラズモニクス間の同相および逆相モード結合が実現されます。[173]プラズモニック金属グラフェンナノアンテナの調整可能な特性は、グラフェンの静電ゲート電圧を変更することでオンとオフを切り替えることができます。
プラズモニクスとメタマテリアル
グラフェンはプラズモニック表面モードを有しており、[174]最近では近接場赤外光学顕微鏡技術[175] [176]や赤外分光法[177]によって観測されている。潜在的な用途としては、テラヘルツから中赤外の周波数帯[178]があり、例えばテラヘルツや中赤外光変調器、パッシブテラヘルツフィルター、中赤外光検出器、バイオセンサーなどが挙げられる。[179] [180]
電波吸収
石英基板上に積層されたグラフェン層は、125～165GHzの帯域幅でミリ波（電波）の吸収を90％増加させ、マイクロ波や低テラヘルツ周波数まで拡張可能で、可視光に対しては透明のままである。例えば、グラフェンは電波を遮断する建物や窓のコーティングとして使用できる。吸収は、各グラフェン石英基板で表される相互結合したファブリ・ペロー共振器の結果である。表面抵抗率を制御するために、転写とエッチングのプロセスを繰り返し使用した。[181] [182]
酸化還元
酸化グラフェンは電気刺激によって可逆的に還元および酸化される。多層酸化グラフェン膜を含む2端子デバイスにおける制御された還元と酸化は、部分的に還元された酸化グラフェンとグラフェン間のスイッチングをもたらし、電子的および光学的特性を変更するプロセスをもたらすことが示された。酸化と還元は抵抗スイッチングに関連している。[183]
参考資料
グラフェンの特性は、導電性および透明材料の特性を評価するための基準材料として適していることを示しています。グラフェンの1層は赤色光の2.3％を吸収します。[184]
この特性は、シート抵抗と透明度を組み合わせた透明度の導電性を定義するために使用されました。このパラメータは、2つの独立したパラメータを使用せずに材料を比較するために使用されました。[185]
防音
研究者らは、最大16デシベルの騒音を低減できるグラフェン酸化物ベースのエアロゲルを実証した。エアロゲルの重量は1立方メートルあたり2.1キログラム（0.13ポンド/立方フィート）であった。従来のポリエステルウレタン吸音材の重量は1立方メートルあたり32キログラム（2.0ポンド/立方フィート）である。考えられる用途の1つは、飛行機の客室の騒音レベルを低減することである。[186] [187]
音響トランスデューサー
グラフェンは軽量であるため周波数応答が比較的良好で、静電型オーディオスピーカーやマイクロフォンへの応用が期待されています。[188] 2015年には、20Hz～500kHzの周波数で動作可能な超音波マイクロフォンとスピーカーが実証されました。このスピーカーは、可聴範囲全体にわたって平坦な周波数応答で、99%の効率で動作しました。1つの用途としては、電波とは異なり、音が鋼鉄や水を透過する能力があることから、長距離通信用の無線代替品としての利用が考えられました。[189] [190]
構造材料
グラフェンの強度、剛性、軽さは、炭素繊維との使用に適していると考えられています。グラフェンは、骨組織工学用の生分解性ポリマーナノ複合材料の機械的特性を改善するための強化剤として使用されています。[191]
また、コンクリートの補強剤としても使用されている。[192]
熱管理
2011年に研究者らは、3次元の垂直配向機能化多層グラフェン構造が、優れた熱伝導性とグラフェンと金属間の超低界面熱抵抗を備えたグラフェンベースの熱界面材料（TIM ）へのアプローチとなり得ると報告した。[193]
グラフェン-金属複合材料は熱伝導材料として使用することができる。[194]
銅フィルムの両面にグラフェンの層を追加すると、金属の熱伝導特性が最大 24% 向上しました。これは、コンピュータ チップの半導体相互接続に使用できる可能性を示唆しています。この改善は、銅のナノ構造とマイクロ構造の変化の結果であり、追加された熱伝導チャネルとしてのグラフェンの独立した作用によるものではありません。高温化学蒸着は、銅フィルムの粒径の成長を促進します。粒径が大きいほど、熱伝導が向上します。熱伝導の改善は、銅フィルムが薄いほど顕著であり、銅相互接続が縮小するにつれて役立ちます。[195]
シラン分子で官能化されたグラフェンを接着すると、分子の数密度に対して熱伝導率（ κ ）が15～56％増加します。これは、グラフェンと基板間の熱抵抗が同時に増加し、面内熱伝導が向上し、面内フォノン散乱が制限されるためです。熱拡散能力は2倍になりました。[196]
しかし、水平方向に隣接する結晶間の境界における不整合により、熱伝達は10分の1に減少する。[197]
防水コーティング
グラフェンは、今日のデバイスのように筐体を密閉する必要がない、新世代の防水デバイスを生み出す可能性があります。[134] [疑わしい–議論する]
参照
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