تفاوت میان نسخه‌های «گرافین»

۱۵۸ بایت اضافه‌شده ،  ۵ سال پیش
خنثی‌سازی تغییر یکجای نام بدون شرکت در بحث و ذکر دلیل یا منبع معتبر
جز (دالبا صفحهٔ گرافن را به گرافین که تغییرمسیر بود منتقل کرد: در بحث گرافن مخالفت شده بود)
(خنثی‌سازی تغییر یکجای نام بدون شرکت در بحث و ذکر دلیل یا منبع معتبر)
[[پرونده:Graphen.jpg|چپ|ساختار شبکه شش ضلعی گرافنگرافین|بندانگشتی|200px]]
'''گرافنگرافین''' {{انگلیسی|Graphene}} نامِ یکی از [[آلوتروپ|آلوتروپ‌هایِ]] [[کربن]] است.
 
در [[گرافیت]] (یکی دیگر از آلوتروپ‌هایِ کربن)، هر کدام از اتم‌هایِ [[ظرفیت (شیمی)|چهارظرفیتیِ]] کربن، با سه [[پیوند کووالانسی|پیوندِ کووالانسی]] به سه اتمِ کربنِ دیگر متصل شده‌اند و یک شبکهٔ گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر رویِ لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترونِ ظرفیت نیز یک پیوندِ شیمیایی داده‌است، اما این پیوندِ این الکترونِ چهارم، از نوعِ [[پیوند واندروالسی|پیوندِ واندروالسی]] است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌هایِ گرافیت به راحتی بر رویِ هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوکِ مداد به کار بروند. گرافنگرافین ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌هایِ گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترونِ پیوندیِ کربن، به عنوان الکترونِ آزاد باقی مانده‌است.
 
هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس دربارهٔ گرافنگرافین نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هایِ زیادی برایِ ساختِ آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نامِ [[قضیه مرمین-واگنر|قضیهٔ مرمین-واگنر]] در [[مکانیک آماری|مکانیکِ آماری]] و [[نظریه میدان‌های کوانتومی|نظریهٔ میدان‌هایِ کوانتومی]] وجود داشت که ساختِ یک مادهٔ دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، [[آندره گایم]] و [[کنستانتین نووسلف]]، از دانشگاه منچستر موفق به ساختِ این ماده شده و نشان دادند که قضیهٔ مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزهٔ [[نوبل فیزیک|نوبلِ فیزیکِ ۲۰۱۰]] نیز به خاطرِ ساختِ ''ماده‌ای دوبعدی'' به این دو دانشمند تعلق گرفت.<ref>{{یادکرد وب|نویسنده = |نشانی = http://www.dw-world.de/dw/article/0,,6080482,00.html |عنوان = نوبل فیزیک برای کاشفان «ماده‌ای جادوئی» | ناشر = دویچه وله|تاریخ = ۵ اکتبر ۲۰۱۰|تاریخ بازدید = ۲ نوامبر ۲۰۱۰}}</ref>
 
{{-}}
== معرفی ==
 
گرافنگرافین ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد [[شبکه لانه زنبوری]] کربنی می‌باشد. گرافنگرافین به علت داشتن خواص فوق العاده در [[رسانندگی الکتریکی]] و [[رسانندگی گرمایی]]، چگالی بالا و [[تحرک پذیری|تحرک پذیری حامل‌های بار]]، [[رسانندگی اپتیکی]]<ref>Nair, R. R. , P. Blake, A. N. Grigorenko, et al. 2008. Fine structure constant defines visualtransparency of graphene. Science 320 (5881):1308</ref> و خواص مکانیکی<ref>Geim, A. K. , and P. Kim. 2008. Carbon wonderland. Scientific American 298 (4):90–97. Geim, A. K. , and K. S. Novoselov. 2007</ref> به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های [[فوتونیک|فوتونیکی]] و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافنگرافین در حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافنگرافین است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهٔ بین صفحه‌ای ۰٫۳۳۵ نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود [[نانو لوله کربنی]] شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود [[فلورین]] شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافنیگرافینی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام ''گرافنگرافین کم لایه'' و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام ''گرافنگرافین چند لایه''، ''گرافنگرافین ضخیم'' و یا ''نانو بلورهای نازک گرافیتی''، می‌نامند.
گرافنگرافین خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد.<ref>Novoselov, K. S. , A. K. Geim, S. V. Morozov, et al. 2005. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature 438 (7065):197–200</ref> درگرافندرگرافین طیف حامل‌ها شبیه به طیف فرمیون‌های دیراک بدون جرم می‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح و کسری، در این سامانه باعث شده است که توجه بسیاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک به آن جلب شود.<ref>[4]Novoselov, K. S. , D. Jiang, F. Schedin, et al. 2005. Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102 (30):10451–10453</ref> علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافنگرافین بطور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافنگرافین موجود در سامانهٔ مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافنگرافین تک لایه تقریبا برابر با ۹۷ درصد و مقاومت صفحهٔ آن ۲/۲ می‌باشد وگذردهی نوری برای گرافن‌هایگرافین‌های دو، سه و چهار لایه به ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحهٔ به ترتیب ۱، ۷۰۰ و ۴۰۰ است که نشان دهندهٔ آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافنگرافین گذردهی نوری سامانه کم می‌شود.<ref>Li, X. S. , Y. W. Zhu, W. W. Cai, et al. 2009. Transfer of large-area graphene films for highperformance transparent conductive electrodes. Nano Letters 9 (12):4359–4363</ref> از سوی دیگر چگالی حامل بار در گرافنگرافین از مر تبه ۱۰<sup>۱۳</sup> بر سانتی متر مربع با تحرک پذیری تقریبا 15000 cm<sup>۲</sup>/V.s و<ref>- Geim, A. K. , and K. S. Novoselov. 2007. The rise of graphene. Nature Materials 6 (3):183–191</ref> با مقاومتی از مرتبه <sup>۶-</sup>۱۰ اهم-سانتی‌متراست که به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) می‌باشد. خواص منحصربفرد گرافنگرافین آن را کاندیدهای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف، و حسگرها قرار داده است. همچنین، رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافن،گرافین، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع کننده نور (OLED) معرفی می‌کند. بکار گیری بسیاری از این سامانه‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافنیگرافینی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست.
 
{{-}}
 
== روشهای ساخت گرافنگرافین ==
 
امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافنگرافین بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آنها می‌توان به روش‌های لایه برداری مکانیکی، لایه برداری شیمیایی، سنتزشیمیایی و رسوب بخار شیمیایی (CVD) را نام برد. برخی روش‌های دیگری همانند شکافتن نانو لوله‌های کربنی<ref>Jiao, L. Y. , X. R. Wang, G. Diankov, H. L. Wang, and H. J. Dai. 2010. Facile synthesis of highquality graphene nanoribbons. Nature Nanotechnology 5 (5):321–325</ref> و ساخت باامواج ماکرویو<ref>Xin, G. Q. , W. Hwang, N. Kim, S. M. Cho, and H. Chae. 2010. A graphene sheet exfoliated with microwave irradiation and interlinked by carbon nanotubes for high-performance transparent flexible electrodes. Nanotechnology 21 (40)</ref> نیز اخیرا بکاربرده شده‌اند. یک نمای کلی از روش‌های ساخت گرافنگرافین در زیر آمده است:
* '''<big>روش‌های ساخت گرافنگرافین</big>'''
** '''از پایین به بالا'''
*** رشد برآیایی
**** روش شیمیایی
 
در سال ۱۹۷۵گروه Lang برای اولین بار گرافیت کم لایه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش CVD تولید کردند.<ref>Lang, B. 1975. A LEED study of the deposition of carbon on platinum crystal surfaces. Surface Science 53 (1):317–329</ref> در سال ۱۹۹۹ گروه Lu با استفاده از AFM، لایه برداری مکانیکی را بر روی یک گرافیت پیرولیتی به منظور تهیه گرافنگرافین تک لایه انجام دادند.<ref>Lu, X. K. , M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff. 1999. Tailoring graphite with the goal of achieving single sheets. Nanotechnology 10 (3):269–272</ref> با این وجود، گرافنگرافین تک لایه برای اولین بار در سال۲۰۰۴ توسط گروه Novoselov تولید و گزارش شد. آن‌ها از چسب نواری برای جدا کردن لایه‌های گرافنگرافین از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایه‌های متنوع گرافنگرافین را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز است. روش لایه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایه‌های گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بدست آمده توسط این روش برابر با ۱۰ نانو متر است که تقریبا برابر با ۳۰ لایه گرافنگرافین تک لایه است. در روش لایه برداری شمیایی فلزات قلیایی بین صفحات گرافیت پراکنده شده در محلول، قرار می‌گیرند. به طور مشابه روش سنتز شیمیایی شامل اکسید گرافیت پراکنده در محلول ناشی شده از کاهش هیدروزین است. همانند تولید نانو لوله‌های‌کربنی توسط روش CTCVD، تولید گرافنگرافین توسط این روش یکی از بهترین روش‌ها برای تولید گرافنگرافین در ابعاد بزرگ است. در این روش کربنی که بوسیله گرما جدا شده بر روی سطح یک فلز فعال قرار می‌گیرد و در دمای بالا و تحت فشار اتمسفر یا فشار کم، یک شبکه لانه زنبوری تشکیل می‌دهد. از آنجایی که این روش CVD در یک کوره گرمایی انجام می‌گیرد آن را روش CVD گرمایی می‌نامند. هنگامی که روش شامل رشد به کمک پلاسما باشد، روش CVD پلاسمای غنی شده نامیده می‌شود. هریک از این روش‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند، به عنوان مثال روش لایه برداری مکانیکی توانایی و قابلیت ساخت گرافنگرافین یک لایه تا چند لایه را دارد اما همانندی نمونه‌های بدست آمده بسیار پایین است، همچنین ساخت گرافنگرافین در ابعاد بزرگ یکی از چالش‌های پیش روی این روش است. برای تهیه گرافنگرافین تک لایه و چند لایه می‌توان از روش چسب نواری استفاده کرد اما تحقیقات گستردهٔ بیشتری برای توسعه این روش جهت استفاده در قطعه‌های الکترواپتیکی لازم است. روش‌های سنتز شیمیایی از روش‌های دمای پایین هستندکه این ویژگی موجب می‌شود ساخت گرافنگرافین بر روی انواع زیر لایه‌های با دمای محیط، به ویژه زیرلایه‌های پلیمری آسان‌تر شود، با این حال، همگنی و یکسانی گرافنگرافین تولید شده در ابعاد بزرگ، حاصل از این روش مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافنگرافین از اکسیدهای گرافنگرافین کاهش یافته اغلب به علت نقص در فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافنگرافین می‌شود. برآرایی گرافنگرافین وگرافیت سازی گرمایی بر روی سطح کربید سیلسیوم از دیگر روش‌های تولید گرافنگرافین هستند اما دمای بالای این فرایندها و عدم توانایی انتقال بر روی سایر زیر لایه‌ها از محدودیت‌های این روش‌ها هستند.
 
{{-}}
== خواص ==
* '''ساختار اتمی'''
ساختار اتمی تک لایهٔ مجزای گرافنگرافین به روش میکروسکوپی عبوردهی الکترونی (Transmission Electron Microscopy) بر روی ورقه‌هایی از گرافنگرافین که در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده‌اند، مطالعه شده است. طرح‌های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافنگرافین را نشان داده‌اند. علاوه بر این، گرافنگرافین از خود اعوجاج‌هایی را بر روی این ورقه‌های تخت نشان داده‌اند، با دامنه‌ای در حدود یک نانومتر. این اعوجاج‌ها ممکن است خصلت ذاتی ای برای گرافنگرافین به خاطر ناپایداری کریستال‌های دو بعدی باشد، و یا حتی ممکن است در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی‌هایی که در سرتاسر گرافنگرافین وجود دارند و کاملا به توسط تصاویر TEM تهیه شده از گرافنگرافین مشاهده شده‌اند، به وجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمی گرفته شده از تک لایهٔ مجزای گرافنگرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO<sub>۲</sub> به وسیلهٔ روش میکروسکوپی تونل زنی اسکن کننده (Scanning Tunneling Microscopy) تهیه شده‌اند. این تصاویر نشان دادند که اعوجاج‌های تک لایهٔ گرافنگرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO<sub>۲</sub> به خاطر ترکیب و تطبیق یافتن تک لایهٔ گرافنگرافین با زیر لایهٔ SiO<sub>۲</sub> ایجاد شده‌اند و یک خصلت ذاتی برای آن نمی‌باشند.
 
[[پرونده:GrapheneE2.png|انرژی الکترون‌ها با عدد موج '''k''' در گرافن،گرافین، محاسبه شده به وسیلهٔ تقریب تنگ بست ([[Tight Binding]]) |چپ|بندانگشتی|200px]]
* '''خواص الکترونیکی'''
گرافنگرافین با سایر مواد متداول سه بعدی متفاوت است. گرافنگرافین طبیعی یک نیمه فلز یا یک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافنگرافین اولین قدم برای یافتن ساختار نواری گرافیت است. اولین بار خیلی قبل تر در سال 1947 P. R. Wallace متوجه خطی بودن رابطهٔ E-k (انرژی و عدد موج کریستال) در نزدیکی شش گوشهٔ منظقهٔ بریلوئن شش ضلعی دوبعدی گرافنگرافین برای انرژی‌های پایین ـ که منجر به جرم مؤثر صفر برای الکترون‌ها و حفره‌ها می‌شود ـ شد. به خاطر این رابطهٔ پاشندگی خطی در انرژی‌های پایین، الکترون‌ها و حفره‌ها در نزدیکی این شش نقطه، که دو تا از آن‌ها غیر یکسان هستند، همانند ذرات نسبیتی ای که با معادلهٔ دیراک برای ذرات با اسپین نیم صحیح توصیف می‌شوند، رفتار می‌کنند. به همین خاطر به به این الکترون‌ها و حفره‌ها فرمیون‌های دیراک و به آن شش نقطه، نقاط دیراک گفته می‌شود. معادله‌ای بیان گر رابطهٔ E-k، <math>E = \hbar v_F\sqrt{k_x^2+k_y^2}</math> می‌باشد که در آن سرعت فرمی vF ~ 10<sup>۶</sup> m/s است.
[[پرونده:Cnt zz v3.gif|ساختار نواری انرژی گرافنگرافین در جهت گیری 'زیک زاکی'. محاسبات نشان می‌دهد که در این جهت گیری گرافنگرافین همواره فلز است|چپ|بندانگشتی|200px]]
[[پرونده:Cnt gnrarm v3.gif|ساختار نواری انرژی گرافنگرافین در جهت گیری ''صندلی دسته دار''. محاسبات نشان می‌دهد که گرافنگرافین در این جهت گیری بسته به عرض لایه می‌تواند فلز و یا نیمه رسانا باشد ([[دست‌سانی]])|چپ|بندانگشتی|200px]]
* '''ترابرد الکترونی'''
نتایج تجربی از اندازه گیری‌های ترابرد الکترونی نشان می‌دهند که گرافنگرافین دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 15,000 cm<sup>۲</sup>V<sup>−۱</sup>s<sup>−۱</sup>. همچنین تقارن اندازه گیری‌های تجربی رسانندگی نشان می‌دهد که تحرک پذیری برای الکترون‌ها و حفره‌ها باید یکسان باشد. در بازهٔ دمایی بین 10k تا 100k، تحرک پذیری تقریبا به دما وابسته نیست، که بیان کنندهٔ این امر است که مکانیزم قالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی به توسط فونون‌های آکوستیک گرافنگرافین موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرک پذیری در دمای اتاق در حد 200,000 cm<sup>۲</sup>V<sup>−۱</sup>s<sup>−۱</sup> برای چگالی حامل ۱۰<sup>۱۲</sup> cm<sup>−۲</sup> می‌شود. مقاومت متناظر ورقه‌های گرافنگرافین در حد <sup>۶-</sup>10 Ω•cm خواهد بود. این مقاومت از مقاومت نقره، مادهٔ شناخته شده به عنوان دارندهٔ کمترین مقاومت در دمای اتاق، کمتر است. گرچند برای گرافنگرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO<sub>۲</sub>، پراکندگی ناشی از فونون‌های اپتیکی زیر لایه در دمای اتاق اثر بزرگ تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافنگرافین. این امر تحرک پذیری را به میزان 40,000 cm<sup>۲</sup> V<sup>−۱</sup>s<sup>−۱</sup> محدود می‌کند.
* '''خواص اپتیکی'''
خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافن،گرافین، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایهٔ اتمی با یک مقدار سادهٔ شگفت انگیز شده است، یک تک لایهٔ گرافنگرافین πα ≈ ۲٫۳% از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می‌کند که در آن α ثابت ساختار ریز شبکه می‌باشد. این امر نتیجهٔ ساختار الکترونیکی کم انرژی غیر معمول گرافنگرافین تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره‌ای گرافنگرافین می‌دهد تا آن‌ها در نقاط دیراک به هم برسند، که به طور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشردهٔ مرتبهٔ دو معمول متفاوت است. بر مبنای مدل از ساختار نواری گرافن،گرافین، فواصل بین اتمی، مقادیر پرش، و فرکانس به هنگام محاسبهٔ رسانندگی اپتیکی با استفاده از معادلات فرنل در حد لایه‌های نازک از بین می‌رود. این امر به صورت تجربی تأیید شده ولی هنوز مقادیر اندازه گیری شده به اندازهٔ کافی برای محاسبهٔ ثابت ساختار ریز دقیق نبوده است.
می‌توان گاف نوار انرژی گرافنگرافین را از ۰ تا 0.25 eV (در حدود طول موج پنج میکرومتر) به وسیلهٔ اعمال ولتاژ در دمای اتاق به یک ترانزیستور اثر میدان دو دروازه‌ای ساخته شده از یک گرافنگرافین دو لایه‌ای، تنظیم نمود. همچنین نشان داده شده است که پاسخ اپتیکی نانو نوارهای گرافنیگرافینی نیز در ناحیهٔ تراهرتز به وسیلهٔ اعمال یک میدان مغناطیسی قابل تنظیم است. علاوه بر این نشان داده شده است که سیستم‌های گرافنگرافین ـ گرافنگرافین اکسید از خود رفتار الکتروکرومیک بروز می‌دهند، که اجازه می‌دهند هم خواص اپتیکی خطی و هم خواص اپتیکی فوق سریع را تنظیم کرد.<ref>http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene</ref>
 
{{-}}
 
== منابع ==
[http://alireza.rafiee.info/2010/10/blog-post_21.html گرافنگرافین و کاربردهایِ آن]
{{پانویس}}
{{دگرشکل‌های کربن}}