گرافین: تفاوت میان نسخه‌ها

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. گرافین 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.

گرافین 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> درگرافین 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 گرافین بطور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافین موجود در سامانهٔ مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافین تک لایه تقریباتقریباً برابر با ۹۷ درصد و مقاومت صفحهٔ آن ۲/۲ می‌باشد وگذردهی نوری برای گرافین‌های 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 گرافین 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 گرافین از مر تبه ۱۰^۱۳ بر سانتی متر مربع با تحرک پذیری تقریبا تقریباً 15000 cm^۲/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 ^۶-۱۰ اهم-سانتی‌متراست که به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) می‌باشد. خواص منحصربفرد گرافین 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 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 گرافینی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست.

امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافین 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 اخیرااخیراً بکاربرده شده‌اند. یک نمای کلی از روش‌های ساخت گرافین در زیر آمده است:

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 گرافین 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، گرافین تک لایه برای اولین بار در سال۲۰۰۴ توسط گروه Novoselov تولید و گزارش شد. آن‌ها از چسب نواری برای جدا کردن لایه‌های گرافین از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایه‌های متنوع گرافین 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 تقریباتقریباً برابر با ۳۰ لایه گرافین 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 گرافین توسط این روش یکی از بهترین روش‌ها برای تولید گرافین 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 گرافین یک لایه تا چند لایه را دارد اما همانندی نمونه‌های بدست آمده بسیار پایین است، همچنین ساخت گرافین در ابعاد بزرگ یکی از چالش‌های پیش روی این روش است. برای تهیه گرافین 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 گرافین بر روی انواع زیر لایه‌های با دمای محیط، به ویژه زیرلایه‌های پلیمری آسان‌تر شود، با این حال، همگنی و یکسانی گرافین تولید شده در ابعاد بزرگ، حاصل از این روش مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافین از اکسیدهای گرافین کاهش یافته اغلب به علت نقص در فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافین می‌شود. برآرایی گرافین وگرافیت سازی گرمایی بر روی سطح کربید سیلسیوم از دیگر روش‌های تولید گرافین هستند اما دمای بالای این فرایندها و عدم توانایی انتقال بر روی سایر زیر لایه‌ها از محدودیت‌های این روش‌ها هستند.

ساختار اتمی تک لایهٔ مجزای گرافین به روش میکروسکوپی عبوردهی الکترونی (Transmission Electron Microscopy) بر روی ورقه‌هایی از گرافین که در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده‌اند، مطالعه شده است. طرح‌های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافین را نشان داده‌اند. علاوه بر این، گرافین 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 گرافین به خاطر ناپایداری کریستال‌های دو بعدی باشد، و یا حتی ممکن است در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی‌هایی که در سرتاسر گرافین وجود دارند و کاملاکاملاً به توسط تصاویر TEM تهیه شده از گرافین مشاهده شده‌اند، به وجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمی گرفته شده از تک لایهٔ مجزای گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO_۲ به وسیلهٔ روش میکروسکوپی تونل زنی اسکن کننده (Scanning Tunneling Microscopy) تهیه شده‌اند. این تصاویر نشان دادند که اعوجاج‌های تک لایهٔ گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO_۲ به خاطر ترکیب و تطبیق یافتن تک لایهٔ گرافین با زیر لایهٔ SiO_۲ ایجاد شده‌اند و یک خصلت ذاتی برای آن نمی‌باشند.

نتایج تجربی از اندازه گیری‌های ترابرد الکترونی نشان می‌دهند که گرافین دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 15,000 cm^۲V^−۱s^−۱. 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 تقریباتقریباً به دما وابسته نیست، که بیان کنندهٔ این امر است که مکانیزم قالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی به توسط فونون‌های آکوستیک گرافین موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرک پذیری در دمای اتاق در حد 200,000 cm^۲V^−۱s^−۱ برای چگالی حامل ۱۰^۱۲ cm^−۲ می‌شود. مقاومت متناظر ورقه‌های گرافین در حد ^۶-10 Ω•cm خواهد بود. این مقاومت از مقاومت نقره، مادهٔ شناخته شده به عنوان دارندهٔ کمترین مقاومت در دمای اتاق، کمتر است. گرچند برای گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO_۲، پراکندگی ناشی از فونون‌های اپتیکی زیر لایه در دمای اتاق اثر بزرگ تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافین. این امر تحرک پذیری را به میزان 40,000 cm^۲ V^−۱s^−۱ محدود می‌کند.

خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافین، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایهٔ اتمی با یک مقدار سادهٔ شگفت انگیز شده است، یک تک لایهٔ گرافین 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 گرافین تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره‌ای گرافین 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 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.

{{پانویس|۲}}