گرافین: تفاوت میان نسخه‌ها

'''گرافین''' {{انگلیسی|Graphene}} نامِ یکی از [[آلوتروپ|آلوتروپ‌هایِ]] [[کربن]] است. این ماده تشکیل‌شده از یک [[دستگاه بلوری هگزاگونال|ساختار بلوری لانه زنبوری]] [[فضای دوبعدی|دوبعدی]] است<ref>{{cite web |url=http://dictionary.cambridge.org/dictionary/british/graphene |title=graphene definition, meaning – what is graphene in the British English Dictionary & Thesaurus – Cambridge Dictionaries Online |work=cambridge.org}}</ref><ref>{{cite web| title = Graphene| url = https://www.merriam-webster.com/dictionary/graphene| work = Merriam-Webster}}</ref> که در آن هر اتم کربن به کمک سه [[الکترون]] ظرفیت خود، با سه پیوند‌پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده استشده‌است. یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی کل صفحه‌یصفحهٔ گرافین و بین تمام اتم‌ها به اشتراک گذاشته‌شده و الکترونِ آزاد است.

گرافین ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد [[شبکه لانه زنبوری]] کربنی می‌باشد. گرافین به علت داشتن خواص فوق‌العاده در [[رسانندگی الکتریکی]] و [[رسانندگی گرمایی]]، چگالی بالا و [[تحرک پذیری|تحرک پذیریتحرک‌پذیری 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 شده‌است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های [[فوتونیک|فوتونیکی]] و الکترونیکی در نظر گرفته شده‌است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده‌است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافین در حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافین است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که برهم 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 گرافینی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام ''گرافین کم لایه'' و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام ''گرافین چند لایه''، ''گرافین ضخیم'' یا ''نانو بلورهای نازک گرافیتی''، می‌نامند.

از نظر مکانیکی، [[مقاومت کششی نهایی]] گرافین برابر ۱۳۰ گیگاپاسکال (در مقایسه با مثلامثلاً ۴۰۰مگاپاسکال فولاد) است.<ref>http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/what-can-graphene-do/</ref> از نظر الکتریکی، 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 شده‌است 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 تقریباً 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 سانتی‌متر مربع با تحرک پذیریتحرک‌پذیری تقریباً 15000&nbsp;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، ساطع‌کننده‌های 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 ساطع‌کننده نور (OLED) معرفی می‌کند. بکار گیریبکارگیری 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.

[[File:Nobelpriset i fysik 2010.png|thumb|تکه‌ای گرافیت، یک [[ترانزیستور]] گرافینی و یک [[پایه چسب]] اهدا شده به [[موزه نوبل]] توسط [[آندره گایم]] و [[ کنستانتین نووسلف]] پس از دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۰. آن‌ها در سال ۲۰۰۴ از این ابزار برای تولید یک تک‌لایه‌یتک‌لایهٔ گرافین برای نخستین بار، به روش لایه‌برداری مکانیکی (exfolitation) گرافیت استفاده کردند. ]]

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 تقریباً برابر با ۳۰ لایه گرافین تک لایه است. در روش لایه برداری شمیایی فلزات قلیایی بین صفحات گرافیت پراکنده شده در محلول، قرار می‌گیرند. به‌طور 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 سازیوگرافیت‌سازی 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.

[[پرونده:Cnt zz v3.gif|ساختار نواری انرژی گرافین در جهت گیریجهت‌گیری 'زیک زاکی'. محاسبات نشان می‌دهد که در این جهت گیریجهت‌گیری گرافین همواره فلز است|چپ|بندانگشتی|200px]]

[[پرونده:Cnt gnrarm v3.gif|ساختار نواری انرژی گرافین در جهت گیریجهت‌گیری ''صندلی دسته دار''. محاسبات نشان می‌دهد که گرافین در این جهت گیریجهت‌گیری بسته به عرض لایه می‌تواند فلز یا نیمه رسانا باشد ([[دست‌سانی]])|چپ|بندانگشتی|200px]]

نتایج تجربی از اندازه‌گیری‌های ترابرد الکترونی نشان می‌دهند که گرافین دارای تحرک پذیریتحرک‌پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 15,000&nbsp;cm^۲V^−۱s^−۱. همچنین تقارن اندازه‌گیری‌های تجربی رسانندگی نشان می‌دهد که تحرک پذیریتحرک‌پذیری برای الکترون‌ها و حفره‌ها باید یکسان باشد. در بازهٔ دمایی بین 10k تا 100k، تحرک پذیریتحرک‌پذیری تقریباً به دما وابسته نیست، که بیان‌کنندهٔ این امر است که مکانیزم غالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی به توسط فونون‌های آکوستیک گرافین موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرک پذیریتحرک‌پذیری در دمای اتاق در حد 200,000&nbsp;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 بزرگ‌تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافین. این امر تحرک پذیریتحرک‌پذیری را به میزان 40,000&nbsp;cm^۲ V^−۱s^−۱ محدود می‌کند.

مشخص است که گرافین تنها به نانو مربوط نمی‌شود، همچنین نباید این دو واژه را طوری به کار برد که گویی مثابه هم می‌باشند. تا کنونتاکنون گرافین به صورت دو بعدی با طول ۱۰۰ متر و عرض ۲۳ سانتیمتر توسط شرکت sony ساخته شده‌است. همچنین ورق‌های گرافین بااندازهٔ کمتر از ۲۰ نانومتر از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدارند، چون حداقل پایداری گرافین هنگامی است که تعداد اتم‌ها بیشتر از ۶۰۰۰ اتم باشد؛ و ۲۴۰۰۰ اتم لازم است تا فلورن پایدار شود. این مبحث در دینامیک مولکولی سیستم‌ها بسیار مهم است، چون نتایج گرفته شده در کمتر از ۲۰ نانو متر می‌تواند درست نباشد.<ref>http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20120828/236214</ref>