تفاوت میان نسخه‌های «گرافین»

جز
ویرایش به‌وسیلهٔ ابرابزار:
جز (اصلاح فاصله مجازی + اصلاح نویسه با ویرایشگر خودکار فارسی)
جز (ویرایش به‌وسیلهٔ ابرابزار:)
[[پرونده:Graphen.jpg|چپ|ساختار شبکه شش ضلعی گرافین|بندانگشتی|200px]]
'''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 پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است. یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی کل صفحهٔ گرافین و بین تمام اتم‌ها به اشتراک گذاشته‌شده و الکترونِ آزاد 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. 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 باقی‌مانده‌است.
 
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|تحرک‌پذیری 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 مثلاً 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 به‌طور 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<sup>۱۳</sup> بر سانتی‌متر مربع با تحرک‌پذیری تقریباً 15000&nbsp; 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 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 استداده‌است. 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. بکارگیری 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.
{{-}}
 
**** نمک مذاب
 
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 مترنانومتر 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 به وسیلهٔ 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 وگرافیت‌سازی 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.
{{-}}
محققان در دانشگاه کمبریج روشی را برای تولید گرافین با کیفیت بالا در نمک مذاب ابداع کرده‌اند. این روش که مبتنی بر تفوذدهی هیدروژن از نمک مذاب لیتیم کلرید به گرافیت می‌باشد، قابلیت تولید گرافین در مقیاس صنعتی را دارد.<ref>َA.R.Kamali, D.J.Fray, Nanoscale,7, 11310-11320.</ref> روش مذکور به وسیلهٔ شرکت سرمایه‌گذاری کمبریج در حال تجاری شدن است.
[[پرونده:GrapheneE2.png|انرژی الکترون‌ها با عدد موج '''k''' در گرافین، محاسبه شده به وسیلهٔ تقریب تنگ بست ([[Tight Binding]]) |چپ|بندانگشتی|200px]]
* '''خواص الکترونیکی'''
گرافین با سایر مواد متداول سه بعدی متفاوت است. گرافین طبیعی یک نیمهیک‌نیمه فلز یا یک نیمهیک‌نیمه رسانا با گاف نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافین 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 گرافین 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 گرافین در جهت‌گیری 'زیک زاکی'. محاسبات نشان می‌دهد که در این جهت‌گیری گرافین همواره فلز است|چپ|بندانگشتی|200px]]
[[پرونده:Cnt gnrarm v3.gif|ساختار نواری انرژی گرافین در جهت‌گیری ''صندلی دسته دار''. محاسبات نشان می‌دهد که گرافین در این جهت‌گیری بسته به عرض لایه می‌تواند فلز یا نیمه رسانا باشد ([[دست‌سانی]])|چپ|بندانگشتی|200px]]
* '''ترابرد الکترونی'''
نتایج تجربی از اندازه‌گیری‌های ترابرد الکترونی نشان می‌دهند که گرافین دارای تحرک‌پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 15,000&nbsp; cm<sup>۲</sup>V<sup>−۱</sup>s<sup>−۱</sup>. همچنین تقارن اندازه‌گیری‌های تجربی رسانندگی نشان می‌دهد که تحرک‌پذیری برای الکترون‌ها و حفره‌ها باید یکسان باشد. در بازهٔ دمایی بین 10k تا 100k، تحرک‌پذیری 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 تحرک‌پذیری در دمای اتاق در حد 200,000&nbsp; 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 گرافین 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 گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO<sub>۲</sub>، پراکندگی ناشی از فونون‌های اپتیکی زیر لایه در دمای اتاق اثر بزرگ‌تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافین. این امر تحرک‌پذیری را به میزان 40,000&nbsp; cm<sup>۲</sup> V<sup>−۱</sup>s<sup>−۱</sup> محدود می‌کند.
* '''خواص اپتیکی'''
خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافین، موجب بروز یک شفافیت بالای غیرمنتظره برای یک تک لایهٔ اتمی با یک مقدار سادهٔ شگفت‌انگیز شده‌است، 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 غیرمعمول گرافین تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره‌ای گرافین می‌دهد تا آن‌ها در نقاط دیراک به هم برسند، که به‌طور 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 اندازه‌گیری شده به اندازهٔ کافی برای محاسبهٔ ثابت ساختار ریز دقیق نبوده‌است.
 
== بزرگترین گرافین ساخته شده ==
مشخص است که گرافین تنها به نانو مربوط نمی‌شود، همچنین نباید این دو واژه را طوری به کار برد که گویی مشابه هم می‌باشند. تاکنون 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 مترنانومتر می‌تواند درست نباشد.<ref>http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20120828/236214</ref>
 
== محدودیت‌های گرافین ==
 
== گرافن و کنترل تبخیر آب ==
یک پوشش گرافنی، قادر به کنترل تبخیر آب از طریق توقف میزان تبخیر روی سطوح آب دوست یا هیدورفیلیک (hydrophilic) و سرعت بخشیدن به تبخیر روی سطوح آب گریز یا هیدروفوبیک (hydrophobic) است. تبخیر قطره آب، پدیده پیچیده ایپیچیده‌ای بوده و نقش مهمی در طبیعت و صنعت ایفا می‌کند. درک مکانیسم تبخیر در مقیاس اتمی و کنترل میزان تبخیر، برای کاربردهایی از جمله انتقال حرارت و کنترل دمای بدن بسیار حائز اهمیت است. زمانی که یک سطح آب دوست با گرافن پوشش داده می‌شود، خط تماس قطره آب، به دلیل تنظیم و اصلاح زاویه‌های خیس شدن، به‌طور چشمگیری کوتاه یا کشیده می‌شود؛ این مسألهمسئله منجر به تغییر در میزان تبخیر می‌شود. مولکول آب، قبل از تبخیر، یک وضعیت پیشرو (و جدید) در خط تماس ایجاد می‌کند. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر نشان داد که چگالی آب در حالت‌های گذار (transition states) در خط تماس بسیار زیاد است. <ref>https://sinapress.ir/news/81752/گرافن،-کلید-کنترل-تبخیر-آب</ref>
 
یک پوشش گرافنی، قادر به کنترل تبخیر آب از طریق توقف میزان تبخیر روی سطوح آب دوست یا هیدورفیلیک (hydrophilic) و سرعت بخشیدن به تبخیر روی سطوح آب گریز یا هیدروفوبیک (hydrophobic) است. تبخیر قطره آب، پدیده پیچیده ای بوده و نقش مهمی در طبیعت و صنعت ایفا می‌کند. درک مکانیسم تبخیر در مقیاس اتمی و کنترل میزان تبخیر، برای کاربردهایی از جمله انتقال حرارت و کنترل دمای بدن بسیار حائز اهمیت است. زمانی که یک سطح آب دوست با گرافن پوشش داده می‌شود، خط تماس قطره آب، به دلیل تنظیم و اصلاح زاویه‌های خیس شدن، به‌طور چشمگیری کوتاه یا کشیده می‌شود؛ این مسأله منجر به تغییر در میزان تبخیر می‌شود. مولکول آب، قبل از تبخیر، یک وضعیت پیشرو (و جدید) در خط تماس ایجاد می‌کند. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر نشان داد که چگالی آب در حالت‌های گذار (transition states) در خط تماس بسیار زیاد است. <ref>https://sinapress.ir/news/81752/گرافن،-کلید-کنترل-تبخیر-آب</ref>
== منابع ==
{{پانویس|۲}}