گرافن

گرافن ماده ای شگفت انگیز است که نویدبخش کاربردهای بسیاری در ابزارهای الکترونیکی، ابرخازن ها، باتری ها، کامپوزیت ها، حسگرها و نمایشگرهای انعطاف پذیر شفاف می باشد. روش های مختلفی برای سنتز گرافن وجود دارد بطوری که گرافن بدست آمده از هر یک از این روش ها برای کاربردهای خاصی بر پایه گرافن مناسب است.

از زمان چاپ مقاله Geim و Novoselov در سال 2004 که به علت آن در سال 2010 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند، توجه و جاذبه زیادی در محافل علمی و رسانه ای به گرافن معطوف شده است. اندازه گیری خواص فیزیکی گرافن از جمله استحکام عالی و هدایت حرارتی و الکتریکی بسیار بالا باعث افزایش این توجه شده است. هدایت الکتریکی عالی به همراه شفافیت و انعطاف پذیری صفحات، الهام بخش کاربردهای بسیاری برای گرافن در آینده شده است که از آن جمله ابزارهای الکترونیکی قابل پوشیدن و انعطاف پذیر را می توان برشمرد. علاوه بر اینها، مواد ذخیره کننده انرژی، کامپوزیت های پلیمری و الکترودهای شفاف از کاربردهای واقعی گرافن خواهند بود.

ساختار گرافن

عبارت “گرافن” به یک تک لایه گرافیت با هیبریداسیون SP2 از اتم های کربن گفته می شود که در یک شبکه شش ضلعی چیده شده و دارای اوربیتال های π اندکی پر زیر و روی صفحه لایه می باشد. ظاهرا بر خلاف این مطلب، عبارت “گرافن” معمولا با پیشوند تک لایه، دو لایه و چند لایه همراه است. با توجه به اینکه خواص الکترونیکی گرافن دو لایه و کم لایه (کمتر از 10 لایه) با خواص الکترونیکی گرافیت متفاوت است، این دسته بندی ایجاد شده است. در حالی که گرافن تک لایه معمولا دارای سطح ناهموار بوده و دسته شدن لایه ها در آن وجود ندارد، گرافن کم لایه می تواند چیدمان های چینش متفاوتی از جمله ABAB (چیدمان چینش برنال)، ABCABC (چیدمان چینش رومبوهدرال) و AAA داشته باشد. گرافن کم لایه با نظم چینش غیرقابل تشخیص نیز معمولا وجود دارند که به آنها Turbostratic گفته می شود. فاصله بین لایه ای برای گرافن Turbostratic (بیشتر از 342/0 نانومتر) بیشتر از این فاصله برای گرافن کریستالی (335/0 نانومتر) است که باعث ضعیف تر شدن پیوند بین لایه ای شده و به صفحات گرافن امکان چرخش و جابجایی می دهد.

لبه های گرافن به شکل زیگزاگ و آرمچیر توصیف می شوند که این دو نوع شکل لبه خواص مغناطیسی و الکترونیکی متفاوتی را منجر می شوند. در عمده گرافنی که سنتز می شود لبه ها دارای مخلوطی از دو شکل می باشند، البته سنتز ساختارهای گرافن با لبه های مشخص بدلیل داشتن پتانسیل تنظیم خواص برای کاربردهای مشخص، زمینه تحقیقاتی در حال رشدی است.

خواص گرافن

با نگاهی به خواص فیزیکی اندازه گیری و پیش بینی شده برای گرافن، می توان به دلیل نامگذاری گرافن تحت عنوان “ماده شگفت انگیز” پی برد. به عنوان یک تک لایه از اتم های کربن، گرافن نازک ترین ماده شناخته شده، نسبت به گازها نفوذ ناپذیر و مستحکم تر از فولاد است (مدول یانگ حدود یک ترا پاسگال). علاوه براین، هدایت حرارتی گرافن در دمای اتاق (تا حدود Wm-1K-1 5000) با مقادیر بدست آمده برای دسته های نانولوله کربنی برابری می کند و بیش از دو برابر بهترین هادی حرارتی بعدی یعنی الماس است. بدلیل تک لایه بودن، گرافن مساحت سطح بسیار بالایی با مقدار تئوری
m2g-1 2630 داشته و با جذب تنها در حدود 3/2 درصد از نور سفید تقریبا شفاف است. گرافن همچنین قابلیت خم پذیری خوبی از خود نشان داده است و خواص الکتریکی خود را پس از خم و صاف شدن بازیابی می کند.

شاید خواص الکترونیکی بیشترین توجه را جلب کرده باشد. گرافن تحرک حامل های بار بسیار بالایی با مقادیری بیش از cm2 V-1 s-1 200000 برای گرافن معلق آزاد از خود نشان می دهد که آنرا به یک هادی الکتریکی عالی بدل می کند. این هدایت ناشی از رفتار غیرمعمول الکترونهای در حال نشر در گرافن است که گفته می شود همانند فرمیون های بدون جرم عمل می کنند که با یک معادله شبه دیراکی بهتر از معادله شرودینگر برای سیستم های متداول، توصیف می شود. در نتیجه الکترون ها در گرافن با سرعت فرمی حدود m s-1 106 × 1 حرکت می کنند و می توانند مسافت های در محدوده میکرومتر را بدون پراکنش طی نمایند که به این پدید انتقال بالستیک گفته می شود. این رفتار و تعداد دیگری آثار نسبیتی کوانتومی توسط گرافن از جمله اثر کوانتومی هال، گرافن را به ماده ای جالب برای مطالعه جوانب بنیادین فیزیک بدل کرده است.

لازم بذکر است که این خواص شگفت انگیز در نمونه های گرافن تک لایه با سطح کوچک و کیفیت بالا دیده شده است و برای صفحات بزرگتر و در مقیاس بالک قابل حصول نیست. به عنوان مثال، انتقال بالستیک بطور تجربی برای نوارهای کوتاه گرافن مشاهده شد و شواهدی از انتقال نفوذی (که در آن پراکنش رخ می دهد) برای نمونه های بزرگتر دیده شده است. پراکنش الکترون در صفحات گرافن توسط عیوب ناخالصی و عیوب مکانی شبکه موجود در آن رخ می دهد و در اثر برهمکنش ها با زیرلایه، فونون های فصل مشترک، دام های بارهای سطحی و مانده های از تولید، تشدید می شود.

با افزایش تعداد لایه های گرافن علاوه بر اینکه مساحت سطح افزایش و شفافیت کاهش می یابد، خواص فیزیکی نیز با افزایش ضخامت تغییر می کند، البته تحقیقات محدودی در این زمینه انجام شده است. میزان تاثیر ضخامت گرافن بر خواص احتمالا به خاصیت مورد مطالعه بستگی دارد، به عنوان مثال با افزایش تعداد لایه ها یک تغییر تدریجی در خواص الکترونیکی محاسبه شده است در حالی که هدایت حرارتی که بصورت تجربی اندازه گیری شده به ضخامت گرافن بسیار حساس بوده بطوریکه مقدار آن برای چهار لایه گرافن تقریبا با گرافیت بالک برابر است. تغییر در سختی و مدول الاستیک نیز برای ضخامت های مختلف گرافن گزارش شده است که در آن یک کاهش خطی برای هر دوی این خواص با افزایش تعداد لایه ها به چهار اندازه گیری شده است.

محصولات مرتبط

فهرست