گرافین

گرافینگرافین چیست و کاربردهای آن

گرافن (به انگلیسی: Graphene) نامِ یکی از شکل هایی از عنصر کربن است که متشکل از نظام چینش لانه زنبوری SP2 می باشد.

گرافین (به انگلیسی: Graphine) که از لحاظ اسمی شبیه گرافن می باشد، با گرافن متفاوت است، در واقع گرافین همان شکل متفاوت چینش از اتمهای (عنصر) کربن است به شیوه  SP+SP2 یعنی هیبریدیزه شده.

خواص آن هاآن قدر به هم مشابهند که به جای هم به کار می‌روند، اما نباید آنها را با هم اشتباه گرفت.

در گرافیت (به انگلیسی: Graphite) که یکی دیگر از آلوتروپ‌هایِ کربن است، (آلوتروپ همان چینش متفاوت اتمهای یک عنصر) هر کدام از اتم‌هایِ چهارظرفیتیِ کربن، با سه 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 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.

نخستین بار در سال 1947 بود که فیلیپ والاس در مورد گرافین مطلب نوشت، از آن زمان تلاشهایی برای ساخت این ماده شده که بی نتیجه ماند، حتی قضیه‌ای به نامِ قضیهٔ مرمین-واگنر در مکانیکِ آماری و نظریهٔ میدان‌هایِ کوانتومی وجود داشت که ساختِ یک مادهٔ دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما در سال 2004 میلادی دو دانشمند از دانشگاه منچستر این ماده را ساختند و بنابراین ثابت کردند که ساختن چنین ماده ای ممکن است، این ماده پایدار بوده و در نهایت قضیه مرمین -واگنر نمی تواند صحیح باشد. به دلیل انجام اینکار، جایزه نوبل سال 2010 به این دو دانشمند تعلق گرفت.

کنستانتین نووسلف متولد 1974 اهل روسیه، آندره گایم متولد 1958 شهر سوچی روسیه اهل هلند است که هر دو تابعیت انگلیسی هم دارند.

گرافین ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد کربنی به ضخامت یک اتم می‌باشد. گرافین به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های 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 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 و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می‌نامند.

گرافین خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد.

روشهای ساخت گرافین

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 و ساخت باامواج ماکرویو نیز اخیراً بکاربرده شده‌اند. از نمک و فراصوت هم برای تولیدگرافین می توان استفاده کرد.

در سال ۱۹۷۵ میلادی گروه Lang برای اولین بار گرافیت کم لایه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش CVD تولید کردند.

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.

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.

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.

 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. روش مذکور بوسیله شرکت سرمایه‌گذاری کمبریج در حال تجاری شدن است.

بزرگترین گرافن ساخته شده

مشخص است که گرافن تنها به نانو مربوط نمی‌شود، همچنین نباید این دو واژه را طوری به کار برد که گویی مثابه هم می‌باشند. تا کنون گرافن به صورت دو بعدی با طول ۱۰۰ متر و عرض ۲۳ سانتیمتر توسط شرکت sony ساخته شده است. همچنین ورق‌های گرافن بااندازهٔ کمتر از ۲۰ نانومتر از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدارند، چون حداقل پایداری گرافن 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.

محدودیت‌های گرافن

ضخامت گرافن یک لایه اتم کربن است که دارای پتانسیل بالقوه‌ای برای جایگزینی با سیلیکون می‌باشد که پیشرفت جامعهٔ آینده به آن مدیون خواهد بود.

باوجود اینکه دارای مشخصات بالقوه‌ای همچون قدرت و وزن سبک و انعطاف‌پذیری و هدایت بالایی هستند اما محدودیت‌های این ماده به نوعی مانع استفاده آن‌ها در میکروپردازنده‌ها و وسایل الکترونیکی می‌باشد.

اینکه گرافن چگونه در دستگاه‌هایی در جهان واقعی به کار رود و دوم اینکه ورق‌های گرافن ماهیت شکننده‌ای دارند که این ناشی از اتصالات ضعیف آن‌ها می‌باشد.

اگر هدایت حرارتی گرافن را به عنوان فاکتور مثبتی برای این ماده در نظر بگیریم، نباید از این نکته غافل شویم که هدایت حرارتی گرافن معلق بسیار بیشتر از گرافن بر روی بستر است، حال آنکه همین هدایت حرارتی باعث می‌شود که حرارت توزیع شده و یک نقطهٔ داغ بوجود نیاید؛ و افسوس اینکه گرافن در جهان واقعی باید بر روی یک بستر قرار بگیرد ونه اینکه آزادانه و معلق در خلأ باشد. یعنی وقتی وسیله‌ای ساخته می‌شود حتماً باید بر روی بستر قرار گیرد اما این منجر به کاهش شدید هدایت حرارتی گرافن می‌شود. همچنین هدایت حرارتی با رشد تعداد لایه‌های گرافنی و رسیدن به ۳۴ لایه افزایش می‌یابد (که ضخامت بسیار کمی است) اما پس از اینکه به حالتی به نام تودهٔ گرافیت می‌رسیم، هدایت حرارتی خوب نیست. تلاش‌های بسیاری صورت گرفته است تا راه‌های جدیدی کشف شود تا بتوان گرافن را در جهان ماکروسکوپیک به کار برد.

اتصالات سه بعدی ساختار فوم گرافن و گرافیت فوق‌العاده نازک و یا استفاده از بورون نیترید هگزاگونال همه در این راستا کشف شدند. ژرمانن دیگر مادهٔ سه بعدی است که برای استفاده در الکترونیک یا وسایل تبدیل انرژی حرارتی می‌تواند به کار رود.

گرافن همچنین دارای محدودیت‌های دیگری در جهان واقعی می‌باشد، می‌دانیم پیوندهای بین اتم‌های کربن قوی‌ترین پیوندها در طبیعت می‌باشد، پس ورق بدون نقصی از گرافن باید دارای این خاصیت باشد، اما در کاربردهای واقعی، گرافن این طور نیست. آزمایشی که بر روی تافنِس شکست گرافن دارای نقص جزئی صورت گرفت مقدار استحکام آن به طور قابل ملاحظه‌ای از استحکام گرافن ذاتی پایین‌تر بود؛ لذا درست است که استحکام گرافن ذاتی بسیار بالاست، اما وقتی گرافن دارای نقص باشد، دیگر پیوندهای بین اتم‌های کربن، قوی‌ترین نمی‌باشد. می‌دانیم در ورق‌های بزرگتر، همیشه نقص‌ها افزایش می‌یابد پس گرافن در جهان ماکرو استحکام بسیار پایینی خواهد داشت؛ لذا تولید ورق گرافن با استانداردهای دقیق و بدون نقص بسیار اهمیت دارد.

ساختارهای دوبعدی دیگری همچون گرافن (ساختار لانه زنبوری SP2) وجود دارد که از آن جمله می‌توان به ۱- سیلیسین ۲- بروفن ۳- فسفورن ۴- استنن ۵- ژرمانن ۶- گرافین (محتوی SP+SP2 هیبریدیزه شده) اشاره کرد.

اما این ساختارهای دو بعدی همه به جز گرافین ناپایدارند یا پتنت ثبت شده برای آن‌ها بسیار کم است طوری که اعتمادی به این ساختارها وجود ندارد. با توجه به اینکه از اولین ترانزیستورهای با گیت بالا چیزی نگذشته است و این زمان کوتاه و همچنین اینکه همهٔ جانشینان احتمالی با جریان اصلی در ترانزیستورهای معمولی با مشکلات جدی روبه رو هستند، لذا می‌شود به توسعهٔ سریع گرافن کمک کرد.

مفاهیم جدیدی که در این سال‌ها بررسی شده، همچون ترانزیستورهای اسپینی یا وسایل مولکولی، به نظر می‌رسد که به دور از واقعیت نسبت به گرافن باشد و معلوم نیست که به مرحلهٔ تولید برسند. در حال حاضر جایگزین ترانزیستورهای معمولی (سیلیکونی) غیرممکن است. با این حال تحقیقات ITRS به شدت به مطالعهٔ گستردهٔ در زمینهٔ گرافن توصیه می‌کند و حتی برنامهٔ تحقیق و توسعه برای نانوالکترونیک بر پایهٔ کربن شکل گرفته است؛ لذا راه برای اینکه گرافن به عنوان جایگزین قرار گیرد باز است. امابرای هیجان زده شدن در این مورد زمان زیادی لازم است.

نمایشگاه مجازی فارس به شما توصیه می کند تا در صورت علاقه به مطالعه بر روی نانوتکولوژی و بخصوص نانوکربن بپردازید، اگر طرحی دارید که می تواند درآمدزا باشد و نیاز به سرمایه دارید، با نمایشگاه مجازی فارس تماس بگیرید تا بر روی کار شما سرمایه گذاری انجام بگیرد. این سرمایه شخصی است.

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmail

ترجمه، خلاصه نویسی، تالیف و ویرایش: بابک راستی

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmail

جواب/کامنت/نظر “گرافین”

  1. […] گرافن و گرافین در نمایشگاه مجازی فارس گرافین ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد کربنی به ضخامتطول پیوند کربن کربن در گرافین در حدود ۰۱۴۲ نانومتر است با توجه به اینکه از اولین ترانزیستورهای با گیت بالا چیزی […]

Leave a Reply

نمایشگاه مجازی فارس، ارایه دهنده محتوای فاخر فارسی، مقالات مفید و گلچین شده از سراسر وب
+98-936-917-5733