شیمی سرا

"دلهایی که روی آنها کلمه تقوی و محبت نوشته شده به هرجایی که بخواهند پرواز می کنند "

 گرافین  Graphene


ساختار و خواص گرافین :

یکی دیگراز آلوتروپ ها  یا دگرشکل های کربن است. ساختار گرافین بصورت صفحه ای به ضخامت یک اتم است که در آن اتم های کربن بصورت شبکه ای شش ضلعی قرار گرفته اند و یک ساختار دو بعدی ایجاد کرده اند .


در این ساختار هر اتم کربن با سه پیوند به سه کربن دیگر متصل است و چهارمین الکترون پیوندی کربن به صورت الکترون آزاد باقی می ماند. لایه‌های گرافینی از 5 تا 10 لایه را به نام گرافین کم لایه و بین 20 تا 30 لایه را به نام گرافین چند لایه ، گرافین ضخیم و یا نانو بلور های نازک گرافیتی، می‌نامند. گرافین خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد . این ماده در سال 2004 توسط آندره گایم و کنستانتین نووسلف و گروه تحقیقاتیشان از دانشگاه منچستر با ورقه ورقه کردن گرافیت با روشی خاص ساخته شد و جایزه نوبل فیزیک سال 2010 نیز به خاطر "آزمایشات و تحقیقات پیشگامانه در خصوص ماده دوبعدی گرافین" به این دو تعلق گرفت.

هر چند نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس دربارهٔ گرافین نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هایِ زیادی برایِ ساختِ آن صورت گرفته بود اما 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 به هر حال در سال  2004، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساختِ این ماده شدند  و نشان دادند که قضیهٔ مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد.  
در طول
چند سالِ گذشته، دانشمندان کشف کرده‌اند که گرافین ویژگی‌هایِ منحصربه‌فرد و عجیبی دارد. بعضی‌ها می‌گویند که این ماده می‌تواند زندگیِ ما را در قرنِ21 متحوّل کند.


گرافين سخت‌ترين و نازک‌ترين ماده‌اي است که بشر تاکنون به‌آن دست يافته‌‌است. اين ماده با وجود اين‌که ساختار متراکمي دارد، به علت ضخامت بسيار اندکش که برابر با ضخامت يک اتم کربن است، نور را از خود عبور مي‌دهد و از شفافيت 97,3 درصد برخوردار است؛ همچنين آساني تهيه و رسانا بودن اين ماده و قابليت آن در عبور دادن گرما و جريان الکتريسيته آن‌را به گزينه‌ای جديد براي استفاده در پنل‌هاي نوری و کامپيوترها تبديل کرده‌است . تحمل این ماده در برابر فشاری که موجب از هم گسیختگی شود 200 تا 300 برابر فولاد است. گرافین بسیار سبک و انعطاف پذیر است با این ویژگی ها بی جهت نیست که گرافین را یک ابَر ماده می نامند و پیش بینی می شود که این ماده در آینده انقلابی را در صنعت الکترونیک پدید آورده . این ماده جایگزین سیلیکون در محصولات الکترونیکی محسوب می شود . گرافین دارای چندین ویژگی است که آنرا برای کاربرد های الکترونیک مطلوب میسازد. یکی از این خواص قابلیت حرکت بسیار بالای حاملهای بار در آن است. الکترونها در گرافین نسبتا آزادانه حرکت میکنند. همچنین گرافین به یک تک مولکول گاز میتواند واکنش نشان بدهد و در نتیجه برای ساخت ماده ردیاب در سنسورها از جذابیت زیادی برخوردار است.

 

 برخی از کاربردهایِ گرافین می‌تواند مواردِ زیر باشد:

  • استفاده شدن به‌جایِ فیبرهایِ کربن در کامپوزیت‌ها که نتیجتاً باعثِ ایجادِ هواپیماها و ماهواره‌هایِ سبک‌تر گردد.
  • استفاده شدن به‌جایِ سیلیکون‌هایِ نیمه‌رسانا در ترانزیستورها.
  • جاسازی کردنِ گرافین در پلاستیک که می‌تواند پلاستیکِ مذکور را رسانا کند.
  • امکانِ بالابردنِ دوامِ باتری‌ها با استفاده از غبارِ گرافینی.
  • کاربرد در الکترونیکِ نوری.
  • ایجادِ پلاستیک‌هایی سخت‌تر، مستحکم‌تر و سبک‌تر.
  • کاربرد به‌عنوانِ پوششِ شفافِ رسانا برایِ سلول‌هایِ خورشیدی و نمایشگرها.
  • ایجادِ توربین‌هایِ بادیِ کارآمدتر.
  • ایجادِ ایمپلنت‌هایِ مستحکم‌تر (پزشکی).
  • کاربرد در تجهیزاتِ ورزشی.
  • ایجادِ ابرخازن‌ها.
  • کاربرد برایِ پیشرفتِ صفحاتِ لمسی.
  • کاربرد در LCDها.
  • کاربرد در OLEDها.
  • امکانِ ایجادِ شیوه‌یِ جدیدی در ترتیب‌گذاریِ DNAها به‌وسیله‌یِ ایجادِ نانو-شکافی در گرافین.

روشهای ساخت گرافین:

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  و ساخت باامواج ماکرویو  نیز اخیرا بکاربرده شده‌اند. یک نمای کلی از روش‌های ساخت گرافین در زیر آمده ‌‌است:

  • روش های ساخت گرافین
    • از پایین به بالا
      • رشد برآیایی
      • شکافت گرمایی
      • CVD  
        •  پلاسما
        • گرمایی
    • از بالا به پایین
      • لایه برداری مکانیکی
        • چسب نواری
        • Atomic Force Microscopy Tips
      • لایه برداری شیمیایی
      • سنتز شیمیایی
        • با امواج فرا صوتی
        • روش شیمیایی

در سال 1975گروه Lang برای اولین بار گرافیت کم لایه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش CVD تولید کردند در سال 1999 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 سال2004 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 10 نانو متر است که تقریبا برابر با 30 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 نمونه های 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 گسترده‌ی 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.

اختراع روشی برای تولید ورقه های گرافین با کیفیت بالا:

روش های کنونی منفرد کردن گرافین هر یک مشکلاتی به همراه دارد. معمولترین این روشها تقسیم مکانیکی است (یعنی جدا کردن ورقه ها از یک کریستال بزرگتر)، اما این روش نمیتواند به گونه ای قابل اعتماد نمونه های گرافین به اندازه کافی بزرگ برای کاربرد را تولید کند.

روش دیگر که در آن ساختار اتمی یک زیر لایه بعنوان بذری برای رشد گرافین مورد استفاده قرار میگیرد و به رشد همبافته (epitaxial growth) نیز مشهور است، نمونه ای با ضخامت یکنواخت از لایه های گرافین تولید نمیکند در حالی که پیوند بین لایه عمقی گرافین و زیر لایه ممکن است روی خواص لایه های کربن تاثیر گذار باشد.

گروه آزمایشگاه Brookhaven تکنیک خود را بر اساس این  روش دوم پایه گذاری کرده اند، با این تفاوت که توانستند گرافین را با یک روش لایه به لایه کنترل شده رشد دهند.

زیر لایه انتخابی آنها یک ماده نادر به اسم روتنیم (ruthenium )است و در حالی که لایه عمقی گرافین به طور قوی در حال برهمکنش با زیر لایه یعنی روتنیم است،اما لایه بالاتر اغلب بطور کامل جدا شده است و تنها بصورتی ضعیف از نظر الکتریکی با آن جفت شده و بیشتر شبیه یک گرافین ساده رفتار میکند.

Peter Sutter فیزیکدان آزمایشگاه Brookhaven که رهبری اینکار به عهده اوست میگوید :

" این لایه دوم ساختار الکترونی ذاتی گرافین را حفظ میکند. بنابراین احتمالا این یافته ها روشی مطلوب را برای ساخت معقولانه گرافین و خلق با کیفیت آن برای کاربرد تجهیزات الکترونیکی و سنسورها ارائه میکند. "

[ دوشنبه شانزدهم مرداد 1391 ] [ 14:51 ] [ فریده مولایی ]

[ ]



مجله اینترنتی دانستنی ها ، عکس عاشقانه جدید ، اس ام اس های عاشقانه