ای بر نانوکامپوزیتهای گرافنی
1-1-1 تاریخچه:
در گرافیت[1] (یکی دیگر از آلوتروپهای کربن)، هر کدام از اتمهای چهارظرفیتی کربن با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده اند و یک شبکه گسترده را تشکیل دادهاند. این لایه خود بر روی لایهای کاملا مشابه قرار گرفتهاست و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند واندروالسی که ضعیفتر از کووالانسی هست تشکیل میدهد. به همین دلیل لایه های گرافیت به راحتی روی هم سر میخورند و میتوانند در نوک مداد بهکار بروند. گرافن مادهای است که در آن تنها یکی از این لایه های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده است.
هرچند نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس[2] درباره گرافن[3] نوشت و از آن زمان تلاش های زیادی برای ساخت آن صورت گرفتهبود اما، قضیه مرمین – وانگر[4] در مکانیک آماری و نظریه میدانهای کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و غیرپایدار میدانست. اما به هر حال در سال 2004، آندره گایم[5] و کنستانتین نووسلف[6]، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین – وانگر نمی تواند کاملا درست باشد. جایزه نوبل فیزیک 2010 نیز به خاطر ساخت مادهای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.
1-1-2 معرفی:
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی میباشد. در گرافن، هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند دادهاست. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با ˚120 است. در این حالت، اتمهای کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکه ای از ششضلعیهای منتظم را ایجاد می کنند (شکل 1-1).
شکل 1-1 ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتمهای کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شدهاند
البته این ایدهآلترین حالت یک صفحهی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر میکند که در آن پنجضلعیها و هفتضلعیهایی نیز ایجاد می شود.
گرافن به علت داشتن خواص فوقالعاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حاملهای بار، رسانندگی اپتیکی [1] و خواص مکانیکی [2] 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 گرافن در حدود 0.142 نانومتر است.
ساختار زیربنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سهبعدی گرافیت را تشکیل می دهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهی بین صفحهای 0.335 نانومتر میباشد. اگر تکلایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانولولهکربنی شبهیکبعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبهصفربعدی را شکل میدهد. لایههای گرافینی از 5 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه و بین 20 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم و یا نانوبلورهای نازک گرافیتی، مینامند. گرافن خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان میدهد [3].
1-1-3 روشهای ساخت گرافن
امروزه روشهای بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می شود که از متداولترین آنها میتوان روشهای لایهبرداری مکانیکی، لایهبرداری شیمیایی، سنتز شیمیایی و رسوب بخار شیمیایی[7] را نام برد. برخی روشهای دیگری همانند شکافتن نانولولههایکربنی [4] و ساخت با امواج ماکرویو [5] نیز اخیرا بکاربرده شده اند. یک نمای کلی از روشهای ساخت گرافن در زیر آمده است:
- از پایین به بالا (از اتم کربن به صفحه گرافن)
- شکافت گرمایی
- رسوب بخار شیمیایی [6]
- پلاسما
از بالا به پایین (از گرافیت به صفحه گرافن)
- لایه برداری مکانیکی [7]
- چسب نواری
- تیزی نوک میکروسکوپ نیروی اتمی[8]
- لایه برداری شیمیایی [8]
- سنتز شیمیایی [9]
- امواج فرا صوتی
- روش شیمیایی
در سال 1975گروه لانگ[9] [10] برای اولین بار گرافیت کملایه روی سطح بلور پلاتین را با بهره گرفتن از روش رسوب بخار شیمیایی تولید کردند.
در سال 1999 گروه لو[10] [11] با بهره گرفتن از تیزی نوک میکروسکوپ نیروی اتمی، لایه برداری مکانیکی را بر روی یک گرافیت پیرولیتی به منظور تهیه گرافن تک لایه انجام دادند. با این وجود، گرافن تکلایه برای اولین بار در سال2004 توسط گروه نووسلف تولید و گزارش شد. آن ها از چسبنواری برای جدا کردن لایه های گرافن از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایههای متنوع گرافن را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز هست. روش لایه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایههای گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بهدست آمده توسط این روش برابر با 10 نانو متر است که تقریبا برابر با 30 لایه گرافن تکلایه 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 بهدست آمده از کاهش هیدروژن است. تولید گرافن توسط این روش یکی از بهترین روشها برای تولید گرافن 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 در یک کوره گرمایی انجام میگیرد آن را روش رسوب بخار شیمیایی گرمایی مینامند. هنگامیکه این روش شامل رشد به کمک پلاسما باشد، روش رسوب بخار شیمیایی 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 گرافن یک لایه تا چند لایه را دارد اما همانندی نمونه های بهدست آمده بسیار پایین است، همچنین ساخت گرافن در ابعاد بزرگ یکی از چالشهای پیش روی این روش است. برای تهیه گرافن 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 گرافن بر روی انواع زیر لایههای با دمای محیط، به ویژه زیرلایههای پلیمری آسانتر شود؛ با این حال، همگنی و یکسانی گرافن تولید شده در ابعاد بزرگ، حاصل از این روش، مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافن از اکسیدهای گرافن کاهش یافته اغلب به علت نقص در فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافن میشود. برآرایی گرافن وگرافیت سازی گرمایی بر روی سطح کربیدسیلسیوم از دیگر روشهای تولید گرافن هستند اما دمای بالای این فرایندها و عدم توانایی انتقال بر روی سایر زیر لایهها از محدودیتهای این روشها هستند.
1-1-4 خواص:
- ساختار الکترونیکی:
گرافن با سایر مواد متداول سهبعدی متفاوت است. گرافن طبیعی یک نیمهفلز یا یک نیمهرسانا با حفره نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافن اولین قدم برای یافتن ساختار نواری گرافیت است. اولین بار خیلی قبلتر در سال 1947 والاس متوجه خطی بودن رابطه انرژی و عدد موج کریستال در نزدیکی ششگوشهی منظقهی بریلوئن ششضلعی دوبعدی گرافن برای انرژیهای پایین، که منجر به جرم مؤثر صفر برای الکترونها و حفرهها می شود، شد. به خاطر این رابطه پاشندگی خطی در انرژیهای پایین، الکترونها و حفرهها در نزدیکی این شش نقطه، که دو تا از آنها غیر یکسان هستند، همانند ذرات نسبیتیای که با معادله دیراک برای ذرات با اسپین نیمصحیح توصیف می شوند، رفتار می کنند. به همین خاطر به این الکترونها و حفرهها فرمیونهای دیراک و به آن شش نقطه، نقاط دیراک گفته می شود.
محاسبات نشان میدهد که گرافن در جهت گیری زیگزاگی همواره فلز است.
شکل 1-2) جهتگیری زیگزاگی گرافن
همچنین محاسبات نشان میدهد که گرافن در جهتگیری دستهصندلی، بسته به عرض لایه، می تواند فلز و یا نیمهرسانا باشد.
شکل 1-2) جهتگیری دستهصندلی گرافن
- ترابرد الکترونی:
در فیزیک تحرکپذیری الکترون یا به طور خلاصه تحرکپذیری کمیتی است که به کمک آن میتوان سرعت رانش الکترون را در میدان الکتریکی که به آن اعمال شده، محاسبه کرد.
این مفهوم با عنوان عمومیتر تحرکپذیری الکتریکی برای هر نوع بار الکتریکی که در یک سیال و تحت میدان الکتریکی قرار دارد تعریف میشود. در مواد نیمهرسانا علاوه بر تحرکپذیری الکترونها، تحرکپذیری حفره نیز قابل اندازه گیری است. تحرکپذیری معمولا به میدان الکتریکی اعمال شده وابستهاست و با افزایش دما افزایش مییابد.
نتایج تجربی از اندازه گیریهای ترابرد الکترونی نشان می دهند که گرافن دارای تحرکپذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق میباشد، با مقادیر گزارش شدهای بالاتر از 15,000. همچنین تقارن اندازه گیریهای تجربی رسانندگی نشان میدهد که تحرکپذیری برای الکترونها و حفرهها باید یکسان باشد. در بازهی دمایی بین K10 تا K100، تحرکپذیری تقریبا به دما وابسته نیست، که بیان کننده این امر است که مکانیزم قالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی توسط فونونهای آکوستیک گرافن موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرکپذیری در دمای اتاق در حد 200,000 برای چگالی حامل 1012 می شود. مقاومت متناظر ورقههای گرافن در حد 6-10 خواهد بود. این مقاومت از مقاومت نقره، ماده ی شناخته شده به عنوان دارندهی کمترین مقاومت در دمای اتاق، کمتر است.
خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافن، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تکلایهی اتمی با یک مقدار سادهی شگفت انگیز شده است، یک تک لایهی گرافن πα ≈ 2.3% از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می کند که در آن α ثابت ساختار ریز شبکه می باشد. این امر نتیجه ساختار الکترونیکی کم انرژی غیر معمول گرافن تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره ای گرافن می دهد تا آنها در نقاط دیراک به هم برسند، که به طور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشردهی مرتبهی دو معمول متفاوت است. بر مبنای مدل از ساختار نواری گرافن، فواصل بین اتمی، مقادیر پرش و فرکانس به هنگام محاسبهی رسانندگی اپتیکی با بهره گرفتن از معادلات فرنل در حد لایه های نازک از بین می رود. این امر به صورت تجربی تأیید شده ولی هنوز مقادیر اندازه گیری شده به اندازه کافی برای محاسبهی ثابت ساختار ریز دقیق نبوده است. میتوان حفره نوار انرژی گرافن را از صفر تا eV 0.25 (در حدود طول موج پنج میکرومتر) به وسیله اعمال ولتاژ در دمای اتاق به یک ترانزیستور اثر میدان دو دروازه ای ساخته شده از یک گرافن دو لایه ای، تنظیم نمود. همچنین نشان داده شده است که پاسخ اپتیکی نانو نوارهای گرافنی نیز در ناحیهی تراهرتز به وسیله ی اعمال یک میدان مغناطیسی قابل تنظیم است. علاوه بر این نشان داده شده است که سیستم های گرافن ـ گرافن اکسید از خود رفتار الکتروکرومیک بروز میدهند، که اجازه می دهند هم خواص اپتیکی خطی و هم خواص اپتیکی فوق سریع را تنظیم نمود.
- برخی خواص دیگر:
از دیگر خواص گرافن میتوان به نشتناپذیر بودن، بیشترین قابلیت کشش در بین مواد تاکنون شناخته شده و رسانایی حرارتی بالا اشاره کرد. [13،12]
فرم در حال بارگذاری ...