تفاوت گرافن تک لایه و چند لایه - ایران گرافن

در این قسمت به تفاوت های گرافن تک لایه و چند لایه خواهیم پرداخت

عنصر کربن به دلیل اشکال آلوتروپیک آن واقعاً جذاب است. آلوتروپ های آن مانند گرافیت نرم و به سختی الماس است. گرافیت یک ساختار سه بعدی است که از روی هم قرار گرفتن چندین لایه به ضخامت یک اتم تشکیل شده است. دارای اتم های کربن هیبرید شده قوی sp2 است که در یک شبکه شش ضلعی چیده شده اند. این ساختار کریستالی ضخیم دو بعدی تک اتمی از یک صفحه اتمی گرافیت تشکیل شده است و “گرافن” نامیده می شود.

اخیراً، گرافن، آلوتروپ کربن، به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خوبش به موضوع داغ تحقیقات تبدیل شده است. هنگامی که گرافن روی هم قرار می گیرد، انواع مختلفی از گرافن را تشکیل می دهد، مانند گرافن تک لایه، گرافن اندک لایه (کمتر از 5 لایه) و گرافن چند لایه (کمتر از 10 لایه). خواص گرافن به تعداد لایه های روی هم بستگی دارد. برای مثال، گرافن تک لایه خواص بهتری نسبت به گرافن اندک لایه و گرافن چند لایه دارد.

دانشمندان وجود نظری گرافن تک لایه را بیش از 80 سال پیش توصیف کردند. ولی وجود عملی گرافن دو بعدی از نظر فیزیکی غیرممکن در نظر گرفته شد. با این حال، در سال 2004، آندری گایم و کنستانتین نووسلوف گرافن تک ورقه ای را با روش نوار چسب جدا کردن و خواص آن را به صورت تجربی نشان دادند. این اولین باری بود که محققان از خواص قابل توجه گرافن مطلع شدند. از آن زمان، افزایش نمایی در مطالعات مواد مبتنی بر گرافن برای تعیین کاربردهای مختلف خواص آنها، مانند کاربردهای زیست پزشکی صورت گرفته است.

با توجه به ویژگی های تخصصی مواد مبتنی بر گرافن، مواد با کارایی بالا با موفقیت تولید شدند. با این حال، دستیابی به این سطوح عملکرد بالا شامل چالش

های مختلفی است، به ویژه در رابطه با گرافن تک لایه. یکی از این چالش ها، سنتز گرافن تک لایه یا چند لایه به صورت فله ای با خلوص بالا است که فرآیندی بسیار دشوار است. چالش‌های دیگر شامل جمع‌بندی مجدد گرافن تک لایه در گرافن چند لایه است. این بسته بندی مجدد منجر به کاهش عملکرد دستگاه های مبتنی بر گرافن می شود. بنابراین، کنترل اندازه جانبی و حالت‌های تجمع، علاوه بر فرآیند اکسیداسیون گرافن در اکسید گرافن، برای توسعه دستگاه‌های با کارایی بالا مبتنی بر گرافن ضروری است.

سنتز گرافن تک لایه

در سال 2004، برای اولین بار، گایم و نووسلوف روشی برای سنتز گرافن با استفاده از برش میکرومکانیکی به عنوان نوار چسب از طریق لایه برداری مکانیکی توسعه دادند. این برای اولین بار در تاریخ بود که هر دانشمندی به طور تجربی گرافن تک لایه را سنتز کرد. پس از سنتز گرافن تک لایه، این دانشمندان بیشتر خواص برجسته آن را نشان دادند. با این حال، به دلیل ضخامت ناهموار پره‌های گرافن و هزینه‌های بالای تولید آن، روش لایه‌برداری مکانیکی برای تولید انبوه گرافن که ممکن است برای مطالعه دستگاه‌های مبتنی بر گرافن استفاده شود، مناسب نبود.

روش دیگر تولید گرافن تک لایه، روش رسوب شیمیایی بخار است. گرافن تک لایه را می توان به صورت اپیتاکسی روی یک بستر کاربید سیلیکون رشد داد و می توان از آن برای کاربردهای مختلفی مانند ترانزیستور استفاده کرد. اندازه گرافن تک لایه رشد شده به اندازه ویفر سیلیکونی بستگی دارد. سطح ویفر سیلیکونی نیز بر خواص گرافن تک لایه سنتز شده تأثیر می گذارد.

سنتز گرافن چند لایه

راه‌های مختلفی برای غلبه بر این برهم‌کنش‌های ضعیف بین صفحات گرافن موجود در گرافیت وجود دارد که امیدوارکننده‌ترین آنها، فراصوت کردن گرافیت در حلال‌های مختلف است. با این حال، تفاوت بازده گرافن چند لایه و تک لایه در این فرآیند بسیار کم است.

یکی دیگر از استراتژی‌های امیدوارکننده برای به دست آوردن گرافن از گرافیت، اکسید کردن گرافیت با روش‌های مختلف، مانند روش هامر، و کاهش آن از نظر شیمیایی یا حرارتی برای به دست آوردن یک بازده در مقیاس بزرگ است. با این حال، نتایج ردوکس گرافیت به گرافن عمدتاً بازده بالایی از گرافن چند لایه را ارائه می دهد.

یکی دیگر از روش‌های تولید گرافن چند لایه، لایه‌برداری از گرافیت است. انواع مختلفی از مواد شیمیایی را می توان به فضای بین لایه گرافیت وارد کرد و در نتیجه فاصله بین لایه های ورقه های گرافن مجاور در گرافیت را افزایش داد. این پدیده همچنین خواص گرافن را تغییر می دهد، زیرا افزایش فاصله بین لایه ها بر جفت الکترونیکی بین صفحات گرافن مجاور در گرافیت تأثیر می گذارد.

روش دیگر برای لایه برداری گرافیت به گرافن چند لایه، از طریق آسیاب توپی است. این روشی برای لایه برداری گرافیت از طریق لایه برداری مکانیکی است. آسیاب گلوله ای در گذشته به طور گسترده برای کاهش اندازه ذرات یک ماده استفاده شده است.

بنابراین دانشمندان آسیاب گلوله ای را به عنوان راهی برای لایه برداری مکانیکی گرافیت در نانوگرافیت کوچک و افزایش زمان اختلاط برای بدست آوردن گرافن چند لایه پیشنهاد می کنند. بنابراین، آسیاب گلوله ای یک تکنیک امیدوارکننده برای لایه برداری گرافیت به گرافن است. مزیت استفاده از آسیاب گلوله ای برای تولید گرافن، هزینه تولید پایین، جابجایی آسان و توانایی آن در تولید گرافن در مقیاس بزرگ است.

ویژگی های گرافن تک لایه و چند لایه

1. رسانایی الکتریکی بالا: گرافن به دلیل ساختار الکتریکی منحصر به فرد خود، رسانایی الکتریکی بالایی دارد که به الکترون ها اجازه می دهد آزادانه در مواد حرکت کنند.
2. رسانایی حرارتی بالا: گرافن همچنین رسانایی حرارتی بالای دارد، به این معنی که می تواند گرما را به طور موثر منتقل دهد.
3. استحکام بالا: گرافن فوق العاده مقاوم و سفت است و می تواند مقادیر زیادی تنش و کرنش را تحمل کند.
4. سبک وزن: گرافن یکی از سبک ترین مواد شناخته شده است که آن را برای استفاده در کاربردهای سبک وزن ایده آل می کند.
5. شفاف: گرافن در برابر نور مرئی شفاف است و برای کاربردهایی مانند صفحه نمایش لمسی و سلول خورشیدی استفاده می شود.
6. انعطاف پذیر: گرافن بسیار انعطاف پذیر است و می تواند بدون شکستگی خم یا پیچانده شود.
7. پایداری شیمیایی: گرافن از نظر شیمیایی پایدار است و در برابر خوردگی مقاوم است و آن را برای استفاده در محیط های خشن مناسب می کند.
8. زیست سازگار: نشان داده شده است که گرافن با سلول های زنده زیست سازگار است و آن را به یک ماده بالقوه برای کاربردهای زیست پزشکی تبدیل می کند.
9. مساخت سطح بزرگ: گرافن به دلیل ساختار دو بعدی، نسبت به حجمش دارای سطح فوق العاده زیادی است که آن را برای کاربردهایی مانند دستگاه های ذخیره انرژی مفید می کند.
10. خواص الکترونیکی منحصر به فرد: خواص الکترونیکی گرافن منحصر به فرد است و منجر به کشف پدیده های فیزیکی جدیدی مانند اثر کوانتومی هال و تونل زنی کلاین شده است.

گرافن چند لایه نیز ویژگی های ذکر شده را دارا می باشد ولی با گرافن تک لایه کمی متفاوت است. به دلیل وجود جفت بین لایه ای، بین لایه های مجاور مقاومت الکتریکی بالاتری دارد. همچنین به دلیل پراکندگی فوتون ها در سطح مشترک بین لایه ها، رسانایی حرارتی کمتری نسبت به گرافن  تک لایه دارد. علاوه بر این، گرافن چند لایه بسته به تعداد لایه ها و ترتیب انباشتگی آن ها می تواند خواص مغناطیسی از خود نشان دهد.

منبع:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja3014902