ساختار گرافن چگونه است؟ - ایران گرافن

ساختار گرافن

گرافن، طبق تعریف، آلوتروپ کربن به شکل یک شبکه دو بعدی، در مقیاس اتمی و شش ضلعی است که در آن یک اتم هر رأس را با هیبریداسیون sp2 تشکیل می دهد. طول پیوند کربن-کربن حدود 0.142 نانومتر است. سه پیوند σ در هر شبکه با اتصالات قوی وجود دارد که یک ساختار گرافن شش ضلعی پایدار را تشکیل می دهد. رسانایی الکتریکی گرافن بیشتر از پیوند π که به صورت عمودی به صفحه شبکه قرار دارد نسبت داده می شود.

پایداری ساختار گرافن

گرافن به دلیل اتم‌های کربن فشرده آن و هیبریداسیون مداری sp2 است – ترکیبی از اوربیتال‌های s، px و py که پیوند σ را تشکیل می‌دهند. الکترون pz نهایی پیوند π را می سازد. پیوندهای π با هم هیبرید می شوند تا باند π و باند*π را تشکیل دهند. این نوارها مسئول اکثر خواص الکترونیکی قابل توجه گرافن هستند، از طریق نوار نیمه پر که اجازه حرکت آزاد الکترون ها را می دهد. گرافن را می توان به عنوان یک ساختار واحد از گرافیت، CNT و فولرن و همچنین مولکول های معطر با اندازه بی نهایت، مانند هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای بسیار مسطح در نظر گرفت.

به عبارت دیگر، ساختار گرافن از یک لایه منفرد فشرده از اتم‌های کربن تشکیل شده است که یک صفحه شبکه دو بعدی لانه زنبوری را تشکیل می‌دهد. در گرافن تک لایه، اتم‌های کربن با هیبریداسیون sp2 با اتم‌های کربن اطراف پیوند می‌یابند و حلقه‌ای بنزن (بدون اتم های هیدروژن) تشکیل می‌دهند که در آن هر اتم یک الکترون جفت نشده اهدا می‌کند. ضخامت گرافن تنها 0.35 نانومتر است که 1/200000م قطر موی انسان است. با این وجود، ساختار گرافن کاملاً پایدار است.

اتصال بین اتم‌های کربن به اندازه‌ای سخت است که نیروی خارجی توسط یک صفحه، شبکه در حال پیچش را تحمل کند تا از پیکربندی مجدد اتم‌ها جلوگیری شود. ساختار گرافن، بصورت محدود، می تواند به عنوان یک نانوروبان وجود داشته باشد، به طوری که یک مانع انرژی در نزدیکی نقطه مرکزی به دلیل حرکت بار جانبی رخ می دهد. چنین مانع انرژی با کاهش عرض نانوروبان افزایش می یابد.

بنابراین، با دستکاری پهنای نانوروبان گرافن، می‌توان سد انرژی را دقیقاً کنترل کرد که یک ویژگی امیدوارکننده برای دستگاه‌های الکترونیکی بالقوه مبتنی بر ساختار گرافن است. علاوه بر این، مانند یک CNT، لبه گرافن را می توان با توجه به زنجیره های کربنی مختلف به صورت زیگزاگ و صندلی دسته دار دسته بندی کرد. تنوع در لبه ها منجر به رفتارهای هدایتی مختلفی می شود. یک نانوروبان گرافن با لبه زیگزاگ معمولاً مانند یک فلز عمل می‌کند در حالی که یک نانوروبان با لبه صندلی دسته دار می‌تواند الکتریسیته را مانند فلز یا نیمه‌رسانا هدایت کند.

ساختار الکترونیکی گرافن

ساختار گرافن در نتیجه خواص الکتریکی آن بسیار عجیب است. با اعمال ولتاژ ورودی یا استفاده از دوپینگ شیمیایی توسط اتم‌ها و مولکول‌های جذب‌شده، می‌توان رسانایی الکترون یا حفره (ناحیه‌ای که الکترون در آن وجود ندارد و به عنوان بار الکتریکی مثبت عمل می‌کند) در گرافن ایجاد کرد که مشابه رسانایی ایجاد شده در نیمه‌رساناها است. با این حال، در بیشتر نیمه هادی ها سطوح انرژی خاصی وجود دارد که در آن الکترون ها و حفره ها حالت های کوانتومی مجاز ندارند و چون الکترون ها و حفره ها نمی توانند این سطوح را اشغال کنند، برای ولتاژهای ورودی خاص و انواع دوپینگ شیمیایی، نیمه هادی به عنوان یک عایق عمل می کند.

از سوی دیگر، ساختار گرافن حالت عایق ندارد و رسانایی در هر دوپینگ، از جمله دوپینگ صفر، محدود می ماند. وجود این حداقل رسانایی برای کیس روکش نشده، تفاوت قابل توجهی بین گرافن و نیمه هادی های معمولی است. حالات الکترون و حفره در گرافن مربوط به انتقال حامل بار مشابه حالات ذرات کوانتومی فوق نسبیتی است – یعنی ذرات کوانتومی که با سرعت نور حرکت می کنند (سرعت نهایی در طبیعت، طبق نظریه نسبیت).

گرافن به عنوان پایه دیگر ساختارهای کربنی

ساختار گرافن می تواند شکل مادر بسیاری از ساختارهای کربنی، مانند گرافیت، نانولوله های کربنی و باکی‌بال‌ها که به آن ها فولرن نیز گفته می شود باشد.

گرافیت یک کریستال سه بعدی است که از روی هم چیده شدن لایه های ساختار گرافن تشکیل می شود. معمولا گرافن هایی با بیش از 30 لایه را گرافیت در نظر می گیرند، اگر چه در حال حاضر استاندارد واضحی وجود ندارد. لایه های گرافن به وسیله پیوند ضعیف واندروالسی به هم متصل شده است، از این رو این نیروهای ضعیف باعث می شوند که لایه ها روی هم بلغزند. این ویژگی باعث می شود که گرافیت به عنوان یک ماده نسبتاً رایج در نوک مداد، باتری و موارد دیگر استفاده شود.

نانولوله کربنی که باکی تیوب نیز نامیده می شود، لوله های توخالی در مقیاس نانو متشکل از اتم های کربن است. مولکول‌های کربن استوانه‌ای دارای نسبت‌های تصویری بالا (مقادیر طول به قطر) معمولاً بالای 10³ ، با قطرهایی از حدود 1 نانومتر تا ده‌ها نانومتر و طول‌ها تا میلی‌متر هستند. نانو لوله ها می توانند یک دیواره خارجی کربنی داشته باشند، یا می توانند از دیواره های متعدد (استوانه ای در داخل استوانه ی کربنی دیگر) ساخته شوند. این ساختار گرافن تک بعدی منحصربه‌فرد و ویژگی‌های همزمان، به نانولوله‌های کربنی ماهیت خاصی می‌بخشد و آن ها را با پتانسیل نامحدود در کاربردهای مرتبط با فناوری نانو می‌سازد. نانولوله های کربنی از خانواده فولرن و دارای ساختار گرافن مانند هستند.

باکی بال ها به نام های فولرن یا باکمینسترفولرن نیز شناخته می شوند. باکی‌بال‌ها اتم‌های کربنی هستند که از طریق پیوندهای کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل هستند. با این حال، اتم‌های کربن به شکلی شبیه به شش‌ضلعی‌ها و پنج‌ضلعی‌ها (ساختار حلقه‌ای جوش‌خورده قفس‌مانند) به یکدیگر متصل می‌شوند این ساختارها شبیه توپ فوتبال هستند، از این رو ساختار کروی یا باکی بال به آن ها گفته می شود و از دگر شکل های ساختار گرافن است.

کلی ترین شکل باکی بال شامل 60 اتم کربن است و به همین دلیل C60 نامیده می شود. اندازه‌های دیگر باکی‌بال‌ها از آن هایی که حاوی 20 اتم کربن هستند تا اندازه‌هایی که حتی بیش از 100 اتم کربن دارند، متفاوت است.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B978012812651600001X

https://www.britannica.com/science/carbon-nanotube