باند گپ در گرافن چیست؟ - ایران گرافن

باند گپ یا شکاف نواری یک مفهوم مهم در زمینه فیزیک حالت جامد و مواد نیمه هادی است. به تفاوت انرژی بین باند ظرفیت (بالاترین نوار ارزی حاوی الکترون ها در حالت پایه) و نوار رسانایی (کمترین نوار انرژی که در آن الکترون ها می توانند آزادانه حرکت کنند و الکتریسته را هدایت کنند) اشاره دارد.

در ماده ای با باند گپ وسیع، تفاوت انرژی قابل توجهی بین باند ظرفیت و رسانایی وجود دارد. این بدان معناست که الکترون ها برای انتقال از باند ظرفیت به نوار رسانایی به مقدار نسبتا زیادی انرژی نیاز دارند و این ماده را به یک عایق خوب تبدیل می کنند. نمونه هایی از مواد باند وسیع شامل سرامیک هایی مانند آلومینا (Al₂O₃) و الماس است.

از سوی دیگر در ماده ای با فاصله باند کم یا صفر، نوارهای ظرفیت و رسانایی همپوشانی دارند یا اختلاف انرژی بین آن ها بسیار کم است. این اجازه می دهد تا الکترون ها به راحتی از باند ظرفیت به نوار رسانایی با حداقل انرژی ورودی حرکت کنند و ماده را به یک رسانا یا نیمه هادی تبدیل کنند. مواد نیمه هادی مانند سیلیکون (Si) و آرسنید گالیم (GaAs) دارای شکاف نواری باریکی هستند و هدایت الکتریکی آن ها را می توان با وارد کردن ناخالصی ها یا اعمال میدان الکتریکی خارجی اصلاح کرد.

وجود یا عدم وجود شکاف نواری در یک ماده پیامدهای قابل توجهی برای خواص الکتریکی و نوری آن دارد. مواد با باند گپ وسیع معمولا عایق هستند، در حالی که مواد با شکاف نواری باریک می توانند مانند نیمه هادی ها یا هادی ها رفتار کنند.

باند گپ در گرافن

گرافن یک لایه منفرد از اتم های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری دو بعدی قرار گرفته است. دارای ویژگی های منحصر به فردی مانند تحرک بالای الکترون و استحکام مکانیکی استثنایی است. گرافن در شکل بکر خود، شکاف نواری ندارد. نوارهای ظرفیت و رسانایی در گرافن در نقاط دیراک لمس می شوند و در نتیجه شکاف نواری ضفر ایجاد می شود. این ویژگی گرافن به عنوان یک نیمه هادی یا نیمه فلزی با شکاف صفر، یک ویژگی کلیدی است که آن را از نیمه هادی های سنتی متمایز می کند.

عدم وجود باند گپ در گرافن بکر امکان هدایت الکتریکی قابل توجه و خواص الکترونیکی منحصر به فرد آن را فراهم می کند. با این حال، کاربرد مستقیم آن را در برخی دستگاه های الکترونیکی که برای عملکردشان به یک شکاف نواری تعریف شده متکی هستند، مانند ترازیستورها نیز محدود می کند.

با ایجاد یک شباند گپ در گرافن، می توان جریان الکترون ها را کنترل کرد و وسایلی مانند ترانزیستورها را که اجزای ضروری الکترونیک مدرن هستند ایجاد کرد. این امکان های هیجان انگیز را برای فناوری های مبتنی بر گرافن، مانند دستگاه های الکترونیکی سریع تر و کارآمدتر، نمایشگرهای انعطاف پذیر و شفاف و حتی حسگرهای پیشرفته و دستگاه های فتوولتائیک باز می کند.

ایجاد باند گپ در گرافن

عدم وجود باند گپ در گرافن می تواند چالش هایی را در مورد کاربردهای الکترونیکی ایجاد کند. با این حال، محققان راه هایی را برای اصلاح گرافن برای معرفی شکاف نواری بررسی کرده اند. روش هایی که برای ایجاد شکاف نواری در گرافن استفاده شده است عبارت است از:

1. عامل دار کردن شیمیایی: با معرفی گروه های عاملی شیمیایی بر روی سطح گرافن، ساختار نوار را می توان تغییر داد و منجر به ایجاد شکاف نواری شد. این را می توان از طریق فرآیندهایی مانند عامل دار کردن کوالانسی، که در آن مولکول هایی خاص به شبکه گرافن متصل می شوند، یا از طریق عامل دارسازی غیرکوالانسی، که در آن مولکول ها بر روی سطح گرافن جذب می شوند، به دست آمد.
2. دوپینگ: وارد کردن اتم های ناخالص به شبکه گرافن نیز می تواند باعث ایجاد شکاف نواری شود. این کار را می توان با جایگزینی اتم های کربن یا اتم های ناخالصی مانند نیتروژن، بور یا فسفر انجام داد که دارای پیکربندی های متفاوتی هستند و می توانند خواص الکترونیکی گرافن را تغییر دهند.
3. مهندسی کرنش: اعمال کرنش مکانیکی بر گرافن می تواند خواص الکترونیکی آن را تغییر دهد، از جمله ایجاد شکاف نواری. کرنش می تواند با روش های مختلفی مانند خم کردن یا کشش ورقه های گرافن یا رشد گرافن روی بسترهایی با ثابت های شبکه متفاوت ایجاد شود.
4. محصور شدن کوانتومی: کاهش اندازه گرافن به ابعاد نانو نیز می تواند منجر به ایجاد باند گپ شود. این را می توان با الگوبرداری از گرافن به صورت نانوروبان ها یا نقاط کوانتومی به دست آورد، جایی که اثر محصور شدن کوانتومی ساختار الکترونیکی را تغییر می دهد و یک شکاف نواری ایجاد می کند.
5. گیتینگ میدان الکتریکی: با اعمال میدان الکتریکی خارجی به گرافن، می توان خواص الکترونیکی آن را تعدیل کرد و یک شکاف نواری را القا کرد. این کار را می توان با استفاده از یک الکترود ورودی که در مجاورت ورقه گرافن قرار داده شده است، انجام داد که امکان کنترل بر غلظت حامل و ساختار نوار را فراهم می کند.

این روش ها رویکردهای مختلفی را برای تنظیم خواص الکترونیکی گرافن ارائه می کنند و آن را برای کاربردهای مختلف در الکترونیک و اپتوالکترونیک مناسب می کند.

کاربردهای گرافن با شکاف نوار

با ایجاد شکاف نواری در گرافن پتانسیل آن ها برای کاربردهای مختلف افزایش می یابد. در ادامه چند نمونه از کاربردهای آن آورده شده است:

1. الکترونیک: با ایجاد یک شکاف نواری در گرافن می تواند از آن ها در ترانزیستورهای مقیاس نانو و سایر وسایل الکترونیکی استفاده کرد. شکاف نواری امکان کنترل بهتر جریان را فراهم می کند و ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن را قادر می سازد که می توانند روشن و خاموش شوند و منجر به الکترونیک سریع تر شوند.
2. اپتوالکترونیک: با یک شکاف نواری، گرافن برای دستگاه های نوری الکترونیکی مانند آشکارسازهای نوری، سلول های خورشیدی و دیودهای ساطع نور (LED) مناسب می شود. شکاف نواری به کنترل جذب و گسیل نور کمک می کند و امکان تشخیص کارآمد نور، تبدیل انرژی و انتشار نور را فراهم می کند.
3. حسگرها: ایجاد شکاف در گرافن می تواند حساسیت آن را به عنوان یک حسگر افزایش دهد. با اصلاح انتخابی شکاف نواری، حسگرهای مبتنی بر گرافن را می توان برای تشخیص مواد مختلف مانند گازها، موادشیمیایی، مولکول های زیستی و حتی مولکول های منفرد با حساسیت و گزینش پذیری بالا طراحی کرد.
4. ذخیره انرژی: گرافن با فاصله باند می تواند در دستگاه ها ذخیره سازی انرژی پیشرفته مانند باتری ها و ابرخازن ها استفاده شود. شکاف نواری به تنظیم فرآیندهای ذخیره شارژ کمک می کند و ظرفیت چنین دستگاه هایی را بهبود می بخشد.
5. ترموالکتریکی: گرافن با شکاف نواری می تواند برای کاربردهای ترموالکتریک استفاده شود، جایی که می تواند گرمای اتلاف را به الکتریسته تبدیل کند. شکاف نواری امکان کنترل بهتر حامل های بار را فراهم می کند و کارایی ترموالکتریک دستگاه های مبتنی بر گرافن را بهبود می بخشد.

تحقیقات در حال انجام در این زمینه با هدف توسعه روش های مقیاس پذیر، قابل اعتماد و مقرون به صرفه برای معرفی شکاف نواری در گرافن با حفظ خواص آن قابل توجه است. در حالی که پیشرفت هایی حاصل شده است، هنوز چالش هایی وجود دارد که باید از نظر مقیاس پذیری و دوام تجاری برآن ها غلبه کرد. با این حال، برنامه های کاربردی بالقوه امیدوارکننده هستند و می توانند در آینده زمینه های مختلف را متحول کنند.

منبع:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/ra/c2ra22664b

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn401948e