• فارسی
  • English
  • Türkçe

گرافن چیست؟ - ایران گرافن

گرافن چیست؟

گرافن چیست؟

گرافن، شکل دوبعدی کربن کریستالی، یا تک لایه ای از اتم های کربن که یک شبکه لانه زنبوری (شش ضلعی) یا چندین لایه جفت شده از این ساختار لانه زنبوری را تشکیل می دهد. کلمه گرافن، زمانی که بدون مشخص کردن شکل استفاده می شود (به عنوان مثال، گرافن دولایه، گرافن چند لایه)، معمولاً به گرافن تک لایه اشاره دارد.

گرافن شکل اصلی تمام ساختارهای گرافیتی کربن است: گرافیت، که یک کریستال سه بعدی است که از لایه‌های گرافن نسبتا ضعیفی تشکیل شده است. نانولوله هایی که ممکن است به صورت طومارهای گرافن نمایش داده شوند. و باکی بال ها، مولکول های کروی ساخته شده از گرافن با حلقه های شش ضلعی که با حلقه های پنج ضلعی جایگزین شده اند.

گرافن

اولین مطالعات در مورد گرافن

مطالعه نظری گرافن در سال 1947 توسط فیزیکدان فیلیپ آر. والاس به عنوان اولین گام برای درک ساختار الکترونیکی گرافیت آغاز شد. اصطلاح گرافن توسط شیمیدانان هانس پیتر بوهم، رالف ستتون و ابرهارد استامپ در سال 1986 به عنوان ترکیبی از کلمه گرافیت معرفی شد که به کربن در شکل کریستالی مرتب آن و پسوند ene – اشاره دارد که به هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای اشاره دارد. اتم های کربن ساختارهای حلقوی شش ضلعی یا شش وجهی را تشکیل می دهند.

در سال 2004، فیزیکدانان دانشگاه منچستر، کنستانتین نووسلوف و آندره گیم و همکارانش ، گرافن تک لایه را با استفاده از یک روش بسیار ساده لایه برداری از گرافیت، جدا کردند. “روش نوار چسب” آنها از نوار چسب برای برداشتن لایه‌های بالایی از نمونه‌ای از گرافیت و سپس اعمال لایه‌ها روی یک ماده بستر استفاده می‌کرد. وقتی نوار برداشته شد، مقداری گرافن به صورت تک لایه روی بستر باقی ماند. در واقع، استخراج گرافن به خودی خود کار دشواری نیست.

گرافن

هر بار که شخصی با مداد روی کاغذ نقاشی می‌کشد، رد مداد حاوی بخش کوچکی از گرافن تک لایه و چند لایه است. دستاورد گروه منچستر نه تنها جداسازی تکه های گرافن بلکه مطالعه خواص فیزیکی آنها بود. آنها به طور خاص نشان دادند که الکترون‌های موجود در گرافن تحرک بسیار بالایی دارند، به این معنی که گرافن احتمالاً می‌تواند در کاربردهای الکترونیکی استفاده شود. در سال 2010 گیم و نووسلوف به خاطر کارشان جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.

در اولین آزمایش‌ها، بستر گرافن به طور طبیعی توسط یک لایه شفاف نازک از دی اکسید سیلیکون پوشیده شده بود. مشخص شد که گرافن تک لایه یک کنتراست نوری با دی اکسید سیلیکون ایجاد می کند که به اندازه کافی قوی بود تا گرافن را زیر یک میکروسکوپ نوری استاندارد قابل مشاهده کند. این دید دو دلیل دارد. اول، الکترون‌های گرافن به شدت با فوتون‌های فرکانس‌های نور مرئی برهم‌کنش می‌کنند و حدود 2.3 درصد از شدت نور را در هر لایه اتمی جذب می‌کنند.

دوم، کنتراست نوری به شدت توسط پدیده های تداخلی در لایه دی اکسید سیلیکون افزایش می یابد. اینها همان پدیده هایی هستند که رنگ های رنگین کمانی را در لایه های نازک مانند فیلم صابون یا روغن روی آب ایجاد می کنند.

گرافن

ساختار الکترونیکی گرافن چیست؟

ساختار الکترونیکی اصلی گرافن و 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 اکثر 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.

 گرافن

از سوی دیگر، 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).

شبکه لانه زنبوری گرافن در واقع از دو زیرشبکه به نام های A و B تشکیل شده است، به طوری که هر اتم در زیرشبکه A توسط سه اتم زیرشبکه B احاطه شده است و بالعکس. این آرایش هندسی ساده منجر به این می‌شود که الکترون‌ها و حفره‌های گرافن دارای درجه آزادی درونی غیرعادی هستند که معمولاً به آن شبه اسپین می‌گویند. در واقع، برای کامل‌تر کردن قیاس، شبه اسپین از اسپین یا تکانه زاویه‌ای داخلی ذرات زیراتمی تقلید می‌کند.

در این قیاس، الکترون‌ها و حفره‌های گرافن همان نقشی را ایفا می‌کنند که ذرات و پادذرات (به عنوان مثال، الکترون‌ها و پوزیترون‌ها) در الکترودینامیک کوانتومی دارند. در عین حال، سرعت الکترون ها و حفره ها فقط در حدود 1/300 سرعت نور است.

این امر گرافن را به بستر آزمایشی برای فیزیک پرانرژی تبدیل می‌کند: برخی از اثرات نسبیتی کوانتومی که در آزمایش‌هایی با ذرات زیراتمی با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات به سختی قابل دستیابی هستند، مشابه‌های واضحی در فیزیک الکترون‌ها و حفره‌های گرافن دارند که می‌توان آن‌ها را آسان‌تر اندازه‌گیری و مطالعه کرد. از سرعت کمتر آنها یک مثال پارادوکس کلاین است که در آن ذرات کوانتومی فوق نسبیتی بر خلاف شهود، به راحتی از موانع انرژی بسیار بالا و وسیع نفوذ می کنند. بنابراین، گرافن پلی بین علم مواد و برخی از حوزه‌های فیزیک بنیادی، مانند مکانیک کوانتومی نسبیتی ایجاد می‌کند.

گرافن

گرافن به عنوان یک ماده دو بعدی

دلیل دیگری نیز وجود دارد که چرا گرافن برای علوم بنیادی مورد توجه خاص قرار گرفته است: این اولین و ساده‌ترین نمونه از یک کریستال دو بعدی است، یعنی ماده جامدی که حاوی تنها یک لایه اتم است که در یک الگوی مرتب چیده شده‌اند.

سیستم‌های دوبعدی (سطوح، غشاء و رابط‌ها) نه تنها برای فیزیک و شیمی، بلکه برای زیست‌شناسی و سایر علوم طبیعی نیز بسیار مورد توجه هستند. (به عنوان مثال، غشاهای سلولی که برای زندگی بسیار مهم هستند، اساساً از ورقه های مولکول های لیپیدی با پروتئین های جاسازی شده تشکیل شده اند.) از بسیاری جهات، سیستم های دو بعدی اساساً با سیستم های سه بعدی متفاوت هستند.

به طور خاص، به دلیل نوسانات حرارتی بسیار قوی موقعیت های اتمی که در فواصل زیاد همبسته باقی می مانند، نظم کریستالی دوربرد نمی تواند در دو بعد وجود داشته باشد. در عوض، فقط نظم کوتاه برد وجود دارد، و این کار را فقط در مقیاس محدودی از طول مشخصه انجام می‌دهد – نکته‌ای که باید در زمانی که گرافن یک «کریستال» دو بعدی نامیده می‌شود، مورد توجه قرار گیرد.

به همین دلیل، سیستم‌های دوبعدی ذاتاً «خمشی» هستند و نوسانات خمشی قوی را نشان می‌دهند، به طوری که نمی‌توانند مسطح باشند و همیشه موج دار هستند. گرافن به دلیل سادگی نسبی می تواند به عنوان یک سیستم مدل برای مطالعه فیزیک دو بعدی و به طور کلی شیمی در نظر گرفته شود. کریستال های دو بعدی دیگر به غیر از گرافن را می توان با لایه برداری از سایر کریستال های چند لایه (مانند نیترید بور شش ضلعی، دی سولفید مولیبدن، یا دی سولفید تنگستن) یا با اصلاح شیمیایی گرافن (مانند گرافان، گرافن هیدروژنه فلوئورگراف، یا گرافن هیدروژنه شده) به دست آورد.

گرافن

انواع گرافن

به طور عمده انواع مختلفی از گرافن وجود دارد:

  1. گرافن تک لایه: گرافن تک لایه، یک لایه منفرد از اتم های کربن است که در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته اند. این پایه ای ترین شکل گرافن است و دارای خواص منحصر به فردی مانند تحرک الکترون بالا و استحکام مکانیکی عالی است.
  2. گرافن دو لایه: گرافن دو لایه شامل دو لایه گرافن است که روی هم چیده شده اند. این دو لایه را می توان در دو پیکربندی مختلف مرتب کرد: انباشته شدن برنال و انباشته شدن پیچ خورده. گرافن دو لایه در مقایسه با گرافن تک لایه خواص الکترونیکی بیشتری از خود نشان می دهد، از جمله توانایی ایجاد شکاف باند تحت شرایط خاص.
  3. گرافن چند لایه: گرافن چند لایه به گرافنی اطلاق می شود که بیش از دو لایه روی هم چیده شده باشد. بسته به تعداد لایه ها و آرایش آن ها می تواند خواصی داشته باشد که ترکیبی از گرافن تک لایه و دو لایه باشد.
  4. نانو روبان های گرافن: این نوارهای باریک از گرافن هستند که بسته به عرض و پیکر بندی لبه هایش خواص الکترونیکی و مغناطیسی منحصربه فردی از خود نشان می دهند. نانو روبان های گرافن را می توان با عرض ها و ساختار لبه های مختلف سنتز کرد و فرصت هایی را برای کاربردهای الکترونیکی در مقیاس نانو فراهم کرد.
  5. اکسید گرافن: شکل اصلاح شده ای از ماده گرافن است که حاوی گروه های عملکردی اکسیژن در سطح آن است. اکسید گرافن حلالیت و پردازش پذیری را بهبود می بخشد.
  6. اکسید گرافن کاهش یافته: شکل اصلاح شده ای از اکسید گرافن است که برای افزایش خواص آن گروه های عملکردی اکسیژن سطح آن به کمترین حد کاهش می یابد و تا حدودی خواصی مشابه گرافن بکر دارد.
  7. گرافن دوپ شده: دوپینگ به وارد کردن ناخالصی ها یا اصلاح ساختار شبکه کربنی گرافن برای تغییر خواص الکتریکی، نوری یا مغناطیسی آن اشاره دارد. گرافن دوپ شده می تواند عملکردهای پیشرفته تری مانند افزاش رسانایی یا طراحی ساختار نوار الکترونیکی از خود نشان دهد.
  8. گرافن اپیتاکسیال: این به گرافنی اطلاق می شود که روی یک بستر با استفاده از تکنیک های همپای رشد می کند. می توان آن را روی بسترهای مختلفی مانند کاربید سیلیکون یا سطوح فلزی رشد داد و خواصی را تحت تاثیر بستر زیرین از خود نشان دهد.
  9. نقاط کوانتوم گرافن: اینها نانوذرات کوچک ماده گرافن با ابعادی در مقیاس نانومتر هستند. نقاط کوانتومی گرافن دارای خواص الکترونیکی منحصربه فردی از جمله اثرات محصور شدن کوانتومی هستند و می توانند در کاربردهای الکترونیک نوری و تصویربرداری زیستی مورد استفاده قرار گیرند.

خواص گرافن

گرافن ماده ای با خواص بسیار جالب است. از طرفی فراوانی کربن در طبیعت سبب شده که گرافن به ماده ای برای کاربردهای بسیار مورد مطالعه قرار گیرد. برجسته ترین خواص گرافن عبارتند از:

  1. هدایت حرارتی بالا
  2. هدایت الکتریکی بالا
  3. الاستیسیته و انعطاف پذیری بالا
  4. سختی بالا
  5. مقاومت بالا. گرافن تقریباً 200 برابر قوی تر از فولاد است، مشابه مقاومت الماس، اما بسیار سبک تر.
  6. تحت تأثیر تابش یونیزان قرار نمی گیرد
  7. قادر به تولید برق با قرار گرفتن در معرض نور خورشید است
  8. مواد شفاف
  9. چگالی بالا که به اتم های هلیوم اجازه عبور نمی دهد، اما اجازه عبور آب، با همان سرعتی که در یک ظرف باز تبخیر می شود، را می دهد
  10. اثر ضد باکتریایی. باکتری ها قادر به رشد در آن نیستند.
  11. اثر ژول کم، گرم شدن هنگام هدایت الکترون ها.
  12. مصرف برق پایین نسبت به سایر ترکیبات
گرافن

کاربرد گرافن

الکترونیک مدرن (به عنوان مثال، مدارهای مجتمع در تراشه های کامپیوتری) اساساً دو بعدی هستند زیرا عمدتاً از سطح مواد نیمه رسانا استفاده می کنند. بنابراین، گرافن و سایر مواد دو بعدی برای بسیاری از چنین کاربردهایی بسیار امیدوار کننده در نظر گرفته می شوند.

به عنوان مثال، با استفاده از گرافن، باید بتوان ترانزیستورها و سایر وسایل الکترونیکی ساخت که بسیار نازک تر از دستگاه های ساخته شده از مواد سنتی هستند. بسیاری از برنامه های کاربردی دیگر نیز پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، ماده گرافن که رسانای الکتریکی، شفاف، قوی و انعطاف پذیر است، ممکن است یک ماده آینده نگر برای استفاده در صفحه نمایش های لمسی باشد.

گرافن همچنین دارای رسانایی حرارتی بسیار بالایی است و بنابراین می توان از آن برای حذف گرما از مدارهای الکترونیکی استفاده کرد. از آنجایی که از نظر مکانیکی بسیار قوی است، می توان از آن به عنوان داربستی برای مطالعه مولکول ها و مواد بیولوژیکی استفاده کرد.از خواص نفوذپذیری عالی، گزینش پذیری و اسحکام مکانیکی گرافن برای ساخت غشاها و فیلترها استفاده کرد.

غشاهای اکسید گرافن در فرآیندهای نمک زدایی، تصفیه آب و جداسازی گاز استفاده می شوند. از زیست سازگاری و مساحت سطح بالای گرافن می تواند امکان تعامل موثر با مولکول ها و سلول های بیولوژیکی را فراهم کند و از این رو در صنعت پزشکی برای دارورسانی، مهندسی بافت، سنجش زیستی و تصویربرداری استفاده کرد. به علت مقاومت گرافن در برابر خوردگی، سایش و گرما می توان از گرافن در پوشش ها استفاده کرد. این پوشش ها در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا، دریایی و الکترونیک کاربرد دارند و عملکرد و دوام بهتری را ارائه می دهند.

انواع روش تولید گرافن

از روش های تولیدگرافن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. لایه برداری مکانیکی
  2. رسوب شیمیایی بخار (CVD)
  3. لایه برداری فاز مایع
  4. لایه برداری الکتروشیمیایی
  5. رشد اپیتاکسیال

گروه ایران گرافن تولید کننده گرافن در مقیاس نیمه صنعتی بوده و آماده ارائه این مواد ارزشمند با قیمت مناسب و کیفیت بالا به صنعت گران و مشتریان گرامی می باشد.

منبع:

https://www.britannica.com/science/graphene

https://graphene-flagship.eu/graphene/news/graphene-101-all-about-graphene-and-its-many-forms/

https://www.atriainnovation.com/en/graphene-characteristics-and-applications/#Graphene_properties

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8326494/

مقالات مرتبط

کاربردهای گرافن در یک نگاه 12 سپتامبر 2023

کاربردهای گرافن در یک نگاه

در این بخش نگاه کلی به کاربردهای گرافن خواهیم داشت: گرافن گرافن ماده ای است که از کربن خالص تشکیل شده است و از گرافیت استخراج می شود. یکی از مهم ترین عناصر موجود در طبیعت است که در اشیاء...

سوالات پر تکرار بیشتر
معرفی گرافن در کتاب شیمی دوازدهم 3 سپتامبر 2023

معرفی گرافن در کتاب شیمی دوازدهم

اخیرا موضوع گرافن در کتاب شیمی دوازدهم نیز وارد شده است که برای نشان داده اهمیت بالای گرافن در دنیای صنعتی امروزی است و با هدف آشنایی دانش آموزان با این ماده شگفت آور و شکوفایی ایده هایی نو در...

سوالات پر تکرار بیشتر
 گرافن خوراکی چیست؟ 24 آگوست 2023

 گرافن خوراکی چیست؟

گرافن خوراکی را می توان با اصلاح خواص سطحی گرافن به منظور سازگاری با سیستم های بیولوژیکی تولید کرد. این شامل عملکرد گرافن با مولکول های خوراکی یا محصور کردن آن در مواد خوراکی است.

سوالات پر تکرار بیشتر

یک پاسخ به “ گرافن خوراکی چیست؟”

  1. […] بر این باورند که این تغییرات به تفاوت ضخامت توده های GO مربوط می شود. وقتی توده های GO تازه، فقط 4 تا 8 نانومتر […]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

ارتباط با ما

© تمام حقوق برای irangraphene.com محفوظ است.
[elfsight_whatsapp_chat id="1"]