ساختار شبکه شش ضلعی گرافین
گرافین (به انگلیسی: ساخت یک بلور جدید Graphene) نامِ یکی از آلوتروپ‌هایِ کربن است. ساخت یک بلور جدید این ماده تشکیل‌شده از یک ساختار بلوری لانـه زنبوری دوبعدی است[۱][۲] کـه در آن هر اتم کربن بـه کمک سه الکترون ظرفیت خود، ساخت یک بلور جدید با سه پیوند SP2 هیبریدیزه شده بـه سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است. ساخت یک بلور جدید یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی کل صفحهٔ گرافین و بین تمام اتم‌ها بـه اشتراک گذاشته‌شده و الکترونِ آزاد است.
در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ‌هایِ کربن)، هر کدام از اتم‌هایِ چهارظرفیتیِ کربن، با سه پیوندِ کووالانسی بـه سه اتمِ کربنِ دیگر متصل شده‌اند و یک شبکهٔ گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایـه خود بر رویِ لایـه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمـین الکترونِ ظرفیت نیز یک پیوندِ شیمـیایی داده‌است، اما این پیوندِ این الکترونِ چهارم، از نوعِ پیوندِ واندروالسی هست که پیوندی ضعیف است. بـه همـین دلیل لایـه‌هایِ گرافیت بـه راحتی بر رویِ هم سر مـی‌خورند و مـی‌توانند درون نوکِ مداد بـه کار بروند. گرافین ماده‌ای هست که درون آن تنـها یکی از این لایـه‌هایِ گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمـین الکترونِ پیوندیِ کربن، بـه عنوان الکترونِ آزاد باقی‌مانده‌است.
هر چند نخستین بار درون سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس دربارهٔ گرافین نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هایِ زیـادی برایِ ساختِ آن صورت گرفته بود اما قضیـه‌ای بـه نامِ قضیـهٔ مرمـین-واگنر درون مکانیکِ آماری و نظریـهٔ مـیدان‌هایِ کوانتومـی وجود داشت کـه ساختِ یک مادهٔ دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار مـی‌دانست. اما بـه هر حال درون سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق بـه ساختِ این ماده شده و نشان دادند کـه قضیـهٔ مرمـین-واگنر نمـی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزهٔ نوبلِ فیزیکِ ۲۰۱۰ نیز بـه خاطرِ ساختِ ماده‌ای دوبعدی بـه این دو دانشمند تعلق گرفت.[۳]
معرفی
گرافین ساختار دو بعدی از یک لایـه منفرد شبکه لانـه زنبوری کربنی مـی‌باشد. گرافین بـه علت داشتن خواص فوق‌العاده درون رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک‌پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی[۴] و خواص مکانیکی[۵] بـه ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده‌است. این سامانـه جدید حالت جامد بـه واسطه این خواص فوق‌العاده بـه عنوان کاندید بسیـار مناسب به منظور جایگزینی سیلیکان درون نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی درون نظر گرفته شده‌است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را درون تحقیقات بنیـادی و کاربردی بـه خود جلب کرده‌است. طول پیوند کربن ـ کربن درون گرافین درون حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی به منظور ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایـه گرافین هست که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل مـی‌دهند کـه برهم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهٔ بین صفحه‌ای ۰٫۳۳۵ نانومتر مـی‌باشد. اگر تک لایـه گرافیتی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر بـه صورت کرچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل مـی‌دهد. لایـه‌های گرافینی از ۵ که تا ۱۰ لایـه را بـه نام گرافین کم لایـه و بین ۲۰ که تا ۳۰ لایـه را بـه نام گرافین چند لایـه، گرافین ضخیم یـا نانو بلورهای نازک گرافیتی، مـی‌نامند.
از نظر مکانیکی، مقاومت کششی نـهایی گرافین برابر ۱۳۰ گیگاپاسکال (در مقایسه با مثلاً ۴۰۰مگاپاسکال فولاد) است.[۶] از نظر الکتریکی، گرافین خالص تک لایـه ازخود خواص شبه فلزی نشان مـی‌دهد.[۷] درگرافین طیف حامل‌ها شبیـه بـه طیف فرمـیون‌های دیراک بدون جرم مـی‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومـی هال صحیح وری، درون این سامانـه باعث شده‌است کـه توجه بسیـاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک بـه آن جلب شود.[۸] علاوه بر این‌ها خصوصیـات سامانـه‌های گرافین بطور مستقیم بـه تعداد لایـه‌های گرافین موجود درون سامانـهٔ مورد نظر بستگی دارد. بـه عنوان مثال، گذردهی نوری به منظور گرافین تک لایـه تقریباً برابر با ۹۷ درصد و مقاومت صفحهٔ آن ۲/۲ مـی‌باشد وگذردهی نوری به منظور گرافین‌های دو، سه و چهار لایـه بـه ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحهٔ بـه ترتیب ۱، ۷۰۰ و ۴۰۰ هست که نشان دهندهٔ آن هست که با افزایش تعداد صفحات گرافین گذردهی نوری سامانـه کم مـی‌شود.[۹] از سوی دیگر چگالی حامل بار درون گرافین از مر تبه ۱۰۱۳ بر سانتیمتر مربع با تحرک‌پذیری تقریباً 15000 cm۲/V.s و[۱۰] با مقاومتی از مرتبه ۶-۱۰ اهم-سانتی‌متراست کـه به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر مـیدانی (FET) مـی‌باشد. خواص منحصربفرد گرافین آن را کاندیدهای بسیـار مطلوبی به منظور طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع‌کننده‌های مـیدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف، و حسگرها قرار داده است. همچنین، رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافین، آن را بـه عنوان کاندیدی مناسب به منظور الکترودهای رسانای شفاف، کـه مورد استفاده درون صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع‌کننده نور (OLED) معرفی مـی‌کند. بکارگیری بسیـاری از این سامانـه‌های اشاره شده منوط بـه داشتن تک لایـه گرافینی پایدار بر روی زیر لایـه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل مـی‌باشند کـه این موضوع خود با چالش جدی روبروست.
روش‌های ساخت گرافین
تکه‌ای گرافیت، یک ترانزیستور گرافینی و یک پایـه چسب اهدا شده بـه موزه نوبل توسط آندره گایم و کنستانتین نووسلف بعد از دریـافت جایزه نوبل فیزیک درون سال ۲۰۱۰. آن‌ها درون سال ۲۰۰۴ از این ابزار به منظور تولید یک تک‌لایـهٔ گرافین به منظور نخستین بار، بـه روش لایـه‌برداری مکانیکی (exfolitation) گرافیت استفاده د.
امروزه روش‌های بسیـار متنوعی به منظور ساخت گرافین بکار مـی‌شود کـه از متداول‌ترین آن‌ها مـی‌توان بـه روش‌های لایـه برداری مکانیکی، لایـه برداری شیمـیایی، سنتزشیمـیایی و رسوب بخار شیمـیایی (CVD) را نام برد. برخی روش‌های دیگری همانند شکافتن نانو لوله‌های کربنی[۱۱] و ساخت باامواج ماکرویو[۱۲] نیز اخیراً بکاربرده شده‌اند. یک نمای کلی از روش‌های ساخت گرافین درون زیر آمده‌است:
- روش‌های ساخت گرافین
- از پایین بـه بالا
- رشد برآیـایی
- شکافت گرمایی
- CVD.[۱۳]
- از بالا بـه پایین
- لایـه برداری مکانیکی[۱۴]
- چسب نواری
- Atomic Force Microscopy Tips
- لایـه برداری شیمـیایی[۱۵]
- سنتز شیمـیایی[۱۶]
- با امواج فرا صوتی
- روش شیمـیایی
- نمک مذاب
در سال ۱۹۷۵گروه Lang به منظور اولین بار گرافیت کم لایـه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش CVD تولید د.[۱۷] درون سال ۱۹۹۹ گروه Lu با استفاده از AFM، لایـه برداری مکانیکی را بر روی یک گرافیت پیرولیتی بـه منظور تهیـه گرافین تک لایـه انجام دادند.[۱۸] با این وجود، گرافین تک لایـه به منظور اولین بار درون سال۲۰۰۴ توسط گروه Novoselov تولید و گزارش شد. آن‌ها از چسب نواری به منظور جدا لایـه‌های گرافین از سطح زیرلایـه استفاده د. این روش توانایی و قابلیت تولید لایـه‌های متنوع گرافین را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز است. روش لایـه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایـه‌های گرافیتی کم لایـه و چند لایـه را دارد اما ضخامت گرافیت بدست آمده توسط این روش برابر با ۱۰ نانو متر هست که تقریباً برابر با ۳۰ لایـه گرافین تک لایـه است. درون روش لایـه برداری شمـیایی فلزات قلیـایی بین صفحات گرافیت پراکنده شده درون محلول، قرار مـی‌گیرند. به‌طور مشابه روش سنتز شیمـیایی شامل اکسید گرافیت پراکنده درون محلول ناشی شده از کاهش هیدروزین است. همانند تولید نانو لوله‌های‌کربنی توسط روش CTCVD، تولید گرافین توسط این روش یکی از بهترین روش‌ها به منظور تولید گرافین درون ابعاد بزرگ است. درون این روش کربنی کـه بوسیله گرما جدا شده بر روی سطح یک فلز فعال قرار مـی‌گیرد و در دمای بالا و تحت فشار اتمسفر یـا فشار کم، یک شبکه لانـه زنبوری تشکیل مـی‌دهد. از آنجایی کـه این روش CVD درون یک کوره گرمایی انجام مـی‌گیرد آن را روش CVD گرمایی مـی‌نامند. هنگامـی کـه روش شامل رشد بـه کمک پلاسما باشد، روش CVD پلاسمای غنی شده نامـیده مـی‌شود. هریک از این روش‌ها مزایـا و معایب خاص خود را دارند، بـه عنوان مثال روش لایـه برداری مکانیکی توانایی و قابلیت ساخت گرافین یک لایـه که تا چند لایـه را دارد اما همانندی نمونـه‌های بدست آمده بسیـار پایین است، همچنین ساخت گرافین درون ابعاد بزرگ یکی از چالش‌های پیش روی این روش است. به منظور تهیـه گرافین تک لایـه و چند لایـه مـی‌توان از روش چسب نواری استفاده کرد اما تحقیقات گستردهٔ بیشتری به منظور توسعه این روش جهت استفاده درون قطعه‌های الکترواپتیکی لازم است. روش‌های سنتز شیمـیایی از روش‌های دمای پایین هستندکه این ویژگی موجب مـی‌شود ساخت گرافین بر روی انواع زیر لایـه‌های با دمای محیط، بـه ویژه زیرلایـه‌های پلیمری آسان‌تر شود، با این حال، همگنی و یکسانی گرافین تولید شده درون ابعاد بزرگ، حاصل از این روش مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافین از اکسیدهای گرافین کاهش یـافته اغلب بـه علت نقص درون فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافین مـی‌شود. برآرایی گرافین وگرافیت‌سازی گرمایی بر روی سطح کربید سیلسیوم از دیگر روش‌های تولید گرافین هستند اما دمای بالای این فرایندها و عدم توانایی انتقال بر روی سایر زیر لایـه‌ها از محدودیت‌های این روش‌ها هستند.
محققان درون دانشگاه کمبریج روشی را به منظور تولید گرافین با کیفیت بالا درون نمک مذاب ابداع کرده‌اند. این روش کـه مبتنی بر تفوذدهی هیدروژن از نمک مذاب لیتیم کلرید بـه گرافیت مـی‌باشد، قابلیت تولید گرافین درون مقیـاس صنعتی را دارد.[۱۹] روش مذکور بوسیله شرکت سرمایـه‌گذاری کمبریج درون حال تجاری شدن است.
خواص
ساختار اتمـی تک لایـهٔ مجزای گرافین بـه روش مـیکروسکوپی عبوردهی الکترونی (Transmission Electron Microscopy) بر روی ورقه‌هایی از گرافین کـه در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده‌اند، مطالعه شده‌است. طرح‌های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافین را نشان داده‌اند. علاوه بر این، گرافین از خود اعوجاج‌هایی را بر روی این ورقه‌های تخت نشان داده‌اند، با دامنـه‌ای درون حدود یک نانومتر. این اعوجاج‌ها ممکن هست خصلت ذاتی ای به منظور گرافین بـه خاطر ناپایداری کریستال‌های دو بعدی باشد، یـا حتی ممکن هست در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی‌هایی کـه در سرتاسر گرافین وجود دارند و کاملاً بـه توسط تصاویر TEM تهیـه شده از گرافین مشاهده شده‌اند، بـه وجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمـی گرفته شده از تک لایـهٔ مجزای گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایـهٔ SiO۲ بـه وسیلهٔ روش مـیکروسکوپی تونل زنی اسکن‌کننده (Scanning Tunneling Microscopy) تهیـه شده‌اند. این تصاویر نشان دادند کـه اعوجاج‌های تک لایـهٔ گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایـهٔ SiO۲ بـه خاطر ترکیب و تطبیق یـافتن تک لایـهٔ گرافین با زیر لایـهٔ SiO۲ ایجاد شده‌اند و یک خصلت ذاتی به منظور آن نمـی‌باشند.
انرژی الکترون‌ها با عدد موج k درون گرافین، محاسبه شده بـه وسیلهٔ تقریب تنگ بست (Tight Binding)
گرافین با سایر مواد متداول سه بعدی متفاوت است. گرافین طبیعی یک نیمـه فلز یـا یک نیمـه رسانا با گاف نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافین اولین قدم به منظور یـافتن ساختار نواری گرافیت است. اولین بار خیلی قبل تر درون سال 1947 P. R. Wallace متوجه خطی بودن رابطهٔ E-k (انرژی و عدد موج کریستال) درون نزدیکی شش گوشـهٔ منظقهٔ بریلوئن شش ضلعی دوبعدی گرافین به منظور انرژی‌های پایین ـ کـه منجر بـه جرم مؤثر صفر به منظور الکترون‌ها و حفره‌ها مـی‌شود ـ شد. بـه خاطر این رابطهٔ پاشندگی خطی درون انرژی‌های پایین، الکترون‌ها و حفره‌ها درون نزدیکی این شش نقطه، کـه دو که تا از آن‌ها غیر یکسان هستند، همانند ذرات نسبیتی ای کـه با معادلهٔ دیراک به منظور ذرات با اسپین نیم صحیح توصیف مـی‌شوند، رفتار مـی‌کنند. بـه همـین خاطر بـه به این الکترون‌ها و حفره‌ها فرمـیون‌های دیراک و به آن شش نقطه، نقاط دیراک گفته مـی‌شود. معادله‌ای بیـان گر رابطهٔ E-k، E=ℏvFkx2+ky2{\displaystyle E=\hbar v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}}} مـی‌باشد کـه در آن سرعت فرمـی vF ~ 10۶ m/s است.
ساختار نواری انرژی گرافین درون جهت‌گیری 'زیک زاکی'. محاسبات نشان مـی‌دهد کـه در این جهت‌گیری گرافین همواره فلز است
ساختار نواری انرژی گرافین درون جهت‌گیری صندلی دسته دار. محاسبات نشان مـی‌دهد کـه گرافین درون این جهت‌گیری بسته بـه عرض لایـه مـی‌تواند فلز یـا نیمـه رسانا باشد (دست‌سانی)
نتایج تجربی از اندازه‌گیری‌های ترابرد الکترونی نشان مـی‌دهند کـه گرافین دارای تحرک‌پذیری الکترونی بسیـار بالایی درون دمای اتاق مـی‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 15,000 cm۲V−۱s−۱. همچنین تقارن اندازه‌گیری‌های تجربی رسانندگی نشان مـی‌دهد کـه تحرک‌پذیری به منظور الکترون‌ها و حفره‌ها حتما یکسان باشد. درون بازهٔ دمایی بین 10k که تا 100k، تحرک‌پذیری تقریباً بـه دما وابسته نیست، کـه بیـان‌کنندهٔ این امر هست که مکانیزم غالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی بـه توسط فونون‌های آکوستیک گرافین موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرک‌پذیری درون دمای اتاق درون حد 200,000 cm۲V−۱s−۱ به منظور چگالی حامل ۱۰۱۲ cm−۲ مـی‌شود. مقاومت متناظر ورقه‌های گرافین درون حد ۶-10 Ω•cm خواهد بود. این مقاومت از مقاومت نقره، مادهٔ شناخته شده بـه عنوان دارندهٔ کمترین مقاومت درون دمای اتاق، کمتر است. گرچند به منظور گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایـهٔ SiO۲، پراکندگی ناشی از فونون‌های اپتیکی زیر لایـه درون دمای اتاق اثر بزرگ‌تری هست از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافین. این امر تحرک‌پذیری را بـه مـیزان 40,000 cm۲ V−۱s−۱ محدود مـی‌کند.
خواص اپتیکی منحصر بـه فرد گرافین، موجب بروز یک شفافیت بالای غیرمنتظره به منظور یک تک لایـهٔ اتمـی با یک مقدار سادهٔ شگفت‌انگیز شده است، یک تک لایـهٔ گرافین πα ≈ ۲٫۳٪ از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب مـی‌کند کـه در آن α ثابت ساختار ریز شبکه مـی‌باشد. این امر نتیجهٔ ساختار الکترونیکی کم انرژی غیرمعمول گرافین تک لایـه هست که طرحی بـه ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره‌ای گرافین مـی‌دهد که تا آن‌ها درون نقاط دیراک بـه هم برسند، کـه به‌طور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشردهٔ مرتبهٔ دو معمول متفاوت است. بر مبنای مدل از ساختار نواری گرافین، فواصل بین اتمـی، مقادیر پرش، و بـه هنگام محاسبهٔ رسانندگی اپتیکی با استفاده از معادلات فرنل درون حد لایـه‌های نازک از بین مـی‌رود. این امر بـه صورت تجربی تأیید شده ولی هنوز مقادیر اندازه‌گیری شده بـه اندازهٔ کافی به منظور محاسبهٔ ثابت ساختار ریز دقیق نبوده است.
مـی‌توان گاف نوار انرژی گرافین را از ۰ که تا 0.25 eV (در حدود طول موج پنج مـیکرومتر) بـه وسیلهٔ اعمال ولتاژ درون دمای اتاق بـه یک ترانزیستور اثر مـیدان دو دروازه‌ای ساخته شده از یک گرافین دو لایـه‌ای، تنظیم نمود. همچنین نشان داده شده‌است کـه پاسخ اپتیکی نانو نوارهای گرافینی نیز درون ناحیـهٔ تراهرتز بـه وسیلهٔ اعمال یک مـیدان مغناطیسی قابل تنظیم است. علاوه بر این نشان داده شده‌است کـه سیستم‌های گرافین ـ گرافین اکسید از خود رفتار الکتروکرومـیک بروز مـی‌دهند، کـه اجازه مـی‌دهند هم خواص اپتیکی خطی و هم خواص اپتیکی فوق سریع را تنظیم کرد.[۲۰]
بزرگترین گرافین ساخته شده
مشخص هست که گرافین تنـها بـه نانو مربوط نمـی‌شود، همچنین نباید این دو واژه را طوری بـه کار برد کـه گویی مثابه هم مـی‌باشند. تاکنون گرافین بـه صورت دو بعدی با طول ۱۰۰ متر و عرض ۲۳ سانتیمتر توسط شرکت sony ساخته شده‌است. همچنین ورق‌های گرافین بااندازهٔ کمتر از ۲۰ نانومتر از لحاظ ترمودینامـیکی ناپایدارند، چون حداقل پایداری گرافین هنگامـی هست که تعداد اتم‌ها بیشتر از ۶۰۰۰ اتم باشد؛ و ۲۴۰۰۰ اتم لازم هست تا فلورن پایدار شود. این مبحث درون دینامـیک مولکولی سیستم‌ها بسیـار مـهم است، چون نتایج گرفته شده درون کمتر از ۲۰ نانو متر مـی‌تواند درست نباشد.[۲۱]
محدودیت‌های گرافین
ضخامت گرافین یک لایـه اتم کربن هست که دارای پتانسیل بالقوه‌ای به منظور جایگزینی با سیلیکون مـی‌باشد کـه پیشرفت جامعهٔ آینده بـه آن مدیون خواهد بود. باوجود اینکه دارای مشخصات بالقوه‌ای همچون قدرت و وزن سبک و انعطاف‌پذیری و هدایت بالایی هستند اما محدودیت‌های این ماده بـه نوعی مانع استفاده آن‌ها درون مـیکروپردازنده‌ها و وسایل الکترونیکی مـی‌باشد.
اینکه گرافین چگونـه درون دستگاه‌هایی درون جهان واقعی بـه کار رود و دوم اینکه ورق‌های گرافین ماهیت شکننده‌ای دارند کـه این ناشی از اتصالات ضعیف آن‌ها مـی‌باشد. اگر هدایت حرارتی گرافین را بـه عنوان فاکتور مثبتی به منظور این ماده درون نظر بگیریم، نباید از این نکته غافل شویم کـه هدایت حرارتی گرافین معلق بسیـار بیشتر از گرافین بر روی بستر است، حال آنکه همـین هدایت حرارتی باعث مـی‌شود کـه حرارت توزیع شده و یک نقطهٔ داغ بوجود نیـاید؛ و افسوس اینکه گرافین درون جهان واقعی حتما بر روی یک بستر قرار بگیرد ونـه اینکه آزادانـه و معلق درون خلأ باشد. یعنی وقتی وسیله‌ای ساخته مـی‌شود حتماً حتما بر روی بستر قرار گیرد اما این منجر بـه کاهش شدید هدایت حرارتی گرافین مـی‌شود. همچنین هدایت حرارتی با رشد تعداد لایـه‌های گرافینی و رسیدن بـه ۳۴ لایـه افزایش مـی‌یـابد (که ضخامت بسیـار کمـی است) اما بعد از اینکه بـه حالتی بـه نام تودهٔ گرافیت مـی‌رسیم، هدایت حرارتی خوب نیست. تلاش‌های بسیـاری صورت گرفته‌است که تا راه‌های جدیدی کشف شود که تا بتوان گرافین را درون جهان ماکروسکوپیک بـه کار برد. اتصالات سه بعدی ساختار فوم گرافین و گرافیت فوق‌العاده نازک یـا استفاده از بورون نیترید هگزاگونال همـه درون این راستا کشف شدند. ژرمانن دیگر مادهٔ سه بعدی هست که به منظور استفاده درون الکترونیک یـا وسایل تبدیل انرژی حرارتی مـی‌تواند بـه کار رود.
به منظور درک فیزیک، نیـاز بـه تئوری هست یعنی اگر فقط آزمایش کنید شما روند را مـی‌بینید اما معنای نتایج را درک نمـی‌کنید؛ بنابراین تئوری و آزمایش دو جزء جدایی ناپذیرند.
گرافین همچنین دارای محدودیت‌های دیگری درون جهان واقعی مـی‌باشد، مـی‌دانیم پیوندهای بین اتم‌های کربن قوی‌ترین پیوندها درون طبیعت مـی‌باشد، بعد ورق بدون نقصی از گرافین حتما دارای این خاصیت باشد، اما درون کاربردهای واقعی، گرافین این‌طور نیست. آزمایشی کـه بر روی تافنس شکست گرافین دارای نقص جزئی صورت گرفت مقدار استحکام آن به‌طور قابل ملاحظه‌ای از استحکام گرافین ذاتی پایین‌تر بود؛ لذا درست هست که استحکام گرافین ذاتی بسیـار بالاست، اما وقتی گرافین دارای نقص باشد، دیگر پیوندهای بین اتم‌های کربن، قوی‌ترین نمـی‌باشد. مـی‌دانیم درون ورق‌های بزرگتر، همـیشـه نقص‌ها افزایش مـی‌یـابد بعد گرافین درون جهان ماکرو استحکام بسیـار پایینی خواهد داشت؛ لذا تولید ورق گرافین با استانداردهای دقیق و بدون نقص بسیـار اهمـیت دارد.
ساختارهای دوبعدی دیگری همچون گرافین (ساختار لانـه زنبوری SP2) وجود دارد کـه از آن جمله مـی‌توان بـه ۱- سیلیسین ۲- بروفن ۳- فسفورن ۴- استنن ۵- ژرمانن ۶- گرافین (محتوی SP+SP2 هیبریدیزه شده) اشاره کرد. اما این ساختارهای دو بعدی همـه بـه جز گرافین ناپایدارند یـا پتنت ثبت شده به منظور آن‌ها بسیـار کم هست طوری‌که اعتمادی بـه این ساختارها وجود ندارد.[۲۲]
با توجه بـه اینکه از اولین ترانزیستورهای با گیت بالا چیزی نگذشته‌است. با توجه بـه این زمان کوتاه و اینکه همـهٔ جانشینان احتمالی با جریـان اصلی درون ترانزیستورهای معمولی با مشکلات جدی روبه رو هستند، لذا مـی‌شود بـه توسعهٔ سریع گرافین کمک کرد. مفاهیم جدیدی کـه در این سال‌ها بررسی شده، همچون ترانزیستورهای اسپینی یـا وسایل مولکولی، بـه نظر مـی‌رسد کـه به دور از واقعیت نسبت بـه گرافین باشد و معلوم نیست کـه به مرحلهٔ تولید برسند. درون حال حاضر جایگزین ترانزیستورهای معمولی (سیلی) غیرممکن است. با این حال تحقیقات ITRS بـه شدت بـه مطالعهٔ گستردهٔ درون زمـینـهٔ گرافین توصیـه مـی‌کند و حتی برنامـهٔ تحقیق و توسعه به منظور نانوالکترونیک بر پایـهٔ کربن شکل گرفته‌است؛ لذا راه به منظور اینکه گرافین بـه عنوان جایگزین قرار گیرد باز است. امابرای هیجان زده شدن درون این مورد زمان زیـادی لازم است.[۲۳]
گرافن و کنترل تبخیر آب
یک پوشش گرافنی، قادر بـه کنترل تبخیر آب از طریق توقف مـیزان تبخیر روی سطوح آب دوست یـا هیدورفیلیک (hydrophilic) و سرعت بخشیدن بـه تبخیر روی سطوح آب گریز یـا هیدروفوبیک (hydrophobic) است. تبخیر قطره آب، پدیده پیچیده ای بوده و نقش مـهمـی درون طبیعت و صنعت ایفا مـی کند. درک مکانیسم تبخیر درون مقیـاس اتمـی و کنترل مـیزان تبخیر، به منظور کاربردهایی از جمله انتقال حرارت و کنترل دمای بدن بسیـار حائز اهمـیت است. زمانی کـه یک سطح آب دوست با گرافن پوشش داده مـی شود، خط تماس قطره آب، بـه دلیل تنظیم و اصلاح زاویـه های خیس شدن، بـه طور چشمگیری کوتاه یـا کشیده مـی شود؛ این مسأله منجر بـه تغییر درون مـیزان تبخیر مـی شود. مولکول آب، قبل از تبخیر، یک وضعیت پیشرو (و جدید) درون خط تماس ایجاد مـی کند. تجزیـه و تحلیل های بیشتر نشان داد کـه چگالی آب درون حالت های گذار (transition states) درون خط تماس بسیـار زیـاد است. [۲۴]
منابع
↑ "graphene definition, meaning – what is graphene in the British English Dictionary & Thesaurus – Cambridge Dictionaries Online". cambridge.org.
↑ "Graphene". Merriam-Webster.
↑ «نوبل فیزیک به منظور کاشفان «ماده‌ای جادوئی»». دویچه وله، ۵ اکتبر ۲۰۱۰. بازبینی‌شده درون ۲ نوامبر ۲۰۱۰.
↑ Nair, R. R. , P. Blake, A. N. Grigorenko, et al. 2008. Fine structure constant defines visualtransparency of graphene. Science 320 (5881):1308
↑ Geim, A. K. , and P. Kim. 2008. Carbon wonderland. Scientific American 298 (4):90–97. Geim, A. K. , and K. S. Novoselov. 2007
↑ http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/what-can-graphene-do/
↑ Novoselov, K. S. , A. K. Geim, S. V. Morozov, et al. 2005. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature 438 (7065):197–200
↑ [4]Novoselov, K. S. , D. Jiang, F. Schedin, et al. 2005. Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102 (30):10451–10453
↑ Li, X. S. , Y. W. Zhu, W. W. Cai, et al. 2009. Transfer of large-area graphene films for highperformance transparent conductive electrodes. Nano Letters 9 (12):4359–4363
↑ - Geim, A. K. , and K. S. Novoselov. 2007. The rise of graphene. Nature Materials 6 (3):183–191
↑ Jiao, L. Y. , X. R. Wang, G. Diankov, H. L. Wang, and H. J. Dai. 2010. Facile synthesis of highquality graphene nanoribbons. Nature Nanotechnology 5 (5):321–325
↑ Xin, G. Q. , W. Hwang, N. Kim, S. M. Cho, and H. Chae. 2010. A graphene sheet exfoliated with microwave irradiation and interlinked by carbon nanotubes for high-performance transparent flexible electrodes. Nanotechnology 21 (40)
↑ Reina, A. , S. Thiele, X. T. Jia, et al. 2009. Growth of large-area single- and bi-layer graphene by controlled carbon precipitation on polycrystalline Ni surfaces. Nano Research 2 (6):509–516
↑ Novoselov, K. S. , A. K. Geim, S. V. Morozov, et al. 2004. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306 (5696):666–669
↑ Allen, M. J. , V. C. Tung, and R. B. Kaner. 2010. Honeycomb carbon: A review of graphene.Chemical Reviews 110 (1):132–145
↑ Park, S. , and R. S. Ruoff. 2009. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology 4 (4):217–224
↑ Lang, B. 1975. A LEED study of the deposition of carbon on platinum crystal surfaces. Surface Science 53 (1):317–329
↑ Lu, X. K. , M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff. 1999. Tailoring graphite with the goal of achieving single sheets. Nanotechnology 10 (3):269–272
↑ َA.R.Kamali, D.J.Fray, Nanoscale,7, 11310-11320.
↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
↑ http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20120828/236214
↑ http://www.hpcwire.com/2014/05/05/graphene-faces-real-world-limitations/
↑ http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n7/abs/nnano.2010.89.html/
↑ https://sinapress.ir/news/81752/%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%D9%86%D8%8C-%DA%A9%D9%84%DB%8C%D8%AF-%DA%A9%D9%86%D8%AA%D8%B1%D9%84-%D8%AA%D8%A8%D8%AE%DB%8C%D8%B1-%D8%A2%D8%A8
دگرشکل‌های کربن
حالت sp۳
الماس • الماس شش‌ضلعی
حالت sp۲
گرافیت • گرافین • فولرن‌ها (نانولوله‌های کربنی، فولرن باکمـینستر) • کربن شیشـه‌ای
حالت sp
کربن خطی
وابستهالیـاف کربن
داده‌های کتابخانـه‌ای
- GND: 7591667-8
- NDL: 001130423