صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

گرافن چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

گرافن صفحه ی دوبعدی (2D) از اتم های کربن است که بصورت لانه زنبوری در کنار یکدیگر چیده شده اند. این ماده معروفترین ساختار در میان سایر ساختارهای کربنی است. کربن در ابعاد دیگر نیز ساختار های منحصر به فردی دارد، به عنوان مثال در سه بعد، گرافیت (3D)، یک بعدی (1D) نانولوله های کربنی، و در صفر بعد (0D) فولرن یا کربن 60 که آنها باکی بال هم می گویند.

شکل 1: فرم های مختلف ساختارهای کربنی: گرافن، گرافیت، نانولوله کربنی، فولرن.

جداسازی گرافن از گرافیت به روش مکانیکی و کشف ویژگی های غیر معمولی این ماده منجر به گشوده شدن زمینه های تحقیقاتی و صنعتی گسترده ای شد [5]. خواص غیرطبیعی بسیاری درباره ی این ماده گزارش شده است مانند، جذب تنها 2.3% از طیف نور مرئی، سطح تماس بالا، مدول یانگ بسیار زیاد، رسانندگی حرارتی بسیار خوب و ... . به خاطر همین خواص قابل توجه، استفاده از گرافن در طیف وسیعی زمینه ها شامل، ساخت قطعات الکترونیکی، قطعات اپتیکی، تولید و خیره سازی انرژی، ساخت مواد هیبریدی، سنسورهای شیمیایی و حتی تعیین توالی DNA، صورت گرفته است [6].

ساختار هندسی گرافن
گرافن دارای ساختار شش گوشه ی لانه زنبوری است که در شکل (2) دیده می شود. در این ساختار، هر اتم کربن با 3 اتم کربن نزدیک خود پیوند برقرار می کنند. پیوند بین اتم های کربن بصورت پیوند سیگما بوده و طول این پیوندها تقریبا 1.42 آنگسترم می باشد و زاویه پیوندی برابر 120 درجه است. اربیتال هر اتم کربن بر صفحه گرافن عمود است. شبکه ی براوه ی گرافن را می توان به کمک یک سلول واحد هگزاگونال دو اتمی بسط داد. طول بردار شبکه ی این سلول واحد، a=√3 a_(C-C)=2.46 A^0 می باشد. بردارهای پایه همان طور که در شکل (2) نشان داده شده¬اند به صورت زیر تعریف می شوند .

شکل2: ساختار بلوری گرافن

(1) a ⃗_1=a(√3/2,1/2)
(2) a ⃗_2=a(√3/2,-1/2)

در این روابط ثابت شبکه می باشد.

ساختار الکترونی گرافن
شبکه ی معکوس گرافن نیز مانند شبکه ی مستقیم آن، دارای ساختار هگزاگونال می باشد ولی به اندازه ی 90 درجه نسبت به آن چرخیده است. یاخته¬ی واحد و منطقه ی اول بریلوئن مربوطه در شکل (3) نشان داده شده است. بردارهای پایه¬ی شبکه¬ی وارون به وسیله¬ی دسته رابطه¬های (3) و (4) داده می شوند. سه نقطه، با تقارن بالا در شبکه وارون Г، K و M به عنوان مرکز، گوشه و مرکز لبه ی شش گوشی در شبکه¬ی وارون تعریف می شوند و در محاسبه ساختار باند از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند که در شکل (3) نشان داده شده¬اند. نقطه¬ی Г جایی است که در آن |K ⃗ |=0 باشد و K ⃗ بردار موج می باشد و مختصات سایر نقاط تقارنی نسبت به این نقطه به صورت زیر خواهد بود:
(3) ΓM=(2π/(√3 a),0)
(4) ΓK=(2π/(√3 a),2π/3a)

شکل 3: یاخته ی واحد (شکل سمت چپ) و منطقه ی اول بریلوئن (شکل سمت راست) گرافن

براساس این اطلاعات، ساختار نواری گرافن را در مسیر M-Γ-K-M رسم می کنند. نمودار ساختار نواری گرافن هیچگونه گافی ندارد یعنی نوار رسانش و ظرفیت آن در نقطه ای به هم میرسند. اگر در نمودار ساختار نوارهای انرژی ماده ای بین نوار رسانش و ظرفیت فاصله ای وجود داشته باشد به این فاصله که بر حسب eV گزارش می شود، گاف می گویند. نوار رسانش و ظرفیت گرافن در نقطه ی K بر روی سطح فرمی یکدیگر را قطع می کنند و گاف را ازبین می برند.

شکل4 : نمودار ساختار نواری گرافن (سمت راست)، نمودار چگالی حالت ها-DOS (سمت چپ پایین)، نمودار چگالی حالت های موضعی-PDOS (سمت چپ بالا)