صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

گرافاین و گرافداین 

گرافاین یکی از آلوتروپ های کربن است.

این ماده از اتم های کربن که با هیبریداسیون sp و sp2 در صفحه ای به ضخامت یک اتم با هم پیوند تشکیل داده اند شکل یافته است. با وجود آنکه پایداری این ماده بصورت تئوری تایید شده است اما تاکنون بصورت تجربی تنها تکه های مولکول گونه ای از آن بصورت واقعی سنتز شده است [1].

با این وجود، ساختار گرافاین تنوع بسیاری دارد که برخی از این ساختارها در شکل-1 نشان داده شده اند.

شکل-1: از سمت چپ: گرافن، α-گرافاین، β-گرافاین، δ-گرافاین.

وجود گرافاین از سال دهه ی 1960 پیشبینی شده بود و پس از کشف فولورن مورد توجهات بیشتری را به خود جلب کرد [2]. از دهه ی 1980 مطالعات تئوری گسترده ای بر روی ساختارهای گرافاین صورت گرفت.

در واقع گرافاین یکی از گونه های گرافن است که که به کمک پیوند استیلنی، شش ضلعی های گرافن را به هم متصل می کند. در شکل-2 ساختار هندسی γ–گرافاین نشان داده شده است.

شکل-2: ساختار هندسی γ-گرافاین.

گرافاين يك نام عمومي براي خانواده دو بعدي از اتم هاي كربن است كه ويژگي هايي از قبيل :

چگالي كم

انرژي تشكيل پايين

استحكام حرارتي بالا

و خواص الكترومكانيكي بالا دارد.

گرافاین یک چند شکلی مانند گرافن است که بین نزدیکترین همسایه ­های هگزاگونال آن پیوند­های کربنی وجود دارد (شکل-2).

قطعات کوچکی از این ساختارهای دوبعدی قبلا سنتز شده اند [1]. بسیاری از اشکال مختلف این ساختارها با در نظر گرفتن پایداری شیمیایی آن ها می­توانند طراحی گردند. در آینده این ساختارها ممکن است همانند سنتز گرافن روی سطح فلز بروش بخار شیمیایی از مولکول­ های آلی، با استفاده از سطوح به عنوان نگه دارنده سنتز شود.

همچنینسنتز نانو لوله از جنس گرافاین، بین یک قالب آندی اکسید آلومینیوم که با ورقه ای از مس پوشیده شده انجام گرفته است [3]. آزمایشات نشان داده است که این نیمرسانا رسانندگی ای دارد که به رسانندگی سیلیکون نزدیک است.

گرافاین حفره­های طبیعی بیشتری نسبت به گرافن دارد. در واقع فاصله بین حلقه ­ها در این ساختار زیادتر بوده و بنابر­این داوطلب­های مختلفی را برای پذیرش دوپینگ نوع nو pیا جذب گاز و ... می پذیرد. این امرباعث افزایش کاربردهای این نانو ساختار می­گردد. گرافاین حالت خاصی از گرافداین است که بین حلقه ­های کربنی آن تنها یک پیوند سه گانه وجود دارد. در واقع یک سوم از پیوند های کربن-کربن در گرافن با پیوند­های سه گانه استیلنی جایگزین شده­اند.

شکل ‏1‑18: شکل هندسی گرافداین.

به دلیل داشتن هیبریداسیون sp² و sp وحفره های ذاتی قابل مقایسه نسبت به گرافن کاربردهای وسیع تری دارد. زیرا در گرافن فقط اسپین های sp² داریم بنابراین در کاربردهای جذب اوربیتال های spنقش مهمی ایفا می کند و جذب را پایدارتر می کند. گاف انرژی نانوریبون های گرافداین بالبه آرمیچر در رنج 0.54-0.97eVو برای لبه زیگزاگ 0.73-1.65 eV است.

گاف نواری بزرگ و قابل تنظیم فاکتور مناسبی برای کاربرد قطعات های الکترونیکی است، به همین دلیل احتمال زیادی وجود دارد که در آینده ای نه چندان دور برای ارتقاء خواص الکتریکی، اپتیکی و مکانیکی از قطعات الکترونیکی از گرافداین استفاده می شود زیرا گرافن علی رغم خواص ویژه ای که دارد اما گاف نواری صفر آن باعث محدودیت کاربردش در ترانزیستورهای FET ، سوئیچ های پرسرعت و ... می شود [3].

References

[1] D. Malko, C. Neiss, F. Viñes, A. Görling, Physical review letters, 108 (2012) 086804.

[2] A.T. Balaban, C.C. Rentia, E. Ciupitu, REVUE ROUMAINE DE CHIMIE, 13 (1968) 231-+.

[3] G. Li, Y. Li, X. Qian, H. Liu, H. Lin, N. Chen, Y. Li, The Journal of Physical Chemistry C, 115 (2011) 2611-2615.

^[1]Graphyn

^[2]Graphdiyne

برم-نیتراید با ساختار هگزاگونال (هگزاگونال بور-نیترید)

برم و نیتروژن در کنار هم می توانند ساختاری مشابه با آنچه اتم های کربن در گرافن می سازند، پدید بیاروند.

در این حالت، تعداد مساوی از اتم ها برم و اتم نیتروژن در کنار هم ساختار هگزاگونال شکلی با هیبریداسیون sp² پدید می آورند که به آنها h-BN می گویند (شکل-1).

شکل-1: شکل هندسی برم-نیتراید

بصورت سنتی از پودر این ماده به عنوان روان کننده استفاده می شده است. تک لایه ی BN نیمه رسانا بوده و گاف نواری پهنی به اندازه ی 5.9 eV دارد [1]. به خاطر همین گاف نواری بسیار خوب برم-نیتراید برای کابردهای الکتریکی بسیار مناسب می باشد. همچنین به خاطر گاف بزرگ و مستقیمش برای تابش نور فرا بنفش نیز قابل استفاده است.

به تازگی ساختارهای دو بعدی h-BN به واسطه ی عایق بودن ذاتی و پایداری شیمیایی بالایی که دارند مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند.

استفاده از لایه ی نازک h-BN به عنوان لایه ی دی الکتریکِ گیت در ساختار ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن، عملکرد این نوع ترانزیستورها را به شدت افزایش داده است [2].

محققین نشان داده اند که ساندویچ کردن یک لایه ی گرافن میان دو لایه ی BN بصورت BN-گرافن-BN که به یک زیرلایه متصل است و بر روی این پیکر بندی نیز یک گرافن دیگر نشانده شده است، نارسانا خواهد بود. در این پیکربندی، لایه گرافنی دوم، گودال الکترون-حفره ی گرافن ساندویچ شده را پوشش داده و منجر به نارسانا شدن گرافن می گردد [3].

به واسطه ی ساختار هگزاگونالی BN و نزدیک بودن اندازه ی پارامتر شبکه ی آن با گرافن، این ماده بخت بسیاری برای استفاده در قطعات الکترونی مبتنی بر گرافن یافته که می تواند به افزایش پایداری و کیفیت این قطعات کمک کند.

بطور کلی، ناخالصی های ناشی از بار و القائات ناشی از نقص ساختار می تواند منجر به تنزل تحرکات ناشی از اثر میدان و دیگر خواص FET ها گردد. از همین روی کنترل ضخامت و یکپارچگی یک لایه ی فوق نازک دی الکتریک برای ساختار گیت، برای افزایش عملکرد و پایداری اینگونه قطعات بسیار مهم است. همچنین، گاف نواری تک لایه ی h-BN مشابه ساختار کپه ای تک بلور آن بوده (تقریبا 5.9 eV) اما ولتاژ قطع صفحات h-BN به تعداد لایه های آن بستگی دارد.

References

[1] Y. Kubota, K. Watanabe, O. Tsuda, T. Taniguchi, Science, 317 (2007) 932-934.

[2] C.R. Dean, A.F. Young, I. Meric, C. Lee, L. Wang, S. Sorgenfrei, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, K.L. Shepard, Nature nanotechnology, 5 (2010) 722-726.

[3] L.A. Ponomarenko, A.K. Geim, A.A. Zhukov, R. Jalil, S.V. Morozov, K.S. Novoselov, I.V. Grigorieva, E.H. Hill, V.V. Cheianov, V.I. Fal’Ko, Nature Physics, 7 (2011) 958-961.

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)

مواد دو بعدی به چه موادی می گویند؟

مواد دوبعدی (2D) یکی از مهمترین دسته از مواد می باشند که در طول تاریخ مورد مطالعه ی گسترده قرار گرفته اند. این محبوبیت مواد دو بعدی به واسطه ی محدود شدن بارها و همچنین جریان گرما در یک صفحه ی دو بعدی است که منجر به پدیده های فیزیکی غیرمعمولی می گردد.

بسیاری از مواد در حالت دو بعدی خواص منحصر به فردی می یابند که در ساختار های سه بعدی این خواص را از خود نشان نمی دهند. به عنوان مثال اکسید های مس و ترکیبات خاص آهنی، در فاز دو بعدی خواص ابررسانایی در دمای بالا از خود بروز می دهند که به همبستگی شدید الکترون ها وابسته است که تنها در فاز دو بعدی رخ می دهد [1].

در سال 2004، کشف گرافن تک لایه توسط نووسلو[1] و جیم[2] نشان داد که این ماده تنها ماده ی دوبعدی ممکن نیست و دیگر ترکیبات دوبعدی نیز می توانند پایدار بوده و بصورت مستقل تولید شوند و این دسته از مواد می توانند به واسطه ی ساختار دو بعدی خود، خواص سحرآمیز و منحصر به فردی از خود بروز دهند [2].

در ساختار نواری گرافن تک لایه، شکل نمودار تابع پاشندگی انرژی در نقطه ی K منجر به رخ دادن پدیدهای جدیدی مانند اثر کوانتوم هال در دمای اتاق شده است. از همین روی گرافن تک لایه که ضخامتی به اندازه ی تنها یک اتم دارد، رسانندگی الکتریکی و هدایت گرمایی خارق العاده ای از خود بروز می دهد. و به همین دلیل این ماده برای کاربردهایی مانند ترانزیستورها، رساناهای شفاف و مواد واسط حرارتی پیشنهاد می شود [3].

در حال حاضر، تعداد بسیار زیادی از اتم های جدول تناوبی عناصر که ساختارهای بلوری و سه بعدی متعددی با خواص مکانیکی، الکتریکی و ترابردی خاص خود را دارند، قادر به پایدار ماندن در فاز دوبعدی نیز می باشند و در این فاز خواص کاملا متفاوتی را از خود بروز می دهند. دهه ها پیش از این فریند[3] و همکارانش ثابت کردند که موادکپه ای اما با ساختار لایه ای که لایه های آنها به واسطه ی برهمکنش وندوالسی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند می توانند بصورت لایه هایی با ضخامت بسیار کم و یا حتی بصورت تک لایه با روش های مکانیکی و یا شیمیایی از کپه ی اصلی تراشیده شوند [4]. تلاش های محققیق تجربی تنها توانسته است بخش کوچکی از ویژگی های این ماده ی منحصر بفرد را شناسایی کند.

اخیرا با افزایش توجه محققین به این ماده ی ارزشمند به تدریج جایگاه فوق العاده ی مواد دوبعدی آشکار تر شده است. به علاوه، در 10 سال گشته روش های تولید متنوعی برای سنتز، شناسایی و تولید انبوه گرافن ابداع شده که قابل استفاده برای تولید سایر مواد دوبعدی نیز هست.

تعداد زیادی مواد نو و بدیع به تازگی با این روش ها سنتز شده اند که تا پیش از این تنها در قلمرو تئوری وجود داشته اند. این مواد شامل عناصر گروه IV و II-VI نیمه رساناهای مشابه گرافن/گرافان (هیبرید sp²/ به واسطه ی جذب H هیبرید sp³) و همچنین ساختارهایی به نام سیلیسن[4] و ژرمانن[5] می باشند. مشابه گرافن، این مواد نیز در حالت دو بعدی خواصی کاملا متفاوت از حالت کپه ای خود دارند.

References

[1] J.G. Bednorz, K.A. Müller, Possible high T c superconductivity in the Ba—La—Cu—O system, in: Ten Years of Superconductivity: 1980–1990, Springer, 1986, pp. 267-271.

[2] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, science, 306 (2004) 666-669.

[3] S. Stankovich, D.A. Dikin, G.H.B. Dommett, K.M. Kohlhaas, E.J. Zimney, E.A. Stach, R.D. Piner, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff, nature, 442 (2006) 282-286.

[4] P. Joensen, R.F. Frindt, S.R. Morrison, Materials research bulletin, 21 (1986) 457-461.

[1]Novoselov

[2]Geim

[3]Frindt

[4]Silicen

[5]Germanane