گرافن ماده ای متشکل از یک آرایه دو بعدی از اتم های کربن است. اتم ها در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته اند که شبیه ساختار لانه زنبوری است. گرافن را می توان به عنوان یک مولکول معطر بی نهایت بزرگ و یک لایه از ساختار گرافیت کربن در نظر گرفت.

^{ساختار شش ضلعی گرافن. توسط Yikrazuul (بحث) [Public domain]، از طریق Wikimedia Commons.}

کشف و سنتز

پیش‌بینی می‌شد که گرافن در اوایل دهه 1940 وجود داشته باشد، با این حال، تا سال 2004 بود که ورقه‌های گرافن تک لایه برای اولین بار سنتز نشدند. این امر توسط آندره گیم و کنستانتین نووسلوف به دست آمد که در سال 2010 جایزه نوبل فیزیک را برای کشف خود دریافت کردند. روش سنتز آنها که “روش نوار اسکاچ” نامیده می شود، به طرز شگفت آوری ساده بود. تک‌لایه‌های گرافن را می‌توان تنها با لایه‌برداری مکانیکی گرافیت جدا کرد: با کشیدن یک لایه از قسمت عمده با استفاده از نوار چسب.

در این میان روش‌های دیگری برای تولید گرافن ابداع شده است. اینها شامل فراصوت و سانتریفیوژ گرافیت در یک مایع برای ایجاد پراکندگی گرافن، سنتز از شکر، به نام “روش تانگ لائو”، کاهش کاربید سیلیکون و رشد همپایه توسط رسوب شیمیایی بخار (CVD) است.

گرافن نه تنها برای کشف روش‌های سنتز، بلکه برای خواص چشمگیرش به ماده‌ای بسیار مورد تحقیق تبدیل شده است. علاقه علمی به این ماده از زمان اولین جداسازی آن در سال 2004 به طور قابل توجهی افزایش یافته است و همچنان ادامه دارد.

^{تعداد مقالات علمی منتشر شده در سال حاوی کلمه کلیدی گرافن. داده ها از www.sciencedirect.com در 2 نوامبر 2018 جمع آوری شد.}

گرافن معمولاً یا به صورت پراکنده، روی یک بستر یا به صورت پودر اکسید گرافن استفاده می شود. صرف نظر از نوع تحویل، خود ماده دارای خواص برجسته بسیاری از جمله خواص الکترونیکی، نوری، حرارتی و مکانیکی است. بسیاری از خواص خارق العاده گرافن از این واقعیت ناشی می شود که تنها یک لایه اتمی ضخامت دارد.

ویژگی های مکانیکی

گرافن یک ماده بسیار سبک است که چگالی مسطح آن 0.77 میلی گرم بر متر است². همچنین دارای سخت ترین و سخت ترین ساختار کریستالی در بین تمام مواد شناخته شده است. این استحکام کششی 125 گیگا پاسکال و مدول الاستیک 1.1 تراپاسکال دارد، در مقایسه با مدول الاستیک 200 گیگا پاسکال برای رایج ترین فولادها. قدرت شکست آن 42 نیوتن بر متر است. بنابراین گرافن دارای استحکام مکانیکی 100 برابر بهتر از فولاد است.

خواص نوری

گرافن در برابر نور مرئی بسیار شفاف است و شفافیت آن 97.7 درصد است. هنگام تعیین تعداد لایه های گرافن از این مزیت استفاده می شود، زیرا هر لایه 2.3 درصد نور را جذب می کند.

خواص الکتریکی

گرافن تحرک الکترون بسیار بالایی دارد (2×105 سانتی متر).²/Vs)، آن را به رسانایی ترین ماده در دمای اتاق، با رسانایی 10 تبدیل می کند⁶ S/m و مقاومت ورق 31 Ω/sq.

گرافن دارای همپوشانی کوچکی بین نوارهای ظرفیت و هدایت است. به همین دلیل، هم به عنوان نیمه فلزی و هم به عنوان نیمه هادی با فاصله باند صفر طبقه بندی می شود. وجود غلظت معینی از الکترون ها در نوار رسانایی و حفره ها در نوار ظرفیت، حتی در دمای صفر مطلق (در حالی که ساختار الکترونیکی بدون شکاف آن را در نظر می گیریم، به این معنی که الکترون ها می توانند از نوار رسانایی عبور کنند) دلیل گرافن است. به عنوان یک ماده نیمه فلزی طبقه بندی می شود و منشاء رسانایی الکتریکی بالای آن است.

یک لایه گرافن رسانایی الکتریکی 10000 برابر بیشتر از چند لایه گرافن نشان می دهد.

خواص حرارتی

رسانایی گرمایی گرافن 5300 W/mK است که ده برابر رسانایی حرارتی مس است. با این حال، هنگامی که در یک ماده آمورف پشتیبانی می شود، هدایت حرارتی آن به حدود 500-600 W/mK کاهش می یابد.

تنظیم ویژگی ها از طریق عملکرد

ویژگی‌های گرافن را می‌توان از طریق عملکرد سطحی اصلاح کرد. این شامل افزودن اکسیژن یا سایر گروه های عامل شیمیایی به تک لایه است. عملکرد گرافن امکان تنظیم خواص از جمله رسانایی الکتریکی، هدایت حرارتی و توانایی تک لایه ها برای پردازش در محلول را فراهم می کند و از تجمع آنها جلوگیری می کند. بسیاری از کاربردهای گرافن نیاز به عملکرد آن دارند. یکی از رایج ترین انواع گرافن اصلاح شده شیمیایی، اکسید گرافن است.

خواص جوهر، لایه ها و پودرهای گرافن

به دلیل ماهیت دو بعدی، گرافن را می توان به صورت لایه روی یک بستر، به صورت پراکندگی (یا جوهر) و به صورت پودر اکسید گرافن عرضه کرد.

جوهر گرافن، زمانی که روی یک سطح اعمال می شود، یک فیلم رسانای الکتریکی با مقاومت ورقه ای 15 وات بر مربع ایجاد می کند.

گرافن تک لایه را نیز می توان با انتقال آن از یک بستر پلیمری متحرک به زیرلایه مورد نظر دیگری اضافه کرد. گرافن تک لایه از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) ساخته می شود.

^{فرآیند انتقال آسان گرافن تک لایه از یک بستر پلیمری به یک بستر جدید.}

گرافن روی فیلم‌های PET نیز موجود است. در این مورد، گرافن تک لایه با کیفیت استثنایی از طریق CVD روی یک بستر PET با ضخامت 188 میکرومتر با ابعاد تا 600 میلی‌متر در 500 میلی‌متر رشد می‌کند. سپس این می تواند به یک بستر جدید نیز منتقل شود.

^{تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از تک لایه گرافن.}

در نهایت، گرافن را می توان به شکل پودر اکسید گرافن نیز تحویل داد. در این مورد، پودر در یک پراکندگی آبی وجود دارد و اندازه ذرات متوسط ​​285 میکرومتر، غلظت 4.0 میلی گرم بر میلی لیتر و مقدار pH 2.20-2.50 را نشان می دهد.

تولید گرافن

گرافن با کیفیت بالا معمولاً از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) رشد می کند. این یکی از رایج ترین روش های تولید گرافن با کیفیت بالا است. در این فرآیند، واکنش‌دهنده‌های گازی قبل از واکنش در محفظه واکنش وارد می‌شوند تا لایه‌ای از ماده مورد نظر بر روی سطح زیرلایه تشکیل شود.

در شکل گیری گرافن از طریق CVD، این کار در دو مرحله انجام می شود: ایجاد کربن و تشکیل ساختار گرافن.

در مرحله اول، اتم های کربن از طریق پیرولیز (تجزیه حرارتی در یک جو بی اثر) ایجاد می شوند. این کار بر روی سطح زیرلایه انجام می شود تا از تشکیل خوشه های کربن یا دوده جلوگیری شود. بستر مورد استفاده اغلب یک کاتالیزور فلزی است.

در مرحله دوم، واکنشی بین اتم‌های کربن و بستر کاتالیزور رخ می‌دهد که منجر به تشکیل گرافن می‌شود.

کاربردهای گرافن

با وجود کشف نسبتاً اخیر، گرافن به طور گسترده در ساخت دستگاه های مختلف آزمایش شده است، برخی در مراحل اولیه توسعه و برخی دیگر در حال حاضر در بازار هستند.

به دلیل شفافیت بالا و رسانایی الکتریکی بالا، گرافن به عنوان یک رسانای شفاف بسیار جذاب است که می تواند جایگزین کمتری برای اکسید قلع ایندیم (ITO) باشد. به دلیل انعطاف پذیری، گرافن می تواند در نمایشگرهای انعطاف پذیر نیز استفاده شود.

همچنین از خواص الکتریکی گرافن در ایجاد ترانزیستورهای اثر میدانی (FET)، آشکارسازهای نوری، فتوولتائیک‌ها، سیستم‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS)، ابرخازن‌های انعطاف‌پذیر و باتری‌های لیتیوم یونی منعطف استفاده می‌شود.

علاوه بر خواص الکتریکی، خواص شیمیایی و حرارتی آن را برای استفاده در حسگرهای فشار، حسگرهای گاز، حسگرهای دما، حسگرهای زیستی و حسگرهای جریان وام می‌دهد. شرکت سازنده گوشی های هوشمند هوآوی شروع به استفاده از گرافن در گوشی های هوشمند خاص به عنوان یک دستگاه خنک کننده مدارهای مجتمع کرده است.

همچنین از خواص مکانیکی گرافن برای ساخت کامپوزیت های گرافن مبتنی بر پلیمر و الیاف گرافن استفاده شده است. همچنین برای بهبود خواص مکانیکی در لاستیک گنجانده شده است.

اکنون گرافن را به اشکال مختلف در Matmatch پیدا کنید.