Research Grade Graphene Nanoplatelets PowderPurity: 99.5% - GrapheneThickness: 2-18nm, Less than 32 layersVolume Resistivity: 4x10-4 ohm.cmDiameter: 4-12 umBulk Density: 0.05-0.081 g/cm3Tap Density: 0.082-0.13 g/cm3Graphene Specific Surface Area: 500 - 1200 m2/gThe Product COA: C=99.7%, O<0.3%
گرافن چیست و چگونه ساخته می شود؟گرافین یا گرافن (به انگلیسی: Graphene) نامِ یکی از آلوتروپ‌هایِ کربن است. این ماده با استفاده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی تشکیل‌شده است. که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است. یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی کل صفحه? گرافین و بین تمام اتم‌ها به اشتراک گذاشته‌شده و الکترونِ آزاد است. در صورت وجود ناخالصی بر روی صفحات گرافین مانند اکسیژن این الکترون به صورت پیوند ? در پیوند میان کربن با اکسیژن شرکت می‌کند.
در گرافیت (فراوان‌ترین آلوتروپ کربن)، هر کدام از اتم‌هایِ چهارظرفیتیِ کربن، با سه پیوندِ کووالانسی به سه اتمِ کربنِ دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه? گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر رویِ لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترونِ ظرفیت نیز یک پیوندِ شیمیایی داده‌است، اما این پیوندِ این الکترونِ چهارم، از نوعِ پیوندِ واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌هایِ گرافیت به راحتی بر رویِ هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوکِ مداد به کار بروند. گرافین ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌هایِ گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترونِ پیوندیِ کربن، به عنوان الکترونِ آزاد باقی‌مانده‌است.
هر چند نخستین بار در سال ???? فیلیپ والاس درباره? گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هایِ زیادی برایِ ساختِ آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نامِ قضیه? مرمین-واگنر در مکانیکِ آماری و نظریه? میدان‌هایِ کوانتومی وجود داشت که ساختِ یک ماده? دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. زیرا بر اساس این نظریه نیروی اعوجاجات اتم‌های درون یک ساختار دوبعدی در دمای اتاق از نیروی پیوندی میان اتم‌ها بزرگ‌تر شده و ساختار دوبعدی از هم گسسته می‌شود. اما به هر حال در سال ????، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساختِ این ماده شده و نشان دادند که قضیه? مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزه? نوبلِ فیزیکِ ???? نیز به خاطرِ ساختِ ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.
معرفی نانو گرافن:گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد. گرافین به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک‌پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده‌است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده‌است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده‌است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافین در حدود ????? نانومتر است.
ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافین است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که برهم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله? بین صفحه‌ای ????? نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافینی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافینی از ? تا ?? لایه را به نام گرافین کم لایه و بین ?? تا ?? لایه را به نام گرافین چند لایه، گرافین ضخیم یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می‌نامند.
از نظر مکانیکی، مقاومت کششی نهایی گرافین برابر ??? گیگاپاسکال (در مقایسه با مثلاً ???مگاپاسکال فولاد) است. از نظر الکتریکی، گرافین خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد. در گرافین طیف حامل‌ها شبیه به طیف فرمیون‌های دیراک بدون جرم می‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح و کسری، در این سامانه باعث شده‌است که توجه بسیاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک به آن جلب شود. علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافین به‌طور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافن موجود در سامانه? مورد نظر بستگی دارد.
به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافین تک لایه تقریباً برابر با ?? درصد و مقاومت صفحه? آن ?/? می‌باشد و گذردهی نوری برای گرافین‌های دو، سه و چهار لایه به ترتیب ??، ?? و ?? درصد با مقاومت صفحه? به ترتیب ?، ??? و ??? است که نشان دهنده? آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافین گذردهی نوری سامانه کم می‌شود.از سوی دیگر چگالی حامل بار در گرافین از مر تبه ???? بر سانتی‌متر مربع با تحرک‌پذیری تقریباً 15000 cm?/V.s و با مقاومتی از مرتبه ?-?? اهم-سانتی‌متراست که به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) می‌باشد.
خواص منحصربفرد گرافن آن را کاندیدهای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع‌کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف، و حسگرها قرار داده‌است. همچنین، رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافین، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع‌کننده نور (OLED) معرفی می‌کند. بکارگیری بسیاری از این سامانه‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافینی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست.
روش‌های ساخت گرافنامروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آن‌ها می‌توان به روش‌های لایه برداری مکانیکی، لایه برداری شیمیایی، سنتزشیمیایی و رسوب بخار شیمیایی (CVD) را نام برد. برخی روش‌های دیگری همانند شکافتن نانو لوله‌های کربنی و ساخت باامواج ماکرویو نیز اخیراً بکاربرده شده‌اند. یک نمای کلی از روش‌های ساخت گرافین در زیر آمده‌است:
- روش‌های ساخت گرافن
- از پایین به بالا
- رشد برآیایی
- شکافت گرمایی
- CVD.
- از بالا به پایین
- لایه برداری مکانیکی
- چسب نواری
- Atomic Force Microscopy Tips
- لایه برداری شیمیایی
- سنتز شیمیایی
- با امواج فرا صوتی
- روش شیمیایی
- نمک مذاب
در سال ????گروه Lang برای اولین بار گرافیت کم لایه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش CVD تولید کردند. در سال ???? گروه Lu با استفاده از AFM، لایه برداری مکانیکی را بر روی یک گرافیت پیرولیتی به منظور تهیه گرافین تک لایه انجام دادند. با این وجود، گرافن تک لایه برای اولین بار در سال???? توسط گروه Novoselov تولید و گزارش شد. آن‌ها از چسب نواری برای جدا کردن لایه‌های گرافین از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایه‌های متنوع گرافین را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز است. روش لایه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایه‌های گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بدست آمده توسط این روش برابر با ?? نانومتر است که تقریباً برابر با ?? لایه گرافین تک لایه است.
در روش لایه برداری شیمیایی فلزات قلیایی بین صفحات گرافیت پراکنده شده در محلول، قرار می‌گیرند. به‌طور مشابه روش سنتز شیمیایی شامل اکسید گرافیت پراکنده در محلول ناشی شده از کاهش هیدروزین است. همانند تولید نانو لوله‌های‌کربنی توسط روش CTCVD، تولید گرافین توسط این روش یکی از بهترین روش‌ها برای تولید گرافین در ابعاد بزرگ است.
در این روش کربنی که به وسیله? گرما جدا شده بر روی سطح یک فلز فعال قرار می‌گیرد و در دمای بالا و تحت فشار اتمسفر یا فشار کم، یک شبکه لانه زنبوری تشکیل می‌دهد. از آنجایی که این روش CVD در یک کوره گرمایی انجام می‌گیرد آن را روش CVD گرمایی می‌نامند. هنگامی که روش شامل رشد به کمک پلاسما باشد، روش CVD پلاسمای غنی شده نامیده می‌شود. هریک از این روش‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند، به عنوان مثال روش لایه برداری مکانیکی توانایی و قابلیت ساخت گرافین یک لایه تا چند لایه را دارد اما همانندی نمونه‌های بدست آمده بسیار پایین است.
همچنین ساخت گرافن در ابعاد بزرگ یکی از چالش‌های پیش روی این روش است. برای تهیه گرافین تک لایه و چند لایه می‌توان از روش چسب نواری استفاده کرد اما تحقیقات گسترده? بیشتری برای توسعه این روش جهت استفاده در قطعه‌های الکترواپتیکی لازم است. روش‌های سنتز شیمیایی از روش‌های دمای پایین هستندکه این ویژگی موجب می‌شود ساخت گرافین بر روی انواع زیر لایه‌های با دمای محیط، به ویژه زیرلایه‌های پلیمری آسان‌تر شود، با این حال، همگنی و یکسانی گرافین تولید شده در ابعاد بزرگ، حاصل از این روش مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافین از اکسیدهای گرافین کاهش یافته اغلب به علت نقص در فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافین می‌شود.
برآرایی گرافن و گرافیت سازی 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 لایه‌ها از محدودیت‌های این روش‌ها هستند.
محققان در دانشگاه کمبریج روشی را برای تولید گرافین با کیفیت بالا در نمک مذاب ابداع کرده‌اند. این روش که مبتنی بر نفوذدهی هیدروژن از نمک مذاب لیتیم کلرید به گرافیت می‌باشد، قابلیت تولید گرافین در مقیاس صنعتی را دارد. روش مذکور به وسیله? شرکت سرمایه‌گذاری کمبریج در حال تجاری شدن است.