پیدایش گرافن و خواص شگفت‌انگیز آن

تهیه و تنظیم: گروه تخصصی پارس اپتیک

بخش دوم: پیدایش گرافن و خواص شگفت‌انگیز آن

می‌توان کشف و یا جداسازی گرافن را یک حادثه عمدی دانست. پرفسور گیم از دانشگاه منچستر قصد مطالعه بر روی مشخصات لایه‌های نازک گرافیت (حدود ۱۰ تا ۱۰۰ لایه) را داشت و وظیفه بدست آوردن این لایه‌ها را بر عهده دانشجویی قرار داد. پس از مدتی، دانشجو یک قطعه گرافیت را به اندازه یک حبه کوچک صیقل داد، اگرچه این کار بی‌فایده به نظر می‌رسید؛ چرا که گرافیت هنوز به صورت ماده بالک بود.

با توجه به اینکه آن ها برای پاک‌کردن سطوح از روش لایه‌برداری استفاده می‌کردند، لذا لایه‌های بالا را با نوار اسکاچ تمیز کردند و پس از آن آقای گیم و به همراه دانشجوی خود نووسلوو شروع به بازی با پوسته گرافیتی چسبیده روی نوار کردند. سرانجام، آن ها متوجه شدند که میتوانند که این پوسته ها را با یک نوار چسبنده بر روی یک ویفر سیلیکونی (با ۳۰۰ نانومتر SiO₂) انتقال دهند تا آن‌ها را زیر میکروسکوپ نوری مشاهده کنند (شکل ۱). این کشف یک پیشرفت غیرمنتظره است؛ چرا که می توان بدون تجهیزات پیشرفته به گرافن یک، دو یا چندلایه دست یافت. اگرچه کریستال های جدا شده کوچک (کمتر از ۱ نانومتر) هستند اما از کیفیت بالا برخوردار بوده و برای آزمایشات بنیادی مناسب هستند [۱–۲].

شکل ۱ – راست: گرافن بسیار شفاف بر روی سطح سیلیکون اکسیدشده، چپ: پوسته‌های گرافیت بر روی سطح مشابه.

خواص شگفت‌انگیز مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و نوری گرافن غیرقابل‌انکار است. اندازه‌گیری‌های انتقال حاکی از آن است که میزان موبیلیتی (سرعت جریان بارهای الکتریکی در نیمه‌هادی) گرافن ۲۵۰ برابر سیلیکون است. تاکنون موبیلیتی حامل بیش از ۲۰۰۰۰۰ cm²V^−۱s^−۱ گزارش شده است. حامل‌های بار در گرافن  با جرم موثر کاهش‌یافته انتشار می‌بابند و توسط معادله دیراک به جای معادله شرودینگر توصیف می‌شوند [۶].

مشخصات مکانیکی و فیزیکی گرافن بسیار قابل توجه است. گرافن ۱ میلیون بار نازک‌تر از یک رشته موی انسان و ۳ برابر قوی‌تر از فولاد است. این ماده مانند لاستیک قابل‌انعطاف است و می‌تواند تا ۱۲۰ درصد طول خود افزایش طول داشته باشد. مدول یانگ در آن حدود ۱۱۰۰ GPa و قدرت شکست در آن ۱۲۵ GPa است. بنابراین گرافن انعطاف‌پذیرترین کریستال است و از نظر نفوذ نیز حتی از هلیوم غیرقابل‌نفوذتر است. همچنین، گرافن با توجه به اتصال قوی کووالانتی خود با شبکه، دارای رسانش حرارتی بالا (چندین برابر مس) در حدود ۵۰۰۰ Wm^-1K^-1 است [۷].

همچنین گرافن دارای خواص نوری قابل توجه است. برای مثال می‌توان آن‌را بصورت یک ساختار اپتیکی تجسم کرد، باوجود اینکه ضخامت تک‌اتمی دارد. عبور (T) آن‌را می‌توان به نسبت ثابت ساختار ظریف توصیف کرد. پاشیدگی خطی الکترون‌های دیراک در گرافن، کاربرد آن را برای پهن باند مناسب ساخته است. انسداد پائولی در گرافن موجب بروز پدیده جذب اشباع پذیر و حامل‌های غیرمتعادل در آن باعث بروز لومینسانس با حرارت بالا می‌شود.

غنی بودن خواص اپتیکی و الکتریکی گرافن، آن‌را به یک ماده ایده‌آل فوتونیکی و اپتوالکترونیکی تبدیل کرده است. تاکنون تمرکز اصلی پژوهشگران  بر روی فیزیک بنیادین و ابزارهای الکترونیکی بوده است. ما معتقدیم که پتانسیل واقعی گرافن در علوم فوتونیک و اپتوالکترونیک است؛ چراکه درآن ترکیبی از خواص منحصربه‌فرد اپتیکی و الکترونیکی قابل بهره برداری وجود دارد. همچنین، به دلیل عدم وجود شکاف باند و پاشیدگی خطی الکترون‌های دیراک، تنظیم‌پذیری آن را در یک پهنای باند وسیع ممکن می‌سازد .

گرافن به دلیل پایداری بالای شیمیایی، استحکام مکانیکی و موبیلیتی حامل کاندید مناسبی برای تکنولوژی‌های پیشرفته است. در حال حاضر ابزارهای فوتونیکی و اپتوالکترونیکی مبتنی برگرافن مانند آشکارسازها، لیزرهای فوق‌سریع، قطبنده‌ها، مدولاتورها، دیودهای نورانی، ادوات فتوولتائیک، صفحات لمسی، هادی‌های شفاف، محدودکننده‌های نوری، ادوات تراهرتز، مبدل‌های فرکانس نوری، پنجره‌های هوشمند قابل‌انعطاف و سیستم‌های نمایشگر در خط تولید کارخانجات هستند.