Grafen Yapısı
Grafen , temel olarak, tek bir atomik grafit tabakasıdır; altıgen bir kafes şeklinde düzenlenmiş çok sıkı bağlanmış karbon atomlarından oluşan karbon allotropu olan bol miktarda bir mineral. Grafeni bu kadar özel yapan şey sp2 hibridizasyonu ve çok ince atomik kalınlığıdır (0.345Nm). Bu özellikler, grafenin güç, elektrik ve ısı iletimi gibi pek çok rekor kırabilmesini sağlar (ve diğerleri de). Şimdi, grafeni bu kadar özel kılan şeyleri keşfedelim, onu diğer karbon formlarından ve diğer 2D kristalli bileşiklerinden ayıran kendine özgü özellikleri nelerdir?

Grafenin Yapisi ve Ozellikleri

Temel özellikleri
Tek tabakalı grafenin 2004 yılında izole edilmesinden önce teorik olarak, ayrıldıklarında ısıl kararsızlık nedeniyle iki boyutlu bileşiklerin bulunamayacağına inanılıyordu. Bununla birlikte, bir kez grafen izole edildiğinde, bunun gerçekten mümkün olduğu açıktı ve bilim adamlarının tam olarak nasıl olduğunu öğrenmek biraz zaman aldı. Askıya alınmış grafen tabakaları transmisyon elektron mikroskobu ile incelendikten sonra, bilim adamları, malzemenin yapısını değiştirerek, grafen içinde hafif bir dalgalanma nedeniyle bulunduğunu düşündüklerine inandılar. Bununla birlikte, daha sonra yapılan araştırmalar, grafen içindeki karbon – karbon bağlarının o kadar küçük ve güçlü olmaları nedeniyle termal dalgalanmaların onu dengesizleştirmesini engellediğinden dolayı olduğunu göstermektedir.

Elektronik Özellikler
Grafenin en kullanışlı özelliklerinden biri, çok yüksek elektriksel iletkenliğe sahip, sıfır örtüşmeli bir semimetal (hem delikler hem de yük taşıyıcılar olarak) olmasıdır. Karbon atomları toplam 6 elektrona sahiptir; İç kabukta 2 ve dış kabukta 4. Tek bir karbon atomundaki 4 dış kabuk elektronu kimyasal bağ için kullanılabilir, ancak grafen içinde her atom iki boyutlu düzlemde diğer 3 karbon atomuna bağlanır ve elektronik iletkenlik için üçüncü boyutta serbestçe 1 elektron serbest bırakılır. Bu yüksek mobil elektronlara pi (π) elektronları denir ve grafen tabakasının üstünde ve altında bulunur. Bu pi orbitalleri üst üste gelir ve grafen içindeki karbon ila karbon bağlarını güçlendirmeye yardımcı olur. temelde,

Son 50 yıl boyunca yapılan birleşik araştırma, grafen içindeki Dirac noktasında elektronların ve deliklerin sıfır etkili kütleye sahip olduğunu kanıtladı. Bu, enerji – hareket ilişkisinin (uyarımlar için spektrum), Brillouin bölgesinin 6 ayrı köşesine yakın düşük enerjiler için doğrusal olması nedeniyle oluşur. Bu elektronlar ve delikler Dirac fermiyonları veya Graphinos olarak bilinir ve Brillouin bölgesinin 6 köşesi Dirac noktaları olarak bilinir. Dirac noktalarındaki durumların sıfır yoğunluğu nedeniyle, elektronik iletkenlik gerçekte oldukça düşüktür. Bununla birlikte, Fermi seviyesi, elektriği iletmede potansiyel olarak oda sıcaklığında bakırdan daha iyi bir malzeme oluşturmak için doping (elektron veya delikli) ile değiştirilebilir.

Testler, grafenin elektronik hareketliliğinin çok yüksek olduğunu, daha önce 15.000 cm2 · V − 1 · s − 1 ve teorik olarak 200.000 cm2 · V − 1 · s − 1 potansiyel limitlerinin (grafenlerin saçılması ile sınırlı olduğunu) göstermiştir. akustik fotonlar). Grafen elektronlarının, kütle eksikliğinden dolayı hareketliliklerinde fotonlar gibi davrandığı söylenir. Bu yük taşıyıcılar alt mikrometre mesafelerini saçılma olmadan hareket ettirebilirler; balistik taşınma olarak bilinen bir fenomen. Bununla birlikte, grafen ve kullanılan substratın kalitesi sınırlayıcı faktörler olacaktır. Substrat olarak silikon dioksit ile, örneğin, hareketlilik potansiyel olarak 40.000 cm2 · V − 1 · s − 1 ile sınırlıdır.

“Grafenin gerçek özelliklerini ne kadar anlayabildiğimiz konusunda, buzdağının sadece görünen kısmı budur. Grafen, mükemmel olacağına inandığımız alanlara yoğun bir şekilde bütünleşmeden önce, çok daha fazla zaman harcamamız gerekir. “Ne kadar şaşırtıcı bir malzeme yaparsa onu anlamak”

Mekanik gücü
Grafenin göze çarpan özelliklerinden bir diğeri, doğal gücüdür. 0.142 Nm uzunluğundaki karbon bağlarının gücünden dolayı, grafen, A36 yapısal çelik için 400.000.000 veya Ara36 (Kevlar) için 37.000.000.000 ile karşılaştırıldığında, 130.000.000.000 Palsal (veya 130 gigapaskal) nihai çekme dayanımı ile şimdiye kadar keşfedilen en güçlü malzemedir. . Sadece grafen olağanüstü güçlü değil, metre kare başına 0,77 mililgramda çok hafif (karşılaştırma amacıyla, 1 metrekare kağıt kabaca 1000 kat daha ağırdır). Genellikle, bir futbol sahasının tamamını kaplayacak kadar büyüklükte olan tek bir grafen tabakasının (sadece 1 atom kalınlığında) 1 gram ağırlığında olacağı söylenir.

Bunu özellikle özel kılan, grafenin, zorlanmadan sonra başlangıç ​​boyutunu koruyabilen elastik özellikler içermesidir. 2007 yılında, atomik kuvvet mikroskobik (AFM) testleri, silikon dioksit boşlukları üzerine asılı grafen tabakaları üzerinde gerçekleştirildi. Bu testler, grafen levhaların (2 ila 8 Nm arasında kalınlıkta) 1-5 N / m bölgesinde yay sabitlerine ve Young modülünün (üç boyutlu grafitten farklı) 0.5 TPa’ya sahip olduğunu göstermiştir. Yine, bu üstün rakamlar, üretim teknikleri sürekli olarak iyileştirildiği, sonuçta maliyetleri ve karmaşıklığı azalttığı halde, hiçbir kusur içermeyen ve şu anda çok pahalı ve yapay olarak çoğaltılması zor olan grafen kullanan teorik beklentilere dayanmaktadır.

Optik özellikler
Grafen’in% 2.3’lük bir beyaz ışığın emilim kabiliyeti de, sadece 1 atom kalınlığında olduğu göz önüne alındığında, benzersiz ve ilginç bir özelliktir. Bu, yukarıda belirtilen elektronik özelliklerinden kaynaklanmaktadır; elektronlar çok yüksek hareket kabiliyetine sahip kütlesiz şarj taşıyıcıları gibi hareket eder. Birkaç yıl önce, emilen beyaz ışığın miktarının, malzeme özelliklerine göre belirlenmek yerine İnce Yapı Sabitine dayandığı kanıtlandı. Başka bir grafen katmanı eklemek, yaklaşık olarak aynı değerde (% 2,3) emilen beyaz ışık miktarını arttırır. Grafenin opaklığı ≈α ≈% 2.3, görünür frekans aralığında G = e2 / 4ℏ (±% 2-3) evrensel dinamik iletkenlik değerine eşittir.

Bu etkileyici özelliklerden ötürü, optik yoğunluğun belirli bir eşiğe (doygunluk akışı olarak da bilinir) ulaştığında, doyurulabilir soğurmanın gerçekleştiği (çok yüksek yoğunluklu ışığın soğurmada bir azalmaya neden olduğu) gözlenmiştir. Bu, fiber lazerlerin mod kilitlenmesi açısından önemli bir özelliktir. Grafenin dalga boyuna duyarlı olmayan ultra hızlı doyurulabilir emilim özellikleri nedeniyle, tam bant modu kilitlemesi, 30 nm’ye kadar dalga boyu ayarlama yapabilen bir erbiyum katkılı dağıtıcı soliton fiber lazer kullanılarak gerçekleştirildi.

Grafenin gerçek özelliklerini ne kadar anlayacağımız konusunda, buzdağının sadece görünen kısmı budur. Grafen, mükemmel olacağına inandığımız alanlara yoğun bir şekilde entegre olmadan önce, onu bu kadar şaşırtıcı bir malzeme yapan şeyin ne olduğunu anlamak için çok daha fazla zaman harcamamız gerekir. Ne yazık ki, potansiyel uygulamalar ve grafen için yeni fikirler üretme konusunda çok fazla hayal gücümüz olsa da, bu fikirleri gerçeğe dönüştürmek için hangi grafenin gerçekte nasıl ve ne olduğunu tam olarak anlamak zaman alır. Ancak bu, mutlaka kötü bir şey değildir, çünkü bize, grafenin doğduğu 2D kristal yapıların ailesi gibi, önceden araştırılmış veya gözden kaçırılmış diğer süper malzemelere rastlamak için fırsatlar sunar.

1 Yorum

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here