دانلود مقاله گرافن با فرمت ورد ودر 14 صفحه قابل ویرایش

گرافن نام یکی از آلوتروپ هاي کربن است.در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ هاي کربن)، هر کدام از اتم‌هاي چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روي لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌است، اما این پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوک مداد به کار بروند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده‌است.

هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷فیلیپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه مرمین- واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین- واگنر نمی‌تواند کاملا درست باشد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.

تاریخچه:

اصطلاح گرافن اولین بار در سال 1962 میلادی توسط Hanns-Peter Boehm معرفی شد. وی کسی بود که قصد داشت از این اصطلاح جهت توصیف فویل کربن تک لایه استفاده کند. بسیاری از دانشمندان تصور می نمودند که صفحه کربن در این ضخامت اندک و برابر با قطر یک اتم کربن، نمی تواند پایدار باشد و سال های بسیاری پس از آن تحقیقات متوقف مانده بود تا جایی که در سال 2004 دو دانشمند به نام های کنستانتین نووسلوف و آندره جیم نخستین بار به طرز موفقیت آمیزی صفحات گرافن را با استفاده از نوار چسب جدا کردند. نوار پیوسته مکرراً استفاده شد تا گرافیت را به تکه های نازک تری جدا کند. سپس نوار با تکه های گرافیت مجزا در استون حل شد و بعد از چند فرآیند، تکه های شامل تک لایه روی یک قرص سلیکونی رسوب داده شد. گفتنی است که جهت کنترل مراحل مذکور از یک میکروسکوپ نوری استفاده شده است. این روش به نوار اسکاچ معروف گشته است.

روش مذکور برای جامعه فیزیک یک شگفتی بود و به همین علت جیم و نووسلوف و همکارانشان از دانشگاه منچستر جایزه نوبل فیزیک سال 2010 را از آن خود نمودند.

اگرجه گرافنی که از این روش تولید می گشت به دلیل مشکلات تولیدی بسیار گران تهیه می گردید، ولی امروزه با گذشت زمان و توسعه روش های نوین، فرایند لایه برداری ورقه های گرافن با روش های خیلی ارزانتر تولید می گردد.

گرافن قبلاً در سال 1947 توسط والاس مورد مطالعه قرار گرفت. او برای محاسبات در زمینه فیزیک حالت جامد گرافن را مورد بررسی قرار داد و ساختار الکترونیکی آن را پیش بینی نمود.

معرفی :

گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکون در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافین در حدود 0.142 نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله ی بین صفحه ای 0.335 نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافنی از 5 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه و بین 20 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه ، گرافن ضخیم و یا نانو بلور های نازک گرافیتی، می‌نامند. گرافن خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد. [4].

گرافن و کاربردهای آن:

ایده‌ گرافن به‌صورت نظری، برای اولین بار توسط فیلیپ والاس در سال۱۹۴۷بیان شد. محرک او برای بیان این ایده، تحقیق و فعاليتش روی گرافیت ( گرافن سه‌بعدی) بود. البته نام گرافن به‌طور رسمی تا چهل سال بعد، زمانی که به‌عنوان تک‌لایه‌ی تشکیل‌دهنده‌ گرافیت به‌کار رفت، استفاده نشد. در حقیقت گرافن، یک شبکه‌ی لانه‌زنبوري ۲بعدی‌ست که از پیوند کووالانسي اتم‌هاي کربن به‌وجود آمده است و ضخامتش تنها یک‌اتم کربن است. گرافن پایه و اساس گرافیت است، به‌این علّت که با روی هم قرار گرفتن گرافن‌ها، گرافیت به‌وجود می‌آید. به‌عبارت دیگر یک‌گرافیت از گرافن‌هایی تشکیل شده است که به‌وسیله‌ نیروهای جاذبه‌ ضعیف بین مولکولی روی هم قرار گرفته‌اند. لازم به‌ذکر است که شکل کاملاً قابل مشاهده و آزمایش آن تا سال ۲۰۰۴کشف نشده بود.

در طول۶سال گذشته، دانشمندان کشف کرده‌اند که گرافن ویژگی‌های منحصربه ‌فرد و عجیبی دارد. بعضی‌ها می‌گویند که این ماده می‌تواند زندگی ما را در قرن۲۱متحول کند. نه‌تنها گرافن نازک‌ترین ماده‌ای‌ست که قابلیت شکل‌پذیری مفید و بهره‌برداری از این‌قابلیتش را دارد، بلکه ۲۰۰برابر مستحکم‌تر از فولاد است و از لحاظ رسانايي الکتریکی، برتر از هر نوع ماده‌ای‌ست که در دمای اتاق وجود دارد.

• در حقیقت یکی از مهم‌ترین کاربردهای گرافن می‌تواند در الکترونیک باشد.

نوبل امسال به‌دو دانشمند روس به‌نام‌های کنستانتین نوسلو و آندره گیم رسید که علّت این جایزه کار نوی آن‌ها در این‌مسئله بود که می‌تواند منجر به‌انقلابی در صنعت الکترونیک و امکان ساخت وسایلی سخت‌تر از فولاد و جرمی کمتر از حدّ معمول گردد. گیم می‌گوید:

می‌توان این وضعیت را شبیه۱۰۰سال پیش دانست، یعنی زمانی که پلیمرها کشف شدند. مدتی زمان برد تا پلیمرها در پلاستیک به‌کار روند و این‌چنین در زندگی ما پر اهمیت گردند.

ذره‌ای از کاربردهای محتمل گرافن می‌تواند موارد زیر باشد:

• استفاده شدن به‌جای فیبرهای کربن در کامپوزیت ‌ها که نتیجتا باعث ایجاد هواپیماها و ماهواره‌های سبک‌تر گردد.