بخشی از مقاله
بررسي گرافن ونقش آن در نانوالکترونيک
چکيده:
با توجه به کاربردهاي وسيع گرافن در ساخت قطعات الکترونيکي در ابعاد نانو هرگونه مطالعه وتحقيق در مورد گرافن منجر به توسعه قطعات الکترونيکي با حجم کمتر و سرعت بالاتر مي گردد. دراين مقاله ابتدا،ساختار گرافن و خواص عمومي آن مورد بحث قرار مي گيرد.سپس خواص الکتريکي و کاربردآن در مدارات مجتمع بيان شده و نتيجه گيري صورت مي گيرد.
کلمات کليدي :نانولوله ي کربني ،گرافن ،الکتريکي
١. مقدمه : اتم هاي کربن در ساخت ترکيبات مهم شيميايي بسياري شرکت دارند و پايه و اساس فناوريهاي مختلفي هستند. اين اتم ها علاوه بر ترکيب شدن با عناصر ديگر، مي توانند با اتم هاي کربن نيز تشکيل پيوند دهند. اتم هاي کربن از نظر ترتيب پر شدن اوربيتالها، داراي ساختار الکتروني هستند.
بنابراين چهار الکترون آزاد دارند که امکان تشکيل چهار پيوند را براي اين اتم ها مهيا مي سازد.
پيوندهايي که اين اتم ها تشکيل مي دهند، در ترکيبات گوناگون به شکل هاي متفاوتي ديده مي شود و بنابراين خواص متفاوتي نيز ايجاد مي کند. اين اتم ها در ساختار الماس چهار پيوند يگانه ي کوالانس ايجاد مي کنند. يعني هر اتم کربن با چهار اتم کربن ديگر پيوند مي دهد. بنابراين از تمام ٤ ظرفيت خود براي تشکيل پيوند استفاده کرده است . در ساختار گرافيت ، نانولوله و فولرن نيز پيوندهاي يگانه اي بين اتم هاي کربن وجود دارد. با اين تفاوت که هر اتم تنها با ٣ اتم ديگر پيوند مي دهد و در نتيجه سه پيوند يگانه کوالانسي دارد. در اين ساختارها اتم کربن يکي از ظرفيت هاي خود را مصرف نمي کند. اين ظرفيت خالي که در واقع يک الکترون اضافي است ، به شکل يک پيوند آزاد در خارج از صفحه اي که ديگر اتم ها در آن قرار دارند، قرار مي گيرد. اين پيوند آزاد يا معلق مي تواند در شرايطي با گروه هاي عاملي يا ديگر اتم هاي راديکالي موجود در محيط پيوند دهد.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثير بسياري بر خواص مواد مي گذارد. اندازه و شکل فيزيکي نانومواد و چگونگي پيوندهاي بين اتمي آنها از قبيل اين پارامترها هستند. در مورد نانولوله هاي کربني ، پارامترهايي مانند طول ، قطر، نحوه ي چينش اتم ها در ساختار نانولوله ، تعداد ديواره ها، نقص هاي ساختاري و گروه هاي عاملي موجود بر روي نانولوله از جمله خواص فيزيکي و شيميايي هستند که در تعيين خواص نقش دارند. يک نانولوله ، همانطور که از نامش برمي آيد، يک استوانه ي تو خالي با قطري در حد نانومتر است . طول هر نانولوله مي تواند از چند نانومتر تا چند ميکرومتر باشد. اگر يک نانولوله ي تک ديواره را در نظر بگيريم ، با برش دادن ديواره ي آن در راستاي طول نانولوله ، يک صفحه از اتم هاي کربن به نام گرافن به دست مي آيد.
نخستين بار در سال ١٩٤٧ فيليپ والاس درباره ي گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش هاي زيادي براي ساخت آن صورت گرفته بود اما قضيه اي به نام قضيه ي مرمين -واگنر در مکانيک آماري و نظريه ي ميدان هاي کوانتومي وجود داشت که ساخت يک ماده ي دوبعدي را غيرممکن و چنين ماده اي را غيرپايدار مي دانست . اما به هر حال در سال ٢٠٠٤، آندره گايم و کنستانتين نووسلف ، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت اين ماده شده و نشان دادند که قضيه ي مرمين -واگنر نمي تواند کاملا درست باشد.[١]،[٢]
٢. بخش تجربي :
۲-۱. گرافن
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم هاي کربن تشکيل مي شوند. در يک صفحه گرافن ، هر اتم کربن با ٣ اتم کربن ديگر پيوند داده است . اين سه پيوند در يک صفحه قرار دارند و زواياي بين آن ها با يکديگر مساوي و برابر با °١٢٠ است . در اين حالت ، اتم هاي کربن در وضعيتي قرار مي گيرند که شبکه اي از شش ضلعي هاي منتظم را ايجاد مي کنند (شکل ١).
شکل ١: ورقه هاي اتمهاي گرافيت
البته اين ايده آل ترين حالت يک صفحه ي گرافن است . در برخي مواقع ، شکل اين صفحه به گونه اي تغيير مي کند که در آن پنج ضلعي ها و هفت ضلعي هايي نيز ايجاد مي شود. در يک صفحه گرافن ، هر اتم کربن يک پيوند آزاد در خارج از صفحه دارد. اين پيوند مکان مناسبي براي قرارگيري برخي گروه هاي عاملي و هم چنين اتم هاي هيدروژن است . پيوند بين اتم هاي کربن در اينجا کوالانسي بوده و بسيار محکم است . بنابراين گرافن استحکام بسيار زيادي دارد و انتظار مي رود که نانولوله هاي کربني نيز استحکام زيادي داشته باشند. گرافيت نيز که يک ماده ي کربني پر مصرف و شناخته شده است ، از روي هم قرار گرفتن لايه هاي گرافن و تشکيل يک ساختار منظم تشکيل مي شود. اما همانطور که مي دانيم ، گرافيت بسيار نرم است . آنچه لايه هاي گرافن را روي يکديگر نگه مي دارد، پيوندهاي واندروالس بين آن هاست . اين پيوند بسيار ضعيف است . بنابراين لايه هاي گرافن به راحتي مي توانند روي هم بلغزند و به همين دليل گرافيت (نوک مداد سياه ) نرم است [٣]،[٤]
۲-۲. خواص عمومي گرافن
گرافن داراي خواصي مانند قابليت تحرک بسيار بالا ، پراکندگي الکترون –فونون بسيار کم ، ساختار مسطح با سازگاري بيشتر با تکنولوژي CMOS ، پايداري حرارتي بالا در دماي ٣٠٠٠ کلوين ، هدايت گرمايي و استحکام مکانيکي بالا، ساختار Ambipolar، حسگر گاز،داراي چگالي حامل E١١٣ ، نويز بسيار کم ، توسعه رساناهاي شفاف ، کارآمد و اقتصادي جهت افزاره هاي اپتوالکترونيکي انعطاف پذير، مانند OLED ها و سلول هاي فوتوولتائيک آلي مي باشد.[ ٥]،[٦]،[٧]،[٨]
