گرافن در اصل لایه تک اتمی از گرافیت  است که آلوتروپ کربن محسوب می شود و از اتم های کربن به هم پیوند شده ای تشکیل یافته است که به شکل شبکه شش ضلعی در کنار هم قرار گرفته اند.  چیزی که باعث می شود گرافن یک ماده خاص باشد، هیبریداسیون sp2 آن و ضخمات اتمی نازکش( 0.34 نانومتر) است.  همین خواص باعث می شود گرافن به عنوان یک ماده قوی مدنظر قرار گیرد و رسانای گرما و الکتریسیته باشد.  در این مقاله قصد داریم برخی از خواص گرافن را با هم مرور کنیم. پس همراه مجله الکترونیکی نانو باشید.

ویژگی های بنیادین گرافن:

قبل از اینکه در سال 2004، گرافن تک لایه جدا و کشف شود، بیشتر محققان به لحاظ نظری معتقد بودند که ترکیبات دو بعدی به خاطر ناپایداری گرمایی به هنگام جدا شدن، نمی توانند وجود خارجی داشته باشند. با اینحال بعد از اینکه گرافن کشف شد، روشن گردید که وجود چنین موادی ممکن است و به همین خاطر دانشمندان به دنبال درک خواص و ویژگی های این مواد رفتند.

 خواص الکترونی گرافن:

یکی از مهم ترین و مفیدترین خاصیت گرافن این است که این ماده یک نیمه فلز با همپوشانی صفر  با هدایت الکتریکی بسیار بالاست. همانطور که می دانید اتم های کربن در کل، 6 الکترون دارند. دو مورد از این الکترون ها در پوسته داخلی و 4 مورد در پوسته خارجی کربن واقع شده است. 4 الکترون موجود در پوسته خارجی در هر اتم واحد کربن، برای پیوند شیمیایی آماده هستند اما در گرافن هر اتم به سه اتم کربن دیگر در فضای دو بعدی متصل شده است و یک الکترون به صورت ازادانه در  بعد سوم برای رسانایی الکترونیکی در دسترس است. به این الکترون های بسیار سیال، الکترون پی(pi) گفته می شود و بالا و پایین ورقه های گرافن قرار دارند. این اوربیتال های پی با هم همپوشانی می کنند و به بهبود پیوند کربن به کربن در گرافن کمک می نمایند. اساسا، خاصیت الکترونیکی گرافن به پیوند و ضد پیوند های این اوربیتال های پی بستگی دارد.  تحقیقات انجام شده در طول 50 سال گذشته نشان می دهد که نقطه Dirac در گرافن، الکترون ها و حفره ها، جرم موثر صفر را دارند. این موضوع بدین خاطر رخ می دهد که ارتباط انرژی-حرکت برای انرژی کم در نزدیکی 6 گوشه ای از منطقه بریلوین که با عنوان نقطه Dirac شناخته می شود، خطی است. با توجه به چگالی صفر در نقطه Dirac، رسانایی الکترونیکی واقعا پایین است. با اینحال سطح فرمی را می توان با Doping تغییر داد و ماده ای را ایجاد نمود که رسانایی الکتریکی بهتری در دمای اتاق داشته باشد. ازمایش های مختلف نشان می دهد که سیالیت الکترونیکی گرافن بسیار بالاست . محققان بر این باورند که الکترون های گرافن  در سیالیت خود بسیار شبیه فوتون عمل می کنند و این موضوع به خاطر نبود جرم یا توده است. این حامل های بار، می توانند مسافت های میکرومتری را بدون پراکندگی و تفرق، طی کنند. با اینحال کیفیت گرافن و بستری که  مورد استفاده قرار می گیرد می تواند یک فاکتور محدودکننده باشد. به عنوان مثال در بستر سیلیکون دی اکسید، سیالیت( تحرک) به 40,000 cm2·V−1·s−1 محدود می شود.

 قدرت مکانیکی:

 یکی دیگر از خواص فوق العاده گرافن، قدرت ذاتی آن است. به خاطر قدرت 0.142 نانومتر طول پیوند های کربن در این ماده؛ گرافن  یکی از قوی ترین موادی است که تا به حال کشف شده است. استحکام کششی نهایی گرافن حدود 130,000,000,000 پاسکال است که در مقایسه با 400,000,000 برای فولاد ساختار A36 عدد بسیار بزرگ تری است. گرافن نه تنها به طور فوق العاده ای قوی است بلکه  در 0.77 میلی گرم به ازای هر متر مربع، سبک نیز می باشد. محققان بر این باورند  که یک ورقه واحد از گرافن  اندازه کافی برای پوشش دادن یک زمین فوتبال را دارد  و وزن آن کمتر از یک گرم است.  چیزی که باعث می شود این خاصیت بسیار ویژه باشد این است که گرافن خاصیت کشسانی هم دارد. همین امر موجب می شود این ماده حتی بعد از کشش نیز اندازه اولیه خود را حفظ کند. در سال 2007، آزمایش میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) بر روی ورقه های گرافن که بر روی حفرات سیلیکون دی اکسید شناور و معلق بودند انجام شد. این ازمایش نشان داد که ورقه های گرافن( با ضخامت بین 2 الی 8 نانومتر) ثابت اسپرینگی در محدوده 1 الی 5 N/m دارند و مدول یانگ آن 0.5 TPa است. باز هم این ارقام عالی بر پایه چشم انداز های نظری است که در آن از گرافنی استفاده می شود که هیچ عیب و نقصی ندارد. تولید چنین گرافنی در دنیای واقعی و با ابزارهای موجود بسیار پر هزینه و البته پیچیده است. با اینحال دانشمندان در حال کار بر روی تکنیک هایی هستند که بتواند تولید این ماده را ساده تر سازد و از هزینه های موجود بکاهد.

 خواص نوری:

توانایی گرافن برای جذب 2.3 درصد از نور سفید، یک خاصیت منحصر به فرد و جذاب است به خصوص زمانی که بدانید این ماده تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارد. این خاصیت به خاطر خواص الکترونیکی گرافن است که در بخش قبلی مقاله راجع به آن صحبت کردیم. الکترون ها در گرافن همانند بارهای بدون جرمی عمل می کنند که سیالیت بسیار بالایی دارند. چند سال قبل،  محققان به این نتیجه رسیدند که مقدار نور سفید جذب شده بر اساس ثابت ساختار ریز است(در دانش فیزیک، ثابت ساختار ریز که با نام ثابت زومرفلد نیز شناخته می‌شود و با نشان αنشان داده می شود، یکی از ثابت های بنیادین فیزیک است که ویژگی قدرت برهم‌کنش الکترومغناطیس را بین ذرات باردار شده با بار پایه مشخص می‌نماید).  اضافه کردن لایه دیگری از گرافن، مقدار نور جذب شده را به همان مقدار(2.3 درصد) افزایش می دهد. کدری یا همان تاری گرافن πα ≈ 2.3% در محدوده فرکانس قابل مشاهده معادل با مقدار رسانایی پویای فراگیر یعنی G=e2/4 (±2-3%) است.به خاطر وجود چنین ویژگی های جذابی در گرافن، محققان دریافته اند زمانی که شدت نوری به استانه خاصی می رسد ، جذب اشباع رخ می دهد. این یک ویژگی بسیار مهم برای گرافن محسوب می شود زیرا می توان از چنین قابلیتی در موارد مختلف استفاده کرد. به خاطر خواص گرافن از جذب اشباع فوق سریع با حساسیت به طول موج، باند کامل قفل مُدی با استفاده از لیزر فیبری  erbium-doped dissipative soliton حاصل شده است.

یکی دیگر از کاربردهای جذابی که برای گرافن توسعه یافته است از این حقیقت نشئت می گیرد که ورقه های این ماده  ضخامتی به اندازه یک اتم کربن دارند. محققان دریافته اند که  می توان از نانومنفذها برای تجزیه و تحلیل سریع ساختار DNA استفاده کرد. زمانی که مولکول DNA از نانومنفذهایی عبور می کند که ولتاژی بر روی آن اعمال شده است، محققان می توانند ساختار DNA  را  با تغییر در جریان الکتریکی تعیین کنند. از آنجایی که گرافن بسیار نازک است، ساختار مولکول DNA  زمانی که از نانومنفذهای برش خورده در ورقه گرافنی عبور می کند، در رزولوشون بالا نشان داده می شود.

رسانایی گرمایی :

رسانایی گرمایی گرافن تقریباً ۵۰۰۰ وات بر متر درجه کلوین اندازه گیری شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق حدود ۴۰۱ وات بر متر درجه کلوین است. این موضوع بدین معنی است که گرافن ۱۰ برابر بهتر از مس گرما را انتقال می دهد.

 منبع: graphenea