چگونگی تبدیل نور به جریان الکتریسیته توسط گرافن

• مدیر
• اخبارتکنولوژی
• 1395-01-18
• 16 تیر 1402

گرافن چیست ؟

اگر چه کربن می تواند با پیوند برقرار کردن با چهار اتم  یک شبکه ی سه بعدی در الماس را ایجاد کند ، اما وقتی کربن با سه اتم کربن پیوند برقرار میکند یک ورقه ی دوبعدی ایجاد می شود .  این ورقه ها را گرافن می نامند .

گرافیت ماده ای است که در نوک مدادها از آن استفاده می شود  و این ماده از ورقه  های گرافن که بر روی هم انباشته شده اند تشکیل شده اند .بین  ورقه های گرافن در گرافیت ، فضای خالی وجود دارد . همانطور که در شکل می بینید ، ورقه ها توسط نیروی واندروالانس به هم پیوند شده اند .

 ورقه های گرافن همانطور که در شکل می بینید از  اتم های کربن تشکیل شده اند که شکل شش گوش دارد و هر اتم کربن با پیوند کوالانسی به سه اتم دیگر متصل شده است .هر ورق گرافن تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت دارد و هر ورق گرافن به عنوان یک مولکول تنها در نظر گرفته می شود. گرافن ساختاری شبیه نانو لوله های کربنی دارد تنها تفاوت گرافن با این نانو لوله ها این  است که به صورت مسطح هستند در حالیکه نانو لوله ها همانطور که قبلا نیز گفته شد به حالت استوانه ای می باشند .

خواص گرافن :

ورقه های گرافن از اتم های کربن که به شکل شش گوش به هم پیوند شده اند تشکیل یافته است .  هر اتم کربن با پیوند کوالانسی به سه اتم دیگر متصل است . به خاطر استحکام پیوند کوالانسی بین اتم های کربن ، گرافن استحکام کششی بسیار بالایی دارد . به علاوه گرافن ، بر خلاف باکی بالها و نانو لوله های کربنی ، به خاطر مسطح بودنش هیچ درونی ندارد .  در باکی بالها و نانو لوله ها که هر اتم کربن  بر روی سطح قرار دادرد تنها می تواند با  مولکولهایی که آن را احاطه کرده اند واکنش و تعامل داشته باشد . در گرافن هر اتم از دو طرف قابل دسترسی است و  می تواند تعامل بیشتری با مولکولهای اطرافش داشته باشد .  در گرافن اتم های کربن تنها با سه  اتم پیوند شده اند ، ولی توانایی اتصال به چهار اتم کربن نیز در آنها وجود دارد . این  توانایی  به همراه استحکام کششی بالا و نسبت  سطح به حجم بالا ، این مواد را به یک ماده ی عالی برای ساخت کامپوزیتها تبدیل کرده است .  محققان گزارش کرده اند که مخلوط گرافن در یک اپوکسی ، افزایش استحکامی برابر با  نانو لوله ها را ایجاد کرده است . خواص الکتریکی کلیدی گرافن حرکت و موبایلیته ی الکترونهاست . حرکت الکترونهای گرافن سریعتر از هر ماده ی دیگری است  و محققان در حال گسترش ترانزیستورهایی بر روی گرافن هستند که سرعت بالایی دارد .یکی دیگر از کاربردهای جالب گرافن ، استفاده از خاصیتی است که ورقه های گرافن تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت دارند . محققان دریافته اند که  آنها می توانند از نانو متخلخل ها برای آنالیز DNA   استفاده کنند .  وقتی مولکول DNA  از نانو متخلخل ها که ولتاژی  به آنها وصل شده ، عبور میکنند ، محققان می توانند با استفاده از تغییر در جریان الکتریکی ساختار DNA   را تشخیص دهند .از آنجایی که گرافن بسیار نازک است ، ساختار DNA   وقتی از یک نانو متخلخل قرار گرفته بر روی ورقه های گرافن عبور میکند ، رزولوشون بالاتری خواهد داشت .

سبکی و نازکی :

 هر چیزی که تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت داشته باشد بسیار سبک خواهد بود .

خواص الکترونیکی :

یکی از مفیدترین خواص گرافن ، خاصیت الکترونیکی آن است . اتم های کربن ۶ الکترون دارند . ۲ تا از این الکترونها در پوسته ی داخلی و ۴ تای آن در پوسته ی خارجی قرار دارد . ۴ اتمی که در پوسته ی بیرونی قرار دارد می تواند در واکنشهای شیمیایی شرکت کرده و با اتم های دیگر تشکیل پیوند دهد .  اما در گرافن ، هر اتم کربن تنها به سه اتم دیگر متصل شده است ، و یک اتم به صورت آزاد قرار دارد . این الکترون آزاد الکترون Pi    (π)  نامیده می شود . این اوربیتالهای pi   همپوشانی کرده و پیوند کربن-کربن در گرافن را بهبود می بخشد . اساسا ، خاصیت الکترونی گرافن به خاطر پیوند و ضد پیوند این اوربیتالهای پی است .

خواص نوری :

توانایی جذب ۲٫۳ درصد از نور سفید در گرافن یک خاصیت بسیار ویژه است .این موضوع به خاطر  خاصیت الکترونیکی آن است که قبلا نیز گفته شد . الکترونها مانند حاملهای بار بدون جرم عمل میکنند .

برگرفته شده از nano-mag.ir

چگونگی تبدیل نور به جریان الکتریسیته توسط گرافن

آزمایش‌های اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه ‏IBM‏ در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک ‏‏در خواص گرافن نقش دارند. ‏

به گزارش ایسنا، گرافن با قرار گرفتن در معرض نور، رفتاری متفاوت نسبت به نیمه‌رساناهای مرسوم از ‏خود نشان می‌دهد، با این حال محققان کماکان در مورد مکانیزم دقیق پاسخ‌دهی غیرمعمول ‏این ماده به نور به قطعیت نرسیده‌اند. آزمایش‌های اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ‏ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه ‏IBM‏ در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص ‏کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک (اثر تغییر مقاومت اجسام با دما) در خواص گرافن ‏نقش دارند. نتایج به دست آمده برای ساخت نسل جدید شناساگرهای نوری فوق‌سریع و پر ‏بازده از این ماده بسیار مفید خواهد بود. ‏

شناساگرهای نوری به طور معمول در کاربردهایی از قبیل ارتباطات، حسگرها و ‏تصویربرداری استفاده می‌شوند. اکثر شناساگرهای نوری از نیمه‌رساناهای نوع ‏III-V‏ مانند ‏گالیوم آرسنید ساخته می‌شوند. عملکرد آنها از طریق جذب فوتون‌ها و تولید جفتِ الکترون ‏‏- حفره است که پس از آن از هم جدا شده و جریان الکتریسیته را تولید می‌کنند.

‏

تا به امروز، دانشمندان عقیده داشتند که گرافن نور را تحت پنج مکانیزم متفاوت جذب ‏می‌کند: از طریق اثرات فوتوولتائیک، ترموالکتریک و یا بولومتریک و دفع نور توسط ‏اکسیژن و یا تقویت فوتوترانزیستورها. یک گروه به رهبری فائدون آووریس از ‏IBM، این اثرات را با جزئیات کامل در آزمایشات هدایت‌سنجی نوری در ترانزیستورهای اثر میدانی ‏‏(‏FET‏) گرافنی بررسی کرده‌اند. ‏

محققان ‏IBM‏ نتایج خود را با تحریک ‏FET‏ با اشعه متمرکز مادون قرمز لیزر و پس از آن ‏اندازه‌گیری فوتوجریان با استفاده از تکنیک ‏lock-in‏ به دست آوردند. این آزمایش برخلاف ‏آزمایش‌های پیشین که بر روی گرافن‌های نوع ‏p-n‏ صورت گرفته بود، بر روی گرافن‌های ‏یکنواخت انجام شد که اندازه‌گیری پاسخ ذاتی مواد کربنی به نور را میسر می‌سازد. ‏

وقتی گرافن نور را جذب می‌کند، جفتِ الکترون- حفره، تحریک شده و متقابلا به ‏سرعت بر الکترون‌ها و حفره‌های دیگر اثر می‌گذارد. فریتگ توضیح می‌دهد که این ‏فعل و انفعالات دمای کلی الکترون‌ها را افزایش می‌دهد، اما الکترون‌ها گرمای خود را حفظ ‏می‌کنند زیرا به شکل ضعیفی به شبکه کربن جفت شده‌اند و بدین ترتیب به آرامی گرمای ‏خود را به شبکه منتقل می‌کنند. ‏

فریتگ افزود: «این حامل‌های گرم هستند که جریان فوتوولتائیک را در گرافن تولید می‏‌کنند. زمانی که دمای شبکه افزایش می‌یابد باعث تغییر حرکت الکترون شده و جریان ‏بولومتریک را در جهت معکوس تولید می‌کند. در چگالی‌های کم بار، اثر فوتوولتائیک و در ‏سطوح بیشتر الکترون، اثر بولومتریک نسبت به دیگر پدیده‌ها برتری دارند. همچنین می‌توان ‏با تغییر در چگالی الکترون در ‏FET‏ گرافنی با استفاده از ولتاژ ‏Back gate، این دو مکانیزم ‏پاسخ‌دهی را با یکدیگر تعویض کرد.»

آگاهی از چگونگی تولید جریان از نور در گرافن برای بهبود بازده شناساگرهای نوری ‏ساخته شده از این ماده امری ضروری خواهد بود. به عنوان مثال، تغییر دی‌الکتریکی که ‏ترانزیستور گرافنی بر روی آن نصب شده است جفت‌شوندگی الکترون- فونون را تغییر ‏خواهد داد و این تغییرات متعاقبا بر برتری اثرات بولومتریک و فوتوولتائیک تاثیر خواهد ‏گذاشت. ‏

این محققان نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ‏Nature Photonics‏ منتشر کرده‌اند

منبع : hupaa.com

رسانایی الکتریکی گرافین ده برابر بیشتر از آن چیزی است که انتظار می‌رفت

محققان با رشد گرافین بر روی بستری از سیلیکون کارباید و اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی آن به تازگی به این نتیجه رسیده‌اند که گرافین در فواصل کوتاه می‌تواند بدون مقاومت بارهای الکتریکی را از خود عبور دهد.

الکترون‌ها (نقطه‌های آبی رنگ در تصویر) تقریبا آزادانه در امتداد روبان‌هایی از گرافین (مشکی) حرکت می‌کنند که در سیلیکون کارباید رشد کرده‌اند.

فیزیکدانان نانوروبان‌هایی از گرافین را تولید کرده‌اند که حتی برای دلخواه‌ترین شکل از مواد، الکترون‌ها را خیلی بهتر از آنچه در نظریه پیش‌بینی شده از خود عبور می‌دهند. این یافته‌ها می‌تواند باعث شود تا استفاده از گرافین در ابزارهای الکتریکی high-end عملی شود و جایگزینی برای سیلیکون به دست دهد.

در دمای اتاق الکترون‌ها در گرافین سریع‌تر از هر ماده دیگری حرکت می‌کنند. اما روش‌هایی که ورقه‌های گرافین را به روبان‌های باریک برش می‌دهند به سیم‌هایی از مدارهای در مقیاسِ نانو احتیاج دارد که گوشه‌های دندانه‌ دندانه‌ای را به جا بگذارد. این ویژگی جریان الکترون‌ها را دچار اختلال می کند.

هم اکنون تیمی به رهبری والت دو هییر (Walt de Heer) در موسسه فن‌آوری جورجیا در آتلانتا روبان‌هایی را ساخته‌اند که بارهای الکتریکی را در مسافت بیش از ۱۰ میکرومتر بدون هیچ مقاومتی از خود عبور می‌دهند – ۱۰۰۰ برابر بیشتر نسبت به نانوروبان‌های معمولی. این روبان‌ها که توسط تیم هیر ساخته شده در واقع الکترون‌ها را ده برابر بهتر از نظریه‌های استانداردی که برای عبور الکترون‌ها پیشنهاد شده از خود عبور می‌دهند. حرکتِ آزادانه الکترون‌ها در این مواد به این معناست که مدارها می‌توانند سیگنال‌ها را سریع‌تر و بدون مسائل اتلاف حرارتی که نیمه‌هادی‌ها با آن مواجه هستند از خود عبور دهند.

روبان‌ها و لبه‌ها

این تیم، علاوه بر ایجاد لایه‌های پهنی از گرافین و بُرش آنها به صورت روبان، گرافین را بر روی دیواره‌هایی از سیلیکون کارباید نیز رشد دادند، ماده‌ای که در حالِ حاضر به صورت گسترده‌ در صنایع الکترونیکی استفاده می‌شود. این محققان با استفاده از فرایندی که برای اولین بار در سال ۲۰۱۰ مطرح شد ترکیب موردِنظر را تا دمای بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت دادند. اتم‌های سیلیکون سپس تبخیر شده و لایه‌‌ای از گرافین به پهنای ۴۰ نانومتر را ایجاد کردند.

به گفته هییر، این نتایج، که به صورت آنلاین در مجله Natureبه چاپ رسیده، نشان می‌دهد که حرکت الکترون‌ها در لبه‌های روبان خیلی به حرکت نور در فیبرهای نوری شباهت دارد.

فرانسیسکو جینی (Francisco Guinea)، فیزیکدانی نظری از موسسه علوم مواد در مادرید معتقد است شواهد موجود برای این عبور” بالیستیک” بسیار قانع‌کننده است. به گفته او”این تیم هم غشا و هم لایه گرافینی روی آن را برای حدود ده سال جلوتر از زمانِ خود بهبود بخشیدند و اکنون در حال برداشت محصولِ کارِ خود هستند.

جیمز تور(James Tour)، شیمیدانِ‌آلی در دانشگاه رایس در هوستونِ تگزاس، که بر روی نانوروبان‌های گرافینی کار می‌کند می‌گوید این نتایج بسیار “باشکوه” هستند و می‌تواند به عنوان برجسته‌ترین یافته در زمینه گرافین در نظر گرفته شود”. این نتایج برای اکثر محققان بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد.

از سوی دیگر عده‌ای از دانشمندان نسبت به انقلابی بودن این یافته‌ها شک دارند. به گفته آنتونیو کاسترو نِتو (Antonio Castro Neto)، رئیس مرکز تحقیقاتی گرافین در دانشگاه ملی سنگاپور، سال‌ها تلاش و تحقیق نظری نشان داده که در نانوروبان‌ها، بی‌نظمیِ ناشی از ناخالصی‌ها در این ماده رسانایی را از بین خواهد برد. به گفته او محققان با در نظرگرفتن روبان‌های طویل متوجه وجود این اثرات خواهند شد. او همچنین می‌گوید “این اجتناب‌ناپذیر است. متاسفانه گرافین ماده‌ای نیست که بتوان از آن برای کاربرد‌ها دیجیتالی استفاده کرد.” او می‌افزاید، درعوض ما مواد نیم‌رسانای جدید مانند فوسفورین‌ها را پیشنهاد می‌دهیم.

این که نانوروبان‌ها چطور در تجربه رسانایی خیلی بیشتری از آنچه در نظریه پیشنهاد شده بود را از خود نشان داده‌اند هنوز یک معماست. دو هییر خیلی مایل نیست درباره چگونگی این حقیقت وارد جزئیات شود. او می‌گوید “تمام آن چیزی که من می‌توانم بگویم ممکن است درباره نقطه شروع باشد- که آنها به سادگی بارهای حامل هستند – که البته ممکن است درست نیز نباشد. به عقیده من اینجا فیزیک متفاوتی حکم‌فرما است”. جینی، در مقابل، فکر می‌کند فراخواندن یک فیزیک جدید برای توضیح این نتایج بسیار زودهنگام است.

به گفته آندره فراری (Andrea Ferrari)، سرپرست مرکز گرافین کمبریج در دانشگاه کمبریج بریتانیا، با فرض اینکه این نتایج به اثبات رسیده است، این تیم هم اکنون باید بر روی مسائلی درباره مقیاس‌بندی شکل محصولشان تمرکز کنند. تور همچنین می‌افزاید در دنیای واقعی، مولکول‌های آبِ موجود در هوا می‌توانند به گرافین چسبیده و خواص آن را تغییر دهند. او می‌گوید “این خواص فوق‌العاده خواهند بود، اما آیا به اندازه همان خواص اثبات‌شده باشکوه هستند؟ احتمالا این طور نیست. اما آنها هنوز برای استفاده در ابزارهای مورد نیاز مناسب هستند و من هنوز اشتیاق دارم”.

منبع : psi.ir

در صورت نیاز می توانید فایل های زیر را هم دانلود نمایید