گرافن ماده ای با ساختار صفحه ای (دو بعدی) از اتم های بهم متصل شده کربن به ضخامت یک اتم می باشد که دارای خواص نوری – الکترونیکی، مکانیکی و الکتریکی منحصر بفرد بوده و دستیابی به آن در سال 2004 منجر به تحول عظیمی در تکنولوژی شده است. شناخته شدن این ماده باعث شد تا صنایعی نظیر باتری سازی، سنسور های گازی و تجهیزات الکترونیکی پیشرفته منحصر به فردی داشته و محصولاتی با قابلیت های بهتر و پیشرفته تر عرضه کنند. در این مقاله، به معرفی و بررسی این ماده ارزشمند و پرکاربرد می پردازیم.

گرافن چیست؟

گرافن یکی از آلوتروپ های (آلوتروپ – Allotrope به حالت های ساختاری متفاوت از یک عنصر اتلاق می شود) کربن است که بصورت تک لایه ای از اتم های کربن متصل شده به یکدیگر با ساختار شبکه شش وجهی (Hexagonal) و ضخامت یک اتم می باشد. بعبارت دیگر، گرافن ماده ای با ساختار صفحه ای (دو بعدی) بوده و به علت ضخامت اتمی آن جزو مواد نانومتری شناخته می شود.

اولین بار در سال 2004 دو فیزیکدان روسی- انگلیسی بنام های Novoselov و Geim در دانشگاه منچستر موفق به تولید گرافن و تحقیق روی خواص فیزیکوشیمیایی این ماده شدند که دستاورد پژوهش های آنها جایزه نوبل فیزیک در سال 2010 برای این دو فیزیکدان بود. در سال های اخیر ، گرافن به علت برخورداری از استحکام کششی بالا، هدایت الکتریکی بالا و شفافیت بالا به نانو ماده ای ارزشمند و پرکاربرد در صنایع مختلف تبدیل شده است. در تصویر زیر ساختار گرافن نشان داده شده است.

(ساختار صفحه ای و دو بعدی گرافن که در آن اتم های کربن به یکدیگر متصل شده و تشکیل شبکه های شش وجهی داده اند)

بطور کلی گرافن به 3 دسته تقسیم می شود:

1. گرافن تک لایه

2. گرافن دو لایه

3. گرافن چند لایه که تعداد لایه های این گرافن بین 3 تا 10 لایه متغیر است.

در میان انواع گرافن، گرافن تک لایه بالا ترین و بهترین خواص فیزیکیوشیمیایی را از خود نشان می دهد. مطالعات گوناگونی که طی دهه گذشته روی گرافن صورت گرفته نشان داده اند که گرافن تک لایه از خواص الکتریکی خیلی بالایی برخوردار می باشد. نتایج آنالیز های الکتریکی روی این ماده مشخص کردند که تحرک الکترون گرافن در دمای اتاق برابر با cm²/Vs 15000 است. همچنین مقاومت گرافن در دمای اتاق پایین ترین مقدار در میان تمامی مواد بوده و برابر با ohm – cm 10^-6 می باشد. این ویژگی های الکتریکی فوق االعاده باعث شده است تا گرافن به گزینه ای مطلوب برای ساخت ترانزیستور های بالیستیک، ساطع کننده های میدان الکتریکی (Field Emitters)، قطعات مدارهای الکترونیکی و الکترود ها و سنسور های هادی شفاف تبدیل شود.

ساختار دو بعدی این ماده باعث شده است تا سطح ویژه آن به شدت افزایش یابد و این موضوع کمک می کند تا گرافن در جذب و شناسایی گاز ها عملکرد خیلی خوبی داشته و بازدهی سنسورهای گازی را افزایش دهد. همانطور که گفته شد گرافن تک لایه دارای هدایت الکتریکی و شفافیت بالایی می باشد که این دو ویژگی موجب شده است تا این ماده جهت استفاده در ساخت الکترود های هادی شفاف، نمایشگر های لمسی، نمایشگر های OLED و… مورد توجه قرار گیرد. علاوه بر خواص الکتریکی، نوری و شیمیایی گرافن، این ماده دارای خواص مکانیکی ویژه نیز می باشد بطوریکه نتایج آزمایشات نشان دادند که مدول الاستیک گرافن برابر با 1 تِرا پاسکال می باشد. لازم به ذکر است که خواص فیزیکوشیمیایی گرافن دو لایه شبیه به گرافن تک لایه می باشد.

گرافن چند لایه دارای سطح ویژه بالا و قابل مقایسه با گرافن های تک لایه و دو لایه می باشد که این امر منجر شده است تا این ماده نیز گزینه مناسبی برای استفاده در سنسور های گازی تبدیل شود. تفاوت گرافن چند لایه با گرافن تک لایه در شناسایی گاز این است که گرافن تک لایه توانایی شناسایی گاز های CO، H₂O، NH₃ و NO₂ را دارا بوده در خالیکه گرافن چند لایه برای شناسایی گاز های H₂ و CO₂ مناسب می باشد. سطح ویژه مطلوب گرافن چند لایه این امکان را فراهم می کند تا بتوان آن را توسط مواد مختلف آلی و معدنی پوشش دار کرده و از آن در کاربرد بیوتکنولوژیکی استفاده نمود. یکی دیگر از ویژگی های گرافن چند لایه عملکرد مطلوب این ماده در واکنش های الکتروشیمیایی می باشد که باعث شده است از آن در ساخت الکترود های کامپوزیتی برای نسل جدید باتری های لیتیوم – یونی استفاده گردد. نتایج مطالعات نشان داده است که الکترود های کامپوزیتی ساخته شده با کمک گرافن عملکرد باتری های لیتیوم – یونی را تقویت کرده است.

همانطور که توضیح داده شد گرافن، صرف نظر از نوع آن، دارای خواص و ویژگی های منحصر بفردی بوده که باعث ایجاد انقلاب در صنایع مختلف و همچنین پیشرفت چشمگیر در تکنولوژی های روز دنیا شده است.

روش های تولید گرافن

همانطور که در بخش قبل گفته شد گرافن می تواند تک لایه، دو لایه و چند لایه باشد و بسته به تعداد لایه های آن خواص فیزیکوشیمیایی این ماده متغیر است. تک لایه بودن یا چند لایه بودن گرافن به روش تولید این ماده بستگی دارد و در میان گرافن ها تولید گرافن تک لایه دشوارتر می باشد. از این رو در سال های اخیر روش های متفاوتی برای تولید این ماده معرفی و استفاده گردیده است که در ادامه اصلی ترین و رایج ترین آنها معرفی شده اند.

1. روش های لایه برداری: در این روش ها از گرافیت به عنوان ماده اولیه استفاده می گردد. گرافیت یکی دیگر از اشکال کربن بوده که متشکل از تعداد زیادی لایه های گرافن قرار گرفته رو یکدیگر می باشد بطوریکه این لایه توسط پیوند ضعیف واندروالسی به هم متصل شده اند. اساس روش های لایه برداری بر شکستن پیوند های واندروالسی میان لایه ها یا صفحات گرافنی موجود در ساختار گرافیت توسط انرژی مکانیکی یا شیمیایی می باشد. به عنوان مثال در روش لایه برداری شیمیایی ابتدا گرافیت توسط یک ماده اکسید کننده قوی ترکیب شده تا به کمک آن پیوند های واندروالسی گرافیت تضعیف گردد سپس در مرحله بعد طی فرآیند التراسونیک پیوند های واندروالسی شکسته شده و صفحات گرافن از یکدیگر جدا می گردد. گرافن تولید شده توسط روش های لایه برداری بسته به شرایط کار (ماده اکسید کننده، شرایط فرآیند التراسونیک و….) می تواند بصورت تک لایه یا چند لایه باشد. این روش در دسته روش های تولید بالا به پایین قرار می گیرد.
2. روش Chemical Vapor Deposition (CVD): این روش از دسته روش های سنتز پایین به بالا بوده و اولین بار در سال 2006 برای تولید گرافن استفاده گردید. در این روش از کافور بعنوان ماده اولیه حاوی کربن استفاده گردید و گرافن چند لایه روی فویلی از جنسی نیکل (بعنوان زیر لایه) لایه نشانی گردیده و تولید شد. ابتدا، کافور تحت دمای 180 درجه سانتی گراد تبخیر شد و سپس بخارات حاصل شده درون محفظه ای دیگر تحت دمای 700 – 850 درجه سانتی گراد و اتمسفر گاز آرگون پیرولیز (Pyrolyze : پیرولیز به فرآیندی گفته می شود که در آن ماده تحت دمای بالا و تحت اتمسفری عاری از اکسیژن تجزیه می گردد) گردید.پس از تکمیل فرآیند پیرولیز، فرآیند سرد کردن تا دمای اتاق صورت گرفته و فویل نیکلی برای مشخصه یابی توسط میکروسکوپ الکترونی  عبور رزولوشون بالا (HRTEM) آنالیز شد. نتایج یدست آمده نشان دادند که گرافن چند لایه روی فویل نیکلی تشکیل گردیده است. این تحقیق شروعی بود برای مطالعات بیشتر روی سنتز گرافن به روش CVD و همچنین بهینه سازی پارامتر های آن روش جهت دستیابی به گرافن تک لایه و دو لایه.
3. روش Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD): این روش که ورژن بهینه یافته روش CVD می باشد دارای فرآیند سنتز مشابه با روش CVD بوده با این تفاوت که در آن از پلاسمای سرد برای پیرولیز کردن ماده اولیه حاوی کربن استفاده می شود. این امر موجب شده است تا کنترل پارامتر های فرآیند سنتز نسبت به روش CVD تسهیل گردد. این روش قابلیت سنتز گرافن تک لایه تا چند لایه را دارا می باشد. دمای کاری پایین تر این روش باعث شده است تا علاوه بر زیرلایه نیکلی بتوان از زیر لایه هایی با جنس های مختلف مانند مولیبدن، تنگستن، تیتانیوم، زیرکونیوم و… استفاده نمود.

لازم به ذکر است که روش های معرفی شده علی الخصوص روش CVD برای تولید این ماده پرکاربرد و ارزشمند در مقیاس های بزرگتر نیز قابل استفاده می باشند.

منابع:

1. https://doi.org/10.1080/10408430903505036