پایان نامه ارشد: بررسی ارتعاشات گرافن تک لایه در محیط الاستیک تحت بارگذاری فشاری دومحوره بر مبنای تئوری الاستیسیته گرادیان کرنش اینرسی
ای بر نانوکامپوزیت های گرافنی
1-1-1- تاریخچه:
در گرافیت[1] (یکی دیگر از آلوتروپهای کربن)، هر کدام از اتمهای چهارظرفیتی کربن با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شدهاند و یک شبکه گسترده را تشکیل دادهاند. این لایه خود بر روی لایهای کاملا مشابه قرار گرفتهاست و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند واندروالسی که ضعیفتر از کووالانسی هست تشکیل میدهد. به همین دلیل لایههای گرافیت به راحتی روی هم سر میخورند و میتوانند در نوک مداد بهکار 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.
هرچند نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس[2] دربارهی گرافن[3] نوشت و از آن زمان تلاشهای زیادی برای ساخت آن صورت گرفتهبود اما، قضیه مرمین – وانگر[4] در مکانیک آماری و نظریه میدانهای کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و غیرپایدار میدانست. اما به هر حال در سال 2004، آندره گایم[5] و کنستانتین نووسلف[6]، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین – وانگر نمیتواند کاملا درست باشد. جایزه نوبل فیزیک 2010 نیز به خاطر ساخت مادهای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.
2-1-1- معرفی
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی میباشد. در گرافن، هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند دادهاست. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با ˚120 است. در این حالت، اتمهای کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکه ای از شش ضلعیهای منتظم را ایجاد میکنند (شکل 1-1).
البته این ایدهآلترین حالت یک صفحهی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونهای تغییر میکند که در آن پنجضلعیها و هفتضلعیهایی نیز ایجاد میشود.
گرافن به علت داشتن خواص فوقالعاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حاملهای بار، رسانندگی اپتیکی [1] و خواص مکانیکی [2] به مادهای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوقالعاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان 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 گرافن در حدود 0.142 نانومتر است.
ساختار زیربنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سهبعدی گرافیت را تشکیل میدهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهی بین صفحهای 0.335 نانومتر میباشد. اگر تکلایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانولولهکربنی شبهیکبعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفربعدی را شکل میدهد. لایههای گرافینی 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 نانوبلورهای نازک گرافیتی، مینامند. گرافن خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان میدهد [3].
3-1-1- روش های ساخت گرافن
امروزه روشهای بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده میشود که از متداولترین آنها میتوان روشهای لایه برداری مکانیکی، لایه برداری شیمیایی، سنتز شیمیایی و رسوب بخار شیمیایی[1] را نام برد. برخی روشهای دیگری همانند شکافتن نانولوله های کربنی [4] و ساخت با امواج ماکرویو [5] نیز اخیرا بکاربرده شده اند. یک نمای کلی از روشهای ساخت گرافن در زیر آمده است:
الف) از پایین به بالا (از اتم کربن به صفحه گرافن)
1- شکاف گرمایی
2- رسوب بخار شیمایی
a) پلاسما
b) گرمایی
ب) از بالا به پایین (از گرافیت به صفحه گرافن)
1- لایه برداری مکانیکی
a) چسب نواری
b) تیزی نوک میکروسکوپ نیروی اتمی
2- لایه برداری شیمایی
3- سنتز شیمیای
a) امواج فراصوتی
b) روش شیمیایی
در سال 1975گروه لانگ[1] [10] برای اولین بار گرافیت کملایه روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش رسوب بخار شیمیایی تولید کردند.
در سال 1999 گروه لو[2] [11] با استفاده از تیزی نوک میکروسکوپ نیروی اتمی، لایه برداری مکانیکی را بر روی یک گرافیت پیرولیتی به منظور تهیه گرافن تک لایه انجام دادند. با این وجود، گرافن تکلایه برای اولین بار در سال2004 توسط گروه نووسلف تولید و گزارش شد. آنها از چسبنواری برای جدا کردن لایههای گرافن از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایههای متنوع گرافن را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز هست. روش لایه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایههای گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بهدست آمده توسط این روش برابر با 10 نانو متر است که تقریبا برابر با 30 لایه گرافن تکلایه است.
در روش لایه برداری شمیایی، فلزات قلیایی بین صفحات گرافیت پراکنده شده در محلول، قرار میگیرند. به طور مشابه روش سنتز شیمیایی شامل اکسید گرافیت پراکنده در محلول بهدست آمده از کاهش هیدروژن است. تولید گرافن توسط این روش یکی از بهترین روشها برای تولید گرافن در ابعاد بزرگ است. در این روش کربنی که بوسیله گرما جدا شده بر روی سطح یک فلز فعال قرار میگیرد و در دمای بالا و تحت فشار اتمسفر یا فشار کم، یک شبکه لانه زنبوری تشکیل میدهد. از آنجایی که این روش در یک کوره گرمایی انجام میگیرد آن را روش رسوب بخار شیمیایی گرمایی مینامند. هنگامیکه این روش شامل رشد به کمک پلاسما باشد، روش رسوب بخار شیمیایی پلاسمای غنی شده نامیده میشود.
هریک از این روشها مزایا و معایب خاص خود را دارند، به عنوان مثال روش لایه برداری مکانیکی توانایی و قابلیت ساخت گرافن یک لایه تا چند لایه را دارد اما همانندی نمونه های بهدست آمده بسیار پایین است، همچنین ساخت گرافن در ابعاد بزرگ یکی از چالشهای پیش روی این روش است. برای تهیه گرافن تک لایه و چند لایه میتوان از روش چسب نواری استفاده کرد اما تحقیقات گستردهی بیشتری برای توسعه این روش جهت استفاده در قطعههای الکترواپتیکی لازم است. روشهای سنتز شیمیایی از روشهای دمای پایین هستندکه این ویژگی موجب میشود ساخت گرافن بر روی انواع زیر لایههای با دمای محیط، به ویژه زیرلایههای پلیمری آسانتر شود؛ با این حال، همگنی و یکسانی گرافن تولید شده در ابعاد بزرگ، حاصل از این روش، مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافن از اکسیدهای گرافن کاهش یافته اغلب به علت نقص در فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافن میشود. برآرایی گرافن وگرافیت سازی گرمایی بر روی سطح کربیدسیلسیوم از دیگر روشهای تولید گرافن هستند اما دمای بالای این فرایندها و عدم توانایی انتقال بر روی سایر زیر لایهها از محدودیتهای این روشها هستند.
[1] Lang
[2] Lu
[1] Chemial vapor deposition (CVD)
[1] Graphite
[2] Philip valas
[3] Graphene
[4] Mermin-Vanger theory
[5] Andre Gaym
[6] Constantin Novolslov
نسخه قابل چاپ | ورود نوشته شده توسط نجفی زهرا در 1399/10/26 ساعت 03:28:00 ب.ظ . دنبال کردن نظرات این نوشته از طریق RSS 2.0. |