علم و فن آوری و تبدیل فوریه

دانلود پایان نامه

این ماده به خودی خود، (گاف انرژی) را که یک ویژگی حیاتی برای کاربردهای الکترونیکی است، ندارد.


برای این منظور محققان وارد عمل شدند. آنها دریافتند که فشارهای منطقه ای در گرافن میتواند خواص هدایت را در این ماده تغییر دهد. با تغییر این فشارها، باند گپ گرافن دست خوش تغییر میگردد. مهندسی فشار، یکی از راهبردهای رایج در صنعت نیمه هادیها است. در حال حاضر راههای متعددی برای ایجاد یک فشار قابل کنترل به گرافن شناخته شده است. برخی از این راهها عبارتند از مورفولوژیهای فشار مانند چروکها در گرافن تمیز معلق در یک محلول، بالونهای گرافنی روی بستر الگودار و سوپر شبکه های فشاری گرافنی روی بستر شبکه ای نامنطبق.
مشکل دیگردانشمندان این است که این خواص «جادویی» تنها در مقیاس خیلی کوچک دیده شده اند. در نتیجه به رغم اینکه گرافن در مقیاس کوچک خیلی محکمتر از فولاد تقویت شده است، باید در مورد ادعاهایمان محتاط باشیم. باید محدودیتهای گرافن را درک کنیم. و در تلاش باشیم تا کاربردهای خاصی رابیابیم تا بتوانیم از آن خواص استفاده کنیم.
نمودار1-5 نمودار گاف انرژی وجرم مؤثرالکترون برحسب پهنای نانو نوار گرافنی
1-6 خصوصیات گرافن
با در نظر گرفتن توجه دانشمندان به گرافن و امید به کاربردهای مختلف آن در آینده ی نزدیک، تلاش های تحقیقاتی زیادی به درک ساختار و خواص گرافن اختصاص داده شده است. به طور کلی انتظار می رود که گرافن تنها از یک لایه تشکیل شده باشد، اما علاقه قابل توجهی برای تحقیق در مورد گرافن دو لایه و کم لایه نیز وجود دارد. گرافن های دو لایه و کم لایه به ترتیب شامل 2 و 3 تا 10 لایه از این ورقه های دو بعدی می باشند. ساختار گرافن شامل بیش از 10 عدد از این ورقه های دوبعدی به عنوان گرافن ضخیم در نظر گرفته شده و کمتر مورد علاقه دانشمندان می باشد [12]. گرافن وضعیت خود را از یک ماده ی ناشناخته به یک ستاره پر فروغ در زمینه های مختلف علم و فن آوری تغییر داده است. این بدلیل خصوصیات استثنایی گرافن شامل چگالی بالای جریان، حمل و نقل بالستیک، بی اثر بودن شیمیایی، هدایت حرارتی بالا، عبور نوری و آبگریزی فوق العاده در مقیاس نانومترمی باشد [12،13].
همانطور که قبلا گفته شد گرافن تک لایه به عنوان یک ورقه ی دو بعدی از اتمهای کربن که به صورت شبکه ای شش ضلعی کنار هم قرار گرفته اند تعریف شده است .گرافن دارای هیبرید sp2 می باشد و اتم های کربن سه پیوند قوی کووالانسی (σ) در صفحه تشکیل می دهد که ساختار شش ضلعی را تشکیل می دهند و همچنین دارای یک اوربیتال عمود بر صفحه می باشند که تشکیل پیوندهای π خارج از صفحه را می دهند. این پیوند ها می توانند برهمکنش بین لایه های مختلف گرافن را در گرافن چندلایه کنترل کنند[26].
گرافن طبیعی یک شبه فلز یا یک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است و همچنین دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالا در دمای اتاق می باشد. خواص نوری منحصر به فرد گرافن، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایه ی اتمی شده است. یک تک لایه ی گرافن 2.3٪ ≈ πα از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می کند که در آن α ثابت ساختار ریز شبکه می باشد [22]. گرافن تک لایه همچنین به عنوان یکی از قویترین مواد در نظر گرفته می شود. با در نظر گرفتن این خواص جالب جدید گرافن انتظار می رود که مرزهای جدیدی در زمینه ی کاربردهای گرافن باز شود[12].
گرافن دو لایه به عنوان نیمه رسانای بدون گاف در نظر گرفته شده است. گرافن تک لایه و دو لایه شفافیت بسیار بالا برای امواج نور در محدوده ی ماوراء بنفش تا مادون قرمز از خود نشان می دهند، و می توانند در ساخت الکترود های شفاف در سلول های خورشیدی کاربرد داشته باشند [30].
تجزیه و تحلیل ساختار باند (گاف انرژی) گرافن کم لایه، گافی را نشان نمی دهد. این ساختار به طور فزاینده ای با افزایش تعداد لایه ها فلزی می شود. چند لایه گرافن، مساحت سطح بسیار بالا، تقریبا قابل مقایسه با تک لایه گرافن را نشان می دهد [12]. چند لایه گرافن همچنین قابلیت خوبی برای عامل دار شدن با مواد مختلف به صورت کووالانسی و غیر کووالانسی از خود نشان می دهد که منجر به حل شدن آن در حلال های مختلف می شود .
1-6-1 – تعیین خصوصیات گرافن
تکنیک های مختلفی می تواند برای تعیین خصوصیات گرافن و مشتقات آن به کار گرفته شوند. از جمله تکنیک های متداول مورد استفاده میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، پراش الکترونی (ED)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا (HRTEM)، میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش اشعه X و (XRD)، طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) و طیف سنجی رامان و تبدیل فوریه مادون قرمز (FT-IR) می باشند. به طور کلی، از این تکنیک ها می توان برای تعیین خصوصیاتی مانند مورفولوژی، تعداد لایه ها، کیفیت ساختارها، ساختار بلوری و خواص ذاتی مواد مبتنی بر گرافن استفاده کرد .
1-7 کاربردهای گرافن
انواع مختلف گرافن شامل تک لایه، دو لایه و چند لایه، دارای کاربردهای بالقوه در زمینه های مختلف می باشند. همانطور که در بالا گفته شد گرافن سختترین و نازکترین ماده ای است که بشر تاکنون به آن دست یافته است. این ماده با وجود اینکه ساختار متراکمی دارد، به علت ضخامت بسیار اندکش که برابر با ضخامت یک اتم کربن است، نور را از خود عبور میدهد و از شفافیت بالایی برخوردار است؛ همچنین آسانی تهیه و رسانا بودن این ماده که حتی رساناتر از مس است و قابلیت آن در عبور دادن گرما و جریان الکتریسیته آنرا به گزینه ای جدید برای استفاده در صفحه های نوری و کامپیوترها تبدیل کردهاست. تحمل این ماده در برابر فشاری که موجب از هم گسیختگی شود 200 تا 300 برابر فولاد است و حتی سخت تر از الماس است. گرافن بسیار سبک و انعطاف پذیر است با این ویژگی ها بی جهت نیست که گرافن را یک ابر ماده می نامند و پیش بینی می شود که این ماده در آینده انقلابی را در صنعت الکترونیک پدید بیاورد. این ماده جایگزین سیلیکون در محصولات الکترونیکی محسوب می شود . گرافن دارای چندین ویژگی است که آنرا برای کاربرد های الکترونیک مطلوب میسازد. یکی از این خواص، قابلیت حرکت بسیار بالای حاملهای بار در آن است. الکترونها در گرافن نسبتا آزادانه حرکت می کنند. همچنین گرافن می تواند به یک تک مولکول گاز واکنش نشان بدهد و در نتیجه برای ساخت ماده ردیاب در حسگرها از جذابیت زیادی برخوردار است [30]. بنابراین گرافن می توانند کاربردهای مختلفی داشته باشد. برخی از کاربردهای گرافن میتواند موارد زیر باشد:
• استفاده شدن به جای فیبرهای کربن در کامپوزیتها که نتیجتاً باعث ایجاد هواپیماها و ماهواره های سبکتر می گردد.
• استفاده شدن به جای سیلیکونهای نیمه رسانا در ترانزیستورها بدلیل خواص رسانشی فوق العاده گرافن. در این ماده الکترونها می توانند 100 برابر سریعتر از الکترونهای حاضر در سیلیکون حرکت کنند به همین علت به طور بالقوه گرافن می تواند کاربردهای زیادی در صنایع الکترونیک داشته باشد. این ماده در حال حاضر اصلی ترین رقیب سیلیکون به شمار می رود.
• جاسازی کردن گرافن در پلاستیک که میتواند پلاستیک مذکور را رسانا کند.
• امکان بالابردن دوام باتریها با استفاده از غبار گرافنی.
• ایجاد پلاستیکهایی سختتر، مستحکمتر و سبکتر.
• کاربرد به عنوان پوشش شفاف رسانا برای سلولهای خورشیدی و نمایشگرها. مزیت اصلی گرافن در این است که میتواند نور و الکتریسیته را از خود عبور دهد.
• ایجاد توربینهای بادی کارآمدتر.
• ایجاد ایمپلنتهای مستحکمتر (پزشکی).
• کاربرد در تجهیزات ورزشی.