گرافين

يجب ألا يـُخلـَط بينها وبين گرافيم.
ترانزستورات من الگرافين على قطعة من الپلاستيك اللين. الگرافين ليس فقط أصلب مادة على وجه الأرض، بل أيضاً أكثرها ليونة. المصدر: النيويورك تايمز[1]
الگرافين هو شبكة على شكل قرص العسل مصنوعة من ذرات الكربون.
صورة الگرافين في المجهر الالكتروني

گرافين Graphene ( /ˈɡræfiːn/[2]) عبارة عن تآصل من الكربون يتكون من طبقة واحدة من الذرات مرتبة في شبكة على شكل قرص العسل ثنائية الأبعاد.[3][4] الاسم مشتق من "الگرافيت" واللاحقة -ene، مما يعكس حقيقة أن تآصل الگرافيت للكربون يحتوي على العديد من الروابط المزدوجة.

ترتبط كل ذرة في صفيحة الگرافين بأقرب ثلاثة مجاورات لها بواسطة رابطة سگما، وتساهم بـ إلكترون واحد في نطاق التوصيل الذي يمتد على الصفيحة بأكملها. هذا هو نفس نوع الترابط الذي يظهر في الأنابيب النانوية الكربونية و الهيدروكربون العطري متعدد الحلقات، و (جزئياً) في الفولرين و الكربون الزجاجي.[5][6] تعمل نطاقات التوصيل هذه على جعل الگرافين شبه معدني بخصائص إلكترونية غير عادية وأفضل وصف لها من خلال نظريات الجسيمات النسبية عديمة الكتلة.[3] تظهر ناقلات الشحنة في الگرافين اعتماداً خطياً، وليس تربيعاً، للطاقة على الزخم\كمية الحركة الدافعة، ويمكن صنع ترانزستورات التأثير الحقلي مع الگرافين التي تُظهر التوصيل ثنائي القطب. نقل الشحنات هو باليستي عبر مسافات طويلة؛ تعرض المادة تذبذبات كمومية كبيرة و ثنائية المغناطيسية غير خطية.[7] يقوم الگرافين بتوصيل الحرارة والكهرباء بكفاءة عالية على طول مستويه. تمتص المادة بقوة الضوء من جميع الأطوال الموجية المرئية،[8][9] الذي يمثل اللون الأسود للگرافيت؛ ومع ذلك، فإن ورقة الگرافين الواحدة شبه شفافة بسبب نحافتها الشديدة. كما أن المادة أقوى بنحو 100 مرة من أقوى فولاذ بنفس السماكة.[10][11]

صورة لغشاء الگرافين المعلق في الضوء المرسل. يمكن رؤية هذه المادة بسمك ذرة واحدة بالعين المجردة لأنها تمتص ما يقرب من 2.3٪ من الضوء.[9][8]

وضع العلماء نظرية للوجود المحتمل وإنتاج الگرافين لعقود. من المحتمل أنه تم إنتاجه بكميات صغيرة دون قصد لعدة قرون، من خلال استخدام أقلام الرصاص وغيرها من التطبيقات المماثلة للگرافيت. لوحظ في الأصل في المجهر الإلكتروني في عام 1962، ولكن تمت دراسته فقط أثناء الدعم على الأسطح المعدنية.[12] تمت إعادة اكتشاف المادة في وقت لاحق وعزلها وفحصها في عام 2004 بواسطة أندريه گايم و قسطنطين نوڤوسيلوڤ في جامعة مانشستر،[13][14] الذين حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 "لتجاربهم الرائدة في مجال مادة الگرافين ثنائية الأبعاد" (www.nobelprize.org). التي أثبتت أن الگرافين عالي الجودة من السهل عزله بشكل مدهش.

بلغ السوق العالمي للگرافين 9 ملايين دولار في عام 2012، [15] مع معظم الطلب من البحث والتطوير في مجال أشباه الموصلات، والإلكترونيات، بطاريات كهربائية، [16] و المركبات.

يوصي IUPAC (الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية) باستخدام اسم "الگرافيت" للمادة ثلاثية الأبعاد، و "الگرافين" فقط عندما تكون التفاعلات أو العلاقات البنيوية أو تمت مناقشة الخصائص الأخرى للطبقات الفردية.[17] يتطلب تعريف أضيق لـ "الگرافين المعزول أو المستقل" أن تكون الطبقة معزولة بشكل كافٍ عن بيئتها،[18] ولكنها قد تتضمن طبقات معلقة أو منقولة إلى ثاني أكسيد السليكون أو كربيد السيليكون.[19]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ

كتلة من الگرافيت، ترانزستور گرافين، و موزع الشريط. تبرع بها متحف نوبل في ستوكهولم من أندريه گايم و قسطنطين نوڤوسيلوڤ في عام 2010.


هيكل الگرافيت ومركبات الإقحام الخاصة به

في عام 1859 لاحظ بنيامين برودي درجة عالية من الصفائحية لبنية أكسيد الجرافيت المختزلة حرارياً.[20][21] في عام 1916، پيتر دباي و P. Scherrer حدد بنية الگرافيت عن طريق حيود المسحوق للأشعة السينية.[22][23][24] Tتمت دراسة التركيب بمزيد من التفصيل من قبل ڤي. كولشوتير و پي. هينيي عام 1918، الذي وصف أيضاً خصائص ورق أكسيد الگرافيت[25] تم تحديد هيكلها من حيود أحادية البلورة في عام 1924.[26][27]

تم استكشاف نظرية الگرافين لأول مرة بواسطة فيلپ راسل والاس في عام 1947 كنقطة انطلاق لفهم الخصائص الإلكترونية لللگرافيت ثلاثي الأبعاد. تمت الإشارة إلى معادلة ديراك عديمة الكتلة لأول مرة في عام 1984 بشكل منفصل بواسطة گوردون والتر سيمينوف،[28]وديڤد پي. ديڤينسينزو ويوجين جيه. ميلي.[29] شدد سيمينوف على حدوث في مجال مغناطيسي لـ مستويات لانداو على وجه التحديد عند نقطة ديراك. هذا المستوى مسؤول عن تأثير هول الكمي الصحيح الشاذ.[30][31][32]

ملاحظات طبقات الگرافيت الرقيقة والهياكل المرتبطة

تم نشر صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لعينات رقيقة من الگرافيت تتكون من بضع طبقات من الگرافين بواسطة جي. روس و إف. ڤوگت في عام 1948.[33] في النهاية، لوحظت أيضاً طبقات مفردة مباشرة.[34]لوحظت أيضاً طبقات مفردة من الگرافيت بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ داخل المواد الخام، ولا سيما داخل السخام الناتج عن التقشير الكيميائي.[6]

في 1961-1962، نشر هانس پيتر بوم دراسة عن رقائق الگرافيت الرقيقة للغاية، وصاغ مصطلح "الگرافين" للبنية الافتراضية أحادية الطبقة.[35]تشير هذه الورقة إلى رقائق الگرافيت التي تعطي تبايناً إضافياً مكافئاً يصل إلى ~ 0.4 نانومتر أو 3 طبقات ذرية من الكربون غير المتبلور. كان هذا أفضل حل ممكن لـ 1960s TEMs. ومع ذلك، لا يمكن في ذلك الوقت ولا اليوم مناقشة عدد الطبقات الموجودة في تلك الرقائق. نحن نعلم الآن أن تباين TEM للگرافين يعتمد بشدة على ظروف التركيز.[34] على سبيل المثال، من المستحيل التمييز بين الگرافين أحادي الطبقة المعلق ومتعدد الطبقات من خلال تباينات TEM، والطريقة الوحيدة المعروفة هي تحليل الشدة النسبية لبقع الانعراج المختلفة. من المحتمل أن يتم تقديم أول ملاحظات موثوقة لـ TEM للطبقات الأحادية في المراجع. 24 و 26 من مراجعة عام 2007 لجيم ونوڤوسيلوڤ.[3]

بدءاً من السبعينيات، وصف سي. أوشيما وآخرون طبقات مفردة من ذرات الكربون التي نمت فوق المحاور فوق مواد أخرى.[36][37]يتكون هذا "الگرافين الفوقي" من شبكة سداسية بسمك ذرة واحدة من ذرات الكربون المترابطة sp2، كما هو الحال في الگرافين القائم بذاته. ومع ذلك، هناك نقل كبير للشحنة بين المادتين، وفي بعض الحالات، تهجين بين مدار d ذرات الركيزة و مدارات الگرافين π؛ الذي يغير بشكل كبير الهيكل الإلكتروني مقارنة بهيكل الگرافين القائم بذاته.

تم استخدام مصطلح "الگرافين" مرة أخرى في عام 1987 لوصف صفائح مفردة من الگرافيت كمكوِّن لـ مركبات إقحام الگرافيت، [38] والتي يمكن رؤيتها على أنها أملاح بلورية للمادة المتقاربة والگرافين. كما تم استخدامه في أوصاف أنابيب الكربون النانوية بواسطة أر. سايتو و ميلدريد و جين دريسلهاوس في عام 1992،[39] والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات في عام 2000 بواسطة إس. وانگ وآخرين.[40]

بدأت جهود صناعة أغشية رقيقة من الگرافيت بالتقشير الميكانيكي في عام 1990. [41] استخدمت المحاولات الأولية تقنيات تقشير مشابهة لطريقة التخطيط. تم الحصول على عينات متعددة الطبقات حتى سمك 10 nm.[3]

في عام 2002، قدم روبرت بي. رذرفورد و رتشارد إل. ددمان للحصول على براءة اختراع في الولايات المتحدة بشأن طريقة لإنتاج الگرافين عن طريق تقشير طبقات من الگرافيت الملتصق بالركيزة بشكل متكرر، محققين سمك الگرافيت الذي وصل لـ 0.00001 inches (2.5×10−7 metres). كان مفتاح النجاح هو التعرف البصري عالي الإنتاجية للگرافين على ركيزة مختارة بشكل صحيح، مما يوفر تبايناً بصرياً صغيراً ولكن ملحوظاً.[42]

تم تسجيل براءة اختراع أمريكية أخرى في نفس العام من قبل Bor Z. Jang و Wen C. Huang لطريقة لإنتاج الگرافين على أساس التقشير متبوعاً بالتآكل.[43]

العزل الكامل والتوصيف

أندريه گايم وقسطنطين نوڤوسيلوڤ في المؤتمر الصحفي الحائز على جائزة نوبل، أكاديمية العلوم السويدية الملكية، 2010.

تم عزل الگرافين بشكل صحيح وتمييزه في عام 2004 بواسطة أندريه گايم و قسطنطين نوڤوسيلوڤ في جامعة مانشستر.[13][14] قاموا بسحب طبقات الگرافين من الجرافيت باستخدام شريط لاصق شائع في عملية تسمى إما الانقسام الميكانيكي أو تقنية الشريط سكوتش اللاصق[44] ثم تم نقل رقائق الگرافين إلى طبقة رقيقة ثاني أكسيد السيليكون (السيليكا) على صفيحة السليكون ("رقاقة"). عزلت السيليكا الگرافين كهربائياً وتفاعلت معها بشكل ضعيف، مما وفر طبقات من الگرافين شبه محايدة الشحنة. يمكن استخدام السليكون الموجود أسفل SiO 2 كقطب كهربائي "بوابة راجعة" لتغيير كثافة الشحنة في الگرافين على نطاق واسع.

نتج عن هذا العمل فوز الاثنين بجائزة جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 "للتجارب الرائدة فيما يتعلق بمادة الگرافين ثنائية الأبعاد."[45][46][44] أثار نشرهم، وطريقة التحضير السهلة المدهشة التي وصفوها، "تسريع الذهب-الگرافين". توسع البحث وانقسم إلى العديد من الحقول الفرعية المختلفة، واستكشف الخصائص الاستثنائية المختلفة للمادة - ميكانيكا الكم، والكهربائية، والكيميائية، والميكانيكية، والبصرية، والمغناطيسية، إلخ.

استكشاف التطبيقات التجارية

منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عمل عدد من الشركات والمختبرات البحثية على تطوير تطبيقات تجارية للگرافين. في عام 2014، تم إنشاء المعهد الوطني لأبحاث الگرافين لهذا الغرض في جامعة مانشستر، بتمويل أولي قدره 60 مليون GBP.[47] بدأ في شمال شرق إنگلترة مصنعان تجاريان، أپلايد گرافين ماتريالز[48] وتوماس سوان المحدودة[49][50] في التصنيع. نظم كامبردج النانوية[51]هي منشأة لإنتاج مسحوق الگرافين على نطاق واسع في شرق أنگليا.

البنية

الترابط

تشكل المدارات الكربونية 2s ،2px, 2py> المداري الهجين sp2 بثلاثة فصوص رئيسية عند 120 درجة. المدار المتبقي، pz، يبرز من مستوى الگرافين.
روابط سيگما وپاي في الگرافين. تنتج روابط سيگما من تداخل مدارات sp2 الهجينة، بينما تنشأ روابط پاي من النفق بين مدارات pz البارزة.

ثلاثة من الإلكترونات الأربعة - ذات غلاف لخارجي لكل ذرة في ورقة الگرافين تحتل ثلاثة sp2 مدارات هجينة - مزيج من المدارات px و py - التي يتم مشاركتها مع أقرب ثلاث ذرات، مكونة رابطة سگما. يبلغ طول هذه الروابط حوالي 0.142 نانومتر.[52][53]

يحتل إلكترون الغلاف الخارجي المتبقي مداراً pz موجهاً بشكل عمودي على المستوى. يتم تهجين هذه المدارات معاً لتكوين نصفين ممتلئين نطاقات من الإلكترونات حرة الحركة، π و π ∗، وهما المسؤولان عن معظم الخصائص الإلكترونية البارزة للگرافين[52] . من الاستقرار العطري والحجم المحدد المشتق من المحتوى الحراري للهدرجة (ΔHhydro) يتفق جيداً مع تقارير الأدبيات.[54]

تكدس صفائح الجرافين لتشكيل الگرافيت مع تباعد بين المستويات من 0.335 nm (3.35 Å).

عادةً ما تظهر صفائح الگرافين في شكل صلب دليلاً على الانعراج لطبقات الگرافيت (002). هذا صحيح بالنسبة لبعض الهياكل النانوية أحادية الجدار.[55]ومع ذلك، تم العثور على الگرافين الخالي من الطبقات مع حلقات (hk0) فقط في لب الگرافيت [[حبيبات قبل شمسية | القبل شمسي].[56] تُظهر دراسات TEM وجود أوجه في العيوب في أوراق الگرافين المسطحة[57] وتشير إلى دور التبلور ثنائي الأبعاد من الذوبان.

الهندسة

صورة بالفحص المجري بالمسبار الماسح للجرافين

يمكن رؤية البنية الشبكية السداسية لجرافين المعزول أحادي الطبقة مباشرة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لصفائح الجرافين المعلقة بين قضبان شبكة معدنية.[34] أظهرت بعض هذه الصور "تموجًا" للطبقة المسطحة، بسعة حوالي نانومتر واحد. قد تكون هذه التموجات جوهرية في المادة نتيجة عدم استقرار البلورات ثنائية الأبعاد،[3][58][59] أو قد تنشأ من الأوساخ المنتشرة في كل مكان والتي تظهر في جميع صور المجهر الإلكتروني النافذ للجرافين. قد تكون بقايا مقاوم للضوء، التي يجب إزالتها للحصول على صور ذات دقة ذرية، هي "الممتصات" التي تمت ملاحظتها في صور المجهر الإلكتروني النافذ، وقد تفسر التموج المرصود.[بحاجة لمصدر]

يظهر الهيكل السداسي أيضًا في صور مجهر المسح النفقي (STM) للجرافين المدعوم على ركائز ثاني أكسيد السيليكون.[60] التموج الظاهر في هذه الصور ناتج عن تشكل الجرافين في شبكة الركيزة، وهو ليس جوهريًا.[60]


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الاستقرار

تُظهر حسابات البداية أن ورقة الجرافين تكون غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية إذا كان حجمها أقل من حوالي 20 نانومتر وتصبح الأكثر استقرارًا الفولرين (كما هو الحال في الجرافيت) فقط للجزيئات الأكبر حجمًا أكثر من 24.000 ذرة.[61]

اختراق علمي بقلم رصاص وشريط لاصق

تمكن العالمان "أندريه گايم" و"كونستانتين نوڤوسيلوڤ"، وهما من مواليد الاتحاد السوفياتي سابقاً، من استخلاص مادة الگرافين- التي كان يعتقد بأنه من المحال أن تتواجد بشكل ثابت- من قطعة من الجرافيت، وذلك عن طريق استخدام شريط لاصق عادي، حيث تمكنا في نهاية سلسلة من التجارب من استخلاص رقاقة من الكربون بسماكة تعدل سماكة ذرة واحدة. وبحسب مختصين؛ يتألف كل ملميتر من الجرافيت من ثلاثة ملايين طبقة من الگرافين متراصة فوق بعضها البعض، وهي غير متماسكة بقوة، لذا من السهل فصلها عن بعضها، الأمر الذي يبرز عند الكتابة بقلم الرصاص، حيث يتكون رأسه من مادة الگرافيت. واستخدم العالمان خلال تجربة صممت بأسلوب علمي قِطعاً من الأشرطة اللاصقة العادية، حيث عملوا بواسطتها على نزع رقاقات من الگرافيت بشكل متكرر، وكانا يحصلا في كل مرة على رقاقات تتألف من طبقات متعددة من الگرافين. ومن ثم عمد الباحثان إلى ربط القطع المنفصلة من الگرافيت بسطح من مادة السيليكون المتاكسد، والمستخدم في صناعة أشباه الموصلات، ليتمكنا أخيراً من رؤية الجرافين بشكله البديع تحت عدسة المجهر الضوئي العادي، ما يعني أنهما تمكنا من فصل الجرافين والتحقق من وجوده بشكل ثابت على درجة حرارة الغرفة.

الگرافين .. تطبيقات مذهلة

يمتلك الجرافين خصائص فريدة تجعل منه مادة مثيرة للاهتمام بالنسبة للعديد من التطبيقات، فهو مادة شفافة بالغة الرقة (قليلة السماكة)، وتمتاز بمرونتها العالية وقوتها الفائقة. ويمكن استخدام الجرافين لشفافيته في تصنيع الشاشات التي تعمل باللمس، لوحات الإنارة والخلايا الضوئية، كما يمكن الإفادة من هذه المادة في صناعة مجسات الغاز والإلكترونيات ذات المرونة العالية والقابلة للطي(كأجهزة المحمول والشاشات الإلكترونية)، مع إمكانية استعمالها في تصنيع بعض أجزاء الطائرات والأقمار الصناعية التي يتوجب أن تصنع من مواد تتمتع بخفة الوزن والتركيبة القوية. كما تعد الترانزيستورات المصنعة من الجرافين بتطوير الحواسيب بشكل مذهل، لتتفوق في أدائها على الحواسيب الحالية بشكل كبير. إلى جانب ذلك تلمح الدراسات إلى أن إمكانية استخدام الجرافين في تطوير بعض المواد مثل البلاسيتك، فإضافة الجرافين بنسبة بسيطة (واحد في المائة) إلى البلاستيك، سيزيد من مرونة الأخيرة ويرفع من قدرتها على تحمل الحرارة، ويجعلها من المواد الموصلة للكهرباء، ما يفتح المجال أمام استخدام هذا النوع من المواد المطورة في العديد من التطبيقات المثيرة.(قدس برس)

فالسرعة الفائقة التي وصلت لها معالجات الحاسب في هذه الأيام قد تتوقف و ذلك لأن السيليكون الذي تبنى عليه هذه المعالجات قارب على استنفاد قدراته الفيزيائية مما أدى بالباحثين على بدء البحث عن بديل. قام بروفسور من جامعة جورجيا تك بالتوصل لنتيجة مفادها أن استخدام الجرافين عوضاً عن السيليكون في بناء المعالجات سيضاعف سرعة هذه المعالجات بنسبة كبيرة و يفتح آفاقاً جديدة في صنع هذه الترانزستورات. الجرافين ليس بمادة جديدة بل تستخدم في تصنيع العديد من المواد ومنها أقلام الرصاص.

الحاسبات المبنية على السيليكون تقوم بعمليات عديدة في الثانية بدون أن ترتفع درجة حرارتها ولكن لحد معين، أما الجرافين فإن الالكترونات تمر فيه بدون مقاومة تقريباً و ترتفع درجة حرارته بنسبة قليلة جداً و ذلك لأنه موصل جيد للحرارة و فقده للحرارة بسرعة يجعله مناسباً لاستخدامه في الالكترونيات. أيضاً فإن سرعة المعالجات المبنية على السيليكون ستبقى محصورة في نطاق الـ GigaHertz أما الجرافين سيمكنها من اختراق الـ TeraHertz. استخدامات الجرافين لن تكون محصورة في المعالجات و الترانزستورات و لكنها ستمتد لتقنيات الاتصالات و التصوير و الكشف الموجي و الكشف عن الأسلحة و ذلك لأن جميع هذه التطبيقات تتطلب سرعة فائقة لم يتم التوصل لها حتى الآن. يواجه العلماء عائقاً وحيدأ في استخدام الجرافين، وهو أنه ليس بشبه موصل تماماً كما السيليكون و هذه الخاصية مهم تواجدها في الترانزستورات و إلا فإنها ستتسبب بخسارة كميات من الطاقة دون فائدة، ولكن العلماء قاربوا على تجاوز هذه العقبة و جعله يقارب السيليكون بخصائصه في التوصيل. لقد جذب هذا الفتح العلمي الكثير من شركات التقنية التي تترقب التطورات في الأبحاث المتعلقة بالجرافين وتدعم بعضها ومنها : إتش پي، آي بي إم وإنتل. فالباحثون بحثوا طويلا عن بديل آخر نظراً لأن الحاسبات المبنية على السيليكون تقوم بعمليات عديدة في الثانية من دون أن ترتفع حرارتها ولكن لحد معين.

ومنذ عدة سنوات لم يتوان الفيزيائيون عن أن يتخيلوا ويجربوا كل ما عرفوا وما لم يعرفوا من مواد للتوصل إلى مادة تزيد من سرعة المعالجات بنسبة كبيرة وفتح آفاق جديدة في صنع الترانزستورات التي تتكون منها هذه المعالجات.

كانت نتيجة هذه الأبحاث توصل الباحثين إلى مادة الجرافين التي تستخدم في تصنيع العديد من المواد مثل أقلام الرصاص، ومن مميزات الجرافين أنه من الناحية البنيوية الشبكية يعتبر المادة المتبلرة الوحيدة ذات البعدين في الفراغ بمعنى أن ذرات الكربون فيها مرتبة على شكل مسدس الزوايا والأضلاع كخلية النحل تماماً. هذا الأمر يجعله يكون جزيئاً مسطحاً وبسمك ذرة واحدة أي ما يعادل 0،1 نانومتر.

وكان الباحثان الأمريكيان ديڤد مرمين وهربرت واگنر توصلا في 1966 إلى أن الگرافيت الذي تصنع منه أقلام الرصاص، يتأثر بعامل الحرارة أو الاستثارة الحرارية، أي أن طبقة واحدة من الذرات يمكن أن تضطرب في بنيتها الشكلية، وبالتالي فإن المادة نفسها يمكن أن تتحول إلى سائل أو مادة مائعة نظراً لأنه لا يمكن عزلها.

هذا الأمر لم يمنع الفيزيائي الهولندي ذا الأصل الروسي أندريه گايم وفريقه العلمي من جامعة مانشستر، من أن ينجحوا في عزل بلورة الجرافين، اللهم إلا أن الجرافين ليس مسطحاً تماماً ويظهر عن تموجات دقيقة جداً قادرة على امتصاص طاقة الاستثارة الحرارية.

ومنذ اكتشافه لم يكف الجرافين عن إظهار خصائص جديدة غير مسبوقة، فخصائصه تبين أنه مادة شفافة وموصلة ومثالية في مجال صناعة الألواح الشمسية أو البلورات السائلة كما أن مقاومته الميكانيكية تبشر بأنه سيكون من المواد فائقة الصلابة، فضلاً عن ذلك فإن خواصه الإلكترونية أثارت دهشة العلماء بالفعل لأن سرعة النقل الإلكتروني فيه مرتفعة بشكل لا يصدق أي أن الإلكترونات تمر عبره من دون مقاومة تقريباً وترتفع درجة حرارته بنسبة قليلة جداً وذلك لأنه موصل جيد للحرارة وفقده لها سريع جداً الأمر الذي يجعله مناسباً للاستخدام في الإلكترونيات.

ويشير الباحثون إلى أن سرعة انتقال الإلكترونات فيه تزيد على سرعتها في السيليكون بثلاثين مرة. علاوة على ذلك فإن سرعة المعالجات المبنية على السيليكون ستبقى محصورة في نطاق الگـٍگاهرتس أما الگرافين فسيمكنها من اختراق نطاق التـِراهرتس.

في هذه الآونة تنشط المختبرات العلمية لإنتاج الجرافين بكميات تجارية بطريقتين: الأولى منها يديرها معهد تكنولوجيا جورجيا بمدينة أتلانتا الأمريكية وتتمثل في رفع حرارة بلورة كربيد السيليكون إلى أكثر من 1000 درجة مئوية إلى أن تتفكك وتتبخر. وينتج عن هذه العملية بقاء ذرات الكربون التي ترتبط فيما بينها بشكل تلقائي مشكلة شبكة سداسية من الگرافين. وتقول كلير برجيه التي تعمل في هذا المعهد بفخر: “يبلغ عرض وريقات الجرافين التي ينتجها المختبر بضع عشرات من الميكرومتر، لكن الأهم من ذلك هو أننا استطعنا خلال هذه السنة أن نثبت أن نقاوة العينات التي أنتجناها كانت كافية لاستخدامها في التطبيقات الميكروإلكترونية، ما يعني أن مرحلة الإنتاج على المستوى التجاري قد انطلقت بالفعل في ديسمبر 2008 في أتلانتا”.

الطريقة الثانية التي يسعى إلى التحضير لها الباحث تيري بوارو من مختبر الأبحاث التطبيقية في مجال الإلكترونيات بمدينة گرنوبل الفرنسية، تستفيد من اكتشاف الباحثين الفرنسيين أنه عندما نؤكسد الجرافيت في وسط حمضي فإن وريقاته تتفكك وتتحول إلى جرافين وبالتالي فإنه يكفي تنقية البلورة باستخدام محلول مختزل. وفي الآونة الأخيرة، تمكن فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا من اكتشاف أن مادة الهيدرازين (مركب من الآزوت والهيدروجين) قادرة على أن تقوم بالدور الذي تقوم به الجرافين بشكل ممتاز حيث يمكن للباحثين الحصول على طبقات ذات درجة توصيل عالية وبسعر أرخص من الطريقة الأولى.

استخدامات الجرافين لن تبقى محصورة في المعالجات والترانزستورات بل ستمتد إلى تقنيات أخرى كالاتصالات والتصوير والكشف الموجي والكشف عن الأسلحة والبيولوجيا للكشف عن متتاليات الحمض النووي وذلك لأن جميع هذه التطبيقات تتطلب سرعة فائقة.

ويقول الباحث أندريه گايم إن الجرافين بمثابة الرحمة للفيزيائي لأنه من الناحية النظرية يمكنه من خلال ذرة واحدة الحوصل على مادة ثنائية الأبعاد وفائقة التوصل، ففي وريقة واحدة من الجرافين تتحرك الشحنات الكهربية كالجسيمات الكمومية النسبوية وكأنها في الحقيقة فقدت كتلتها مما يجعلها تتحرك بسرعة الضوء. ويضيف گايم أن هذا النوع من الفيزياء الذرية كان بعيد المنال، ولذا يمكنني تشبيه الجرافين بأنه يعمل كمعجل للجسيمات، وستكون السنوات الخمس عشرة المقبلة فاصلة في موضوع التطورات التي سيشهدها عالم الكمبيوتر بشكل خاص.. كيف لا وهو أشد مقاومة من الفولاذ بمائتي مرة؟ فهى مادة أشد صلابة من الألماس.

الوصف

مثال الگرافين الكامل يتألف حصرا من خلايا سداسية وأما الخلايا الخماسية والسباعية فتشكل عيوباً. إذا وجدت خلية خماسية معزولة، ثم يلتف المستوى متحولا إلى مخروط الشكل؛ وبإدخال 12 تركيباً خماسيا من شأنه أن يخلق الفولرين. بالمثل إدراج جزىء سباعي معزول يتسبب في تكوين مسطح يشبه السرج. وبإضافة أشكال خماسية مع أشكال سباعية من شأنه أن يسمح لطائفة واسعة من الأشكال المعقدة أن تتم، على سبيل المثال الكربون نانوبد هو من الأنابيب الجزيئية الكربونية وحيدة الجدار ويمكن اعتبارها من أسطوانات الگرافين؛ بعضها لديها الگرافين بشكل القبعة نصف الكروية (التي تضم 6 أشكال خماسية) في كل نهاية.

المادة الأقوى في العالم: ووجد الباحثون الذين وضعوا الگرافين، أنه ذرة واحدة سميكة مع رأس حاد قوى من الألماس انه أقوى مادة جرى اختبارها على الإطلاق، الرسم التوضيحي يبين التركيب الذري من للگرافين، وهو شبكة من ذرات الكربون والهيدروجين. فضل: Jeffrey Kysar، جامعة كلومبيا.

تعريف الگرافين رسميا في المصطلح الكيميائي في 1994[62] قالتIUPAC ما يلى:

طبقة كربون مفردة في التركيب الگرافيتى يمكن إعتبارها كالعضو النهائى في سلسلة النفتالين , الأنثراسين , الكورونين، إلخ والإسم گرافين ينبغي أن يستخدم للدلالة على طبقة في الكربون الفردية في المركبات الگرافيتية, إستخدام "طبقة الگرافين" يعد أيضا من المصطلح العام للكربون .

في أوباك وهى خلاصة التكنولوجيا وتنص على أنه: "في السابق قد استخدمت أوصاف مثل طبقات الجرافيت وطبقات الكربون ، أو أغلفة الكربون أستخدمت لأجل المصطلح گرافين..و لايصح استخدامه لطبقة واحدة وهو مصطلح يشمل الجرافيت ، التي من شأنها أن تنطوي على هيكل ثلاثي الأبعاد . وينبغي استخدام مصطلح الگرافين فقط عند مناقشة التفاعلات، والعلاقات الهيكلية أو غيرها من الخواص حول الطبقات الفردية ". وفي هذا الصدد ، يشار إلى الگرافين باعتباره متغير لانهائي (حلقة فقط من الكربون من ستة أعضاء) هيدروكاربون عطرى عديد الحلقات (PAH) وأكبر جزيء من هذا النوع يتكون من 222 ذراة بسمك 10 حلقات من البنزين .[63]

التواجد والانتاج

في أدبيات العلم، وتحديدا في الأوساط العلمية شار إلى أن السطح ، كما في الگرافين والگرافيت أحادي الطبقة. لقد درس هذا المجتمع بشكل مكثف الگرافين الفوقي على السطوح المختلفة فقد حررت (أكثر من 300 من المقالات السابقة حتى عام 2004). وفي بعض الحالات ، تقترن هذه الطبقات الگرافين على الأسطح ضعيف بما فيه الكفاية (عن طريق قوة فان دير فال ) للإبقاء على هيكل الرابطة الإليكترونية ثنائية الأبعاد ,[64][65] كما يحدث أيضا[66] مع رقائق گرافيننية قابلة للتقشير فيما على سبيل المثال ، بتجارب على الگرافين وحيد الطبقة الفوقي على كربيد السيليكون ,[67][68] قد قدمت إستعراضا لطيف جزيئات الديراك في الجرافين عديمة الكتلة , والتي هي السمة المميزة, التى تميز هيكلها الإليكترونى .إن قوى ڤان دير فال الضعيفة , التى تعطى التماسك و الإلتصاق لصفوف الگرافين عديدة الطبقات لا تؤثر دائما على الخصائص الإلكترونية لطبقات الگرافين المفردة المكدسة . وهذا هو ، في حين أن الخصائص الإلكترونية المعينة للگرافين الفوقي متعدد الطبقات مماثلة لتلك التي من الگرافين ذى الطبقة للواحدة ,[69] في حالات أخرى تتأثر الخصائصaffected [67][68] لأنها لطبقات الگرافين في الجرافيت بكميات كبيرة. هذا التأثير هو نظريا مفهوم جيدا ويرتبط مع التماثل في تفاعلات مابين الطبقات.[69]

وقد بدأت طفرة الگرافين في عام 2004 ، عندما بدأ الفيزيائيين من جامعة مانشستر مؤسسو معهد تكنولوجيا الالكترونيات الدقيقة, تشيرنوجولوڤكا, روسيا, حيث وجدوا[66] طريقة لإستخلاص الگرافين بتقشيره من الكرافيت بواسطة شريط لاصق و التعرف عليه بصريا بنقلهم إلى طبقة من ثاني أكسيد السيليكون على شريحة سليكون . و مع ذلك فإن الگرافين من المحتمل أن يغوص في غياهب النسيان , ما عدا انه في عام 2005 مجموعة مانشستر نفسها جنبا إلى جنب مع باحثين من جامعة كولومبيا (see the History chapter below) شأنه أن يبرهن على أن أشباه الگرافين هي فرميونات ديراك عديمة الكتلة. ويفترض الآن أنها تنتج شظايا صغيرة من أوراق الجرافين (جنبا إلى جنب مع كميات أخرى من الحطام كلما تآكل الكرافيت مثلما يحدث عند رسم خط بالقلم الرصاص.[70] الگرافين الناتج بواسطة التقشير في الوقت الحاضر يعد واحدا من أغلى المواد على الأرض ،فإذا أخذنا في الإعتبار عينة يمكن وضعها في مسافة قطر شعرة رأس الإنسان فهى تتكلف أكثر من 1000 $ بتاريخ أبريل 2008 (حوالى $100,000,000/سم2.2).[70] وقد ينخفض سعر الكرافين بشكل كبير ، على الرغم من ذلك, وإذا تم تطوير طرق الانتاج التجاري في المستقبل. من ناحية أخرى ، فسوف يهيمن سعر الكرافين الفوقي على كربيد السيليكون الركيزة وسوف يصبح السعر حوالى 100 دولار/سم2 /cm2 حسب 2009. هذا تقريبا 1,000,000 مرة أرخص من الكرافين المنتج بالتقشير تقشر.

طريقة الرسم

و قد حصل الباحثون الإنكليز على بلورات كبيرة نسبيا , أولا البلورة (أولا ، عدد قليل فقط من الميكرون في الحجم ، ولكن في نهاية المطاف ، أكبر من1 مم ومرئية بالعين المجردة من قبل) ميكانيكية تقشير (تكرار التقشير) ثرى-دى.

بلورات الكرافيت ، وكان يزعم أن دوافعهما لدراسة الخصائص الكهربائية لأفلام رقيقة من االكرافيت ، لأن بلورات ثنائي الأبعاد بحتةلم تكن معروفة من قبل ويفترض أن إكتشافهم لمستويات منفردة للكرافيت كان يفترض أنه جاء عن طريق الصدفة البحتة .وأكدت الناحيتين النظرية والتجريبية في وقت سابق ان التركيب ثنائي الأبعاد (2D) لا يمكن أن يوجد في الحالة الحرة.

ويعتقد أن التخشين المجهري الداخلى على مقياس من 1 نانومتر يمكن أن يكون هاما لثبات البلورات ثنائية الأبعاد .[71]

النتائج المتحصل عليها في العمل[72] وقد أكدت ذلك عدة مجموعات. ليس فقط الگرافين ولكن طبقات ذرية قائمة بذاتها من الميكا ونيتريد البورون ،dichalcogenides قد تم التعبير عنها في هذه الورقة. وللحصول على مثال ما يشبه الگرافين ، انظر الصورة إلى ما أسفل.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

النمو الفوقي على كربيد السيليكون

طريقة أخرى هي تسخين كربيد السيليكون لدرجات الحرارة العالية (>1100 °C) كى يختزل إلى گرافين .[73] هذه العملية تنتج حجم عينة , التى تعتمد على حجم ال SiC substrate المستخدم. وجه كربيد السيليكون المستخدمة لإنشاء الگرافين , وإنهاء السيليكون أو إنهاء الكربون تؤثر بشدة على السمك والتنقل وكثافة الناقل من الگرافين. وقد تم تحديد العديد من الخصائص الهامة للگرافين من الگرافين المنتج بهذا الأسلوب. وعلى سبيل المثال ، electronic band-structure أو (ما يسمى هيكل مخروط ديراك) تم تصوره أول الأمر في هذه المواد .[67][68][74] لوحظ ضعف المضادة للتوطين في هذه المادة وليس في الگرافين المنتج بطريقة التقشير التي طورت بتتبع أسلوب القلم الرصاص .[75] وقد لوحظت ، درجات حرارة كبيرة للغاية و تنقلات مستقلة في الگرافين كربيد الفوقي. لأنها تقترب من تلك للگرافين المقشر الذى يوضع على أكسيد السيليكون لكنها ما زالت أقل بكثير من التنقلات في الگرافين التي علقت وتنتجها طريقة الرسم

يمكن أن يكون نمط الگرافين بشكل النمو على طبقة شفافة على كربيد السيليكون باستخدام معيار الالكترونيات الدقيقة الأساليب. كان اول من اقترح إمكانية إلكترونيات المتكاملة كبير على الگرافين كربيد الفوقي في 2004 [76] من قبل الباحثين في معهد جورجيا للتكنولوجيا ، بعد شهرين فقط من اكتشاف الگرافين المعزول و صنع طريقة الرسم. (تم تطبيق براءة اختراع للإلكترونيات المعتمدة على الجرافين في عام 2003 وتم إصدارها في عام 2006). منذ ذلك الحين ، تم تحقيق تقدم مهم. في عام 2008 ، أنتج الباحثون في MIT Lincoln Lab مئات الترانزستورات على شريحة واحدة[77] وفي عام 2009 ، تم إنتاج الترانزستورات عالية التردد في مختبرات أبحاث هيوز على الگرافين أحادي الطبقة على كربيد السيليكون.[78]

نمو الفوقي على الركائز المعدنية

تستخدم هذه الطريقة التركيب الذري للركيزة المعدنية لبذر نمو الگرافين (نمو الفوقي). لا ينتج الگرافين المزروع على روثينيوم عادةً عينة ذات سمك موحد لطبقات الگرافين ، وقد يؤثر الترابط بين طبقة الگرافين السفلية والركيزة على خصائص طبقات الكربون.[79]أما الگرافين الذي يزرع على إيريديوم من ناحية أخرى فهو شديد الترابط ، وموحد السُمك ، ويمكن تصنيعه بدرجة عالية. كما هو الحال في العديد من الركائز الأخرى ، فإن الگرافين على الإيريديوم مموج قليلاً. نظرًا للترتيب بعيد المدى لجيل التموجات هذه ، فإنه يصبح إنشاء نماذج مصغرة في بنية النطاق الإلكترونية (Dirac cone) مرئيًا..[80]تم تصنيع الألواح عالية الجودة من طبقة قليلة من الگرافين تتجاوز 1 cm2 (0.2 sq in) في المنطقة من خلال ترسيب البخار الكيميائي على أفلام نيكل رقيقة ). تم نقل هذه الأوراق بنجاح إلى ركائز مختلفة ، مما يدل على قابلية التطبيق للعديد من التطبيقات الإلكترونية.[81]

اختزال الهيدرازين

طور الباحثون طريقة لوضع ورقة أكسيد الگرافين في محلول من هيدرازين نقي (مركب كيميائي من النيتروجين والهيدروجين) ، مما يقلل من ورقة أكسيد الگرافين إلى گرافين أحادي الطبقة.[82]

اختزال الصوديوم من الإيثانول

وصف منشور حديث عملية لإنتاج كميات غرامات من الگرافين ، عن طريق تقليل الإيثانول بواسطة فلز الصوديوم ، يليه الانحلال الحراري لمنتج الإيثوكسيد ، والغسل بالماء لإزالة أملاح الصوديوم.[83]

من الأنابيب النانوية

أفيد عن طرق تجريبية لإنتاج شرائط الجرافين تتكون من القطع المفتوح للأنابيب النانوية.[84] في إحدى هذه الطرق ، يتم قطع الأنابيب النانوية الكربونية المتعددة الجدران في محلول عن طريق عمل برمنگنات الپوتاسيوم و حمض الكبريتيك.[85] في طريقة أخرى ، يتم إنتاج جزيئات الگرافين نانوية بواسطة حفر البلازما من الأنابيب النانوية المدمجة جزئيًا في فيلم الپوليمر [86]

الخصائص

البنية الذرية

تمت دراسة التركيب الذري للگرافين المعزول أحادي الطبقة بواسطة المجهر إلكتروني الإرسال (TEM) على ألواح الگرافين المعلقة بين قضبان شبكة معدنية.[71] وأظهرت أنماط انحياز الإلكترون الشعرية السداسية من الگرافين. كما أظهر الگرافين المعلق "تموجًا" للصفائح المسطحة ، بسعة تبلغ نحو نانومتر واحد. قد تكون هذه التموجات متأصلة في الگرافين نتيجة لعدم استقرار البلورات ثنائية الأبعاد ،[87][88][89] أو قد تكون خارجية ، ناشئة عن الأوساخ الموجودة في كل مكان في جميع صور TEM للگرافين. تم الحصول على صور حقيقية للفضاء الذري لگرافين معزول أحادي الطبقة على ركائز ثاني أكسيد السيليكون[90][91] بواسطة مجهر المسح النفقي. تتم تغطية الگرافين المعالج باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية بواسطة بقايا مقاومة للضوء ، والتي يجب تنظيفها للحصول على صور ذات الدقة الذرية.[90] قد تكون هذه البقايا هي "كثافات" التي يتم ملاحظتها في صور TEM ، وقد يفسر تموج الگرافين المعلق. تم تحديد تموج الگرافين على سطح ثاني أكسيد السيليكون عن طريق تحويل الگرافين إلى ثاني أكسيد السيليكون الأساسي ، وليس تأثيرًا جوهريًا.[90]

صفائح الگرافين في الشكل الصلب (density > 1 g/cm3) عادة ما تظهر أدلة في انحياز لطبقة الگرافيت ل 0.34 نانومتر (002). هذا صحيح حتى بالنسبة لبعض الهياكل النانوية الكربونية أحادية الجدار.[92] ومع ذلك ، تم العثور على الگرافين الذي لا يحتوي على حلقات مع حلقات (hk0) فقط في لب بصلة الگرافيت presolar.[93]تظهر دراسات مجهر إلكترون ناقل الحركة وجود أوجه قصور في عيوب صفائح الگرافين المسطحة,[94] واقترح دورًا محتملًا في هذا الگرافين الذي لا يحتوي على أي تظليل من أجل بلورة ثنائية الأبعاد dendritic من الذوبان.

الخصائص الإلكترونية

GNR band structure for zig-zag type. Tightbinding calculations show that zigzag type is always metallic.
GNR band structure for arm-chair type. Tightbinding calculations show that armchair type can be semiconducting or metallic depending on width (chirality).

يختلف الگرافين عن معظم المواد ثلاثية الأبعاد التقليدية. الگرافين الحقيقي هو شبه فلز أو الفجوة الصفرية شبه موصلة. إن فهم البنية الإلكترونية للگرافين هو نقطة الانطلاق لإيجاد بنية شريط الگرافيت . تم إدراك مبكرًا أن علاقة E-k خطية للطاقات المنخفضة بالقرب من الأركان الستة للمنطقة سداسية الأبعاد منطقة Brillouin ، مما يؤدي إلى صفر كتلة فعالة للإلكترونات والثقوب.[95] [96] بسبب هذا التشتت الخطي (أو " المخروطية") في الطاقات المنخفضة ، والإلكترونات والثقوب بالقرب من هذه النقاط الست ، اثنتان منها غير متكافئة ، تتصرفان مثل النسبية الموصوفة بواسطة معادلة ديراك للدوران 1/2 الجسيمات.[97][98]وبالتالي ، تسمى الإلكترونات والثقوب ديراك fermions ، وتسمى الزوايا الستة لمنطقة Brillouin بنقاط Dirac.[97]المعادلة التي تصف العلاقة E-k هي ; حيث سرعة الFermi vF ~ 106 m/s.[98]

النقل الإلكتروني

تشير النتائج التجريبية من قياسات النقل إلى أن الگرافين يحتوي على درجة حرارة ملحوظة حركية إلكترونية في درجة حرارة الغرفة ، مع وجود قيم مذكورة تزيد عن15,000 cm2V−1s−1.[89] بالإضافة إلى ذلك ، يشير تناظر الموصلة المقاسة تجريبياً إلى أن التنقل بين الثقوب والإلكترونات يجب أن يكون متماثلًا تقريبًا.[96] The mobility is nearly independent of temperature between 10 K and 100 K,[99][100][101] مما يعني أن آلية الانتثار المهيمنة هي نثر العيوب. إن التشتت من قِبل phonon الصوتية من الگرافين يضع حدودًا داخلية على درجة حرارة الغرفة 200,000 cm2V−1s−1 في كثافة الناقل من 1012 cm−2.[101][102]المقاومة المقابلة من ورقة الگرافين ستكون10−6 Ω·cm, أقل من مقاومة الفضة ، وهي أقل مادة مقاومة معروفة في درجة حرارة الغرفة.[103] ومع ذلك ، بالنسبة لنشاط الگرافين على ركائز ثاني أكسيد السيليكون ، فإن تشتت الإلكترونات بواسطة الفونونات الضوئية للركيزة هو تأثير أكبر في درجة حرارة الغرفة من الانتثار بواسطة فونونات الگرافين الخاصة ، ويحد من الحركة إلى 40,000 cm2 V−1s−1.[101]

على الرغم من كثافة حاملة الصفر بالقرب من نقاط Dirac ، يعرض الگرافين الحد الأدنى للموصلية حسب ترتيب 4e2/h. أصل هذا الحد الأدنى من التوصيل لا يزال غير واضح. ومع ذلك ، تموج ورقة الگرافين أو الشوائب المؤينة في SiO2 الركيزة قد تؤدي إلى برك محلية من الناقلات التي تسمح بالتوصيل.[96] تشير عدة نظريات إلى أن الحد الأدنى من الموصلية يجب أن يكون 4e2/πh;ومع ذلك ، فإن معظم القياسات هي من أجل 4e2/h أو أكبر[89] وتعتمد على تركيز الشوائب.[104]

لقد دلت التجارب الحديثة على تأثير المنشطات الكيميائية على حركة الناقل في الگرافين.[104][105] من Schedin ، وآخرون. فالگرافين المخدر مع الأنواع الغازية المختلفة (بعض المستقبلات ، بعض الجهات المانحة) ، وجدت أن الحالة الأولية غير المخلوقة لهيكل الگرافين يمكن استردادها عن طريق تسخين الگرافين في الفراغ برفق. ذكر Schedin ، وآخرون. أنه حتى بالنسبة لتركيزات dopant الكيميائية التي تزيد عن 1012 cm−2 لا يوجد أي تغيير ملحوظ في حركة الناقل.[105] وجد تشن وآخرون. الگرافين المخدر مع الپوتاسيوم في فراغ عالي جداً في درجة حرارة منخفضة. أن أيونات البوتاسيوم تعمل كما هو متوقع للشوائب المشحونة في الگرافين,[106]ويمكن أن تقلل من التنقل 20 ضعفاً.[104] يمكن تقليل قابلية التنقل عند تسخين الگرافين لإزالة الپوتاسيوم.

نظرًا لخاصيتها ثنائية البعد، يُعتقد أن تجزيء الشحنة (تجزيء الإلكترونات إلى أيونات) يحدث في الگرافين. على الرغم من أنه قد يكون بالتالي مادة مناسبة لبناء كمبيوتر الكم باستخدام الدارات الصوتية.[107][108]

الخصائص البصرية

Photograph of graphene in transmitted light. This one atom thick crystal can be seen with the naked eye because it absorbs approximately 2.3% of white light, which is π times fine-structure constant.

تنتج خصائص الگرافين الإلكترونية الفريدة لا نفاذية عالية بشكل غير متوقع لأحادي الطبقة الذرية ، مع قيمة بسيطة مذهلة: حيث تمتص "πα" "٪ 2.3٪ من الضوء الأبيض ، حيث" ألفا "هي دقيقة هيكل ثابت.[109] هذا "نتيجة للبنية الإلكترونية المنخفضة الطاقة غير المعتادة للگرافين أحادي الطبقة والذي يضم الإلكترون والثقب حزمة مخروطية تلتقيان في نقطة Dirac ... [والتي] تختلف نوعيًا عن الحزم الضخمة التربيعية الأكثر شيوعاً ".[110] استنادًا إلى نموذج الفرقة Slonczewski-Weiss-McClure (SWMcC) من الگرافيت ، تلغي المسافة بين الذرات وقيمة القفز والتردد عندما يتم حساب التوصيل البصري باستخدام معادلات فريسنل في الحد من الأغشية الرقيقة.

تم تأكيد ذلك بشكل تجريبي ، لكن القياس ليس دقيقًا بما يكفي لتحسين التقنيات الأخرى لتحديد ثابت البنية الدقيقة.[111]

لقد ثبت مؤخرًا أن فجوة النطاق من الگرافين يمكن ضبطها من 0 إلى 0.25 فولت (حوالي 5 ميكرون طول الموجة) عن طريق تطبيق الجهد على الگرافين طبقة ثنائية و ثنائي البوابة الترانزستور تأثير الحقل (FET) في درجة حرارة الغرفة.[112]. كما تبين أن الاستجابة البصرية لـ الگرافين nanoribbons يمكن ضبطها في نظام terahertz بواسطة مجال مغناطيسي مطبق [113]

الامتصاص القابل للتشبع

تم التأكيد أيضًا على أن هذا الامتصاص الفريد يمكن أن يصبح مشبعًا عندما تكون شدة الإدخال البصرية أعلى من قيمة العتبة. يُطلق على هذا السلوك البصري اللاخطي الامتصاص القابل للتشبع وتسمى القيمة العتبية بطلاقة التشبع. يمكن تشبع الگرافين بسهولة تحت الإثارة القوية على المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء ، وذلك بسبب الامتصاص البصري العالمي وفجوة النطاق الصفري. هذا له أهمية بالنسبة لقفل الوضع الليزري ، حيث يمكن الحصول على نفق النطاق العريض باستخدام الگرافين كممتص قابل للإشباع. نظرًا لهذه الخاصية الخاصة ، يتمتع الگرافين بتطبيق واسع في الضوئيات فائقة السرعة.[114][115][116]

نقل السپين

يُعتقد أن الگرافين مادة مثالية لـ spintronics نظرًا لصغر تفاعل الدوران وقرب غياب اللحظات المغناطيسية النووية في الكربون. لقد تم مؤخرًا إظهار الحقن الكهربائي الدوراني والكشف في الگرافين حتى درجة حرارة الغرفة.[117][118][119] وقد لوحظ طول تماسك الدوران فوق 1 ميكرون في درجة حرارة الغرفة,[117] ولوحظ التحكم في قطبية تيار الدوران مع بوابة كهربائية في درجة حرارة منخفضة.[118]

تأثير هال الكمومي الشاذ

تأثير هال الكمومي مناسب لمعايير القياس الدقيقة للكميات الكهربائية ، وفي عام 1985 حصل كلاوس ڤون كلايتشنگ على جائزة نوبل لاكتشافها. يتعلق التأثير باعتماد الموصلية العرضية على مجال مغناطيسي ، وهو عمودي على شريط يحمل التيار. عادة ما تسمى هذه الظاهرة ، الكمية موصلية هالσxy في عدد صحيح من مضاعفات الكمية الأساسية e2/h (حيث "e" هي الشحنة الكهربائية الأولية و "h" هي ثابت پلانك) لا يمكن ملاحظتها إلا في المواد الصلبة أو SiA الصلبة النظيفة جدًا ، وفي درجات حرارة منخفضة جدًا حول -270 °C, وفي المجالات المغناطيسية عالية جدا.

على النقيض من ذلك ، فإن الگرافين ، إلى جانب قدرته العالية على الحركة و حده الأدنى من التوصيلية ، وبسبب بعض الخصائص الزائفة النسبية المراد ذكرها أدناه ، يُظهر سلوكًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص في وجود مجال مغناطيسي وفقط فيما يتعلق بكمية الموصلية: تأثير "هال" غير طبيعي في هال مع تسلسل الخطوات "تحول" بمقدار 1/2 فيما يتعلق بالتسلسل القياسي ، ومع عامل إضافي قدره 4. وهكذا ، فإن الموصلية هال في الگرافين هي ,حيث فالرقم الصحيح المذكور أعلاه "مستوى Landau"، والغور المزدوجة و التحلل الدوراني المزدوج يعطي العامل 4.[89] علاوة على ذلك ، يمكن قياس هذه الحالات الشاذة في الجرافين في درجة حرارة الغرفة ، أي تقريبًا 20 °C.[99]هذا السلوك الشاذ هو نتيجة مباشرة لإلكترونات Dirac الناشئة عديمة الكتلة في الگرافين. في المجال المغنطيسي ، يمتلك طيفها مستوى Landau مع الطاقة بدقة عند نقطة Dirac. هذا المستوى هو نتيجة لـ نظرية مؤشر عطية سنگر. ونصف مليء بالجرافين المحايد,[97] مما يؤدي إلى "+1/2" في توصيل هال.[120]يُظهر بايلر گرافين أيضًا تأثير هال الكمومي ، ولكن مع "التسلسل القياسي" ، أي مع أي مع واحد فقط من الحالات الشاذة. ومن المثير للاهتمام ، فيما يتعلق بالشذوذ الثاني ، أن المدار الأولى في N = 0 غائبة ، مما يشير إلى أن طبقة الگرافين ثنائية الطبقة تبقى معدنية عند نقطة الحياد.[89]

على عكس المعادن العادية ، تُظهر المقاومة الطولية للگرافين الحد الأقصى بدلاً من الحد الأدنى للقيم الأساسية لعامل ملء Landau في قياسات Shubnikov-de Haas ، والتي تُظهر تحول طور لـ π ، المعروفة باسم مرحلة بيري.[96][99] تنشأ مرحلة بيري بسبب الكتلة الحاملة الفعالة الصفرية بالقرب من نقاط ديراك.[121] تكشف دراسة الاعتماد على درجة حرارة ذبذبات شبنيكوڤ دي هاس في الگرافين أن الناقلين لديهم كتلة سيكلوترون غير صفرية ، على الرغم من كتلتها الفعالة الصفرية من علاقة E-k.[99]

الشرائط النانوية: تيارات الحافة المستقطبة الدوارة

تظهر الأنابيب النانوية من الگرافين (في اتجاه "التعرج") ، عند درجات حرارة منخفضة ، تيارات حافة معدنية مستقطبة دوارة ، والتي تقترح أيضًا تطبيقات في مجال الإلكترونيات السپينية الحديث. (في توجيه "الكرسي بذراعين"، تسلك الحواف سلوك أنصاف النواقل.[122])

أكسيد الگرافين

من خلال أكسدة الگرافين ومعالجته كيميائياً ، ثم تعويمه في الماء ، حيث تشكل رقائق الگرافين ورقة واحدة وترتبط بقوة شديدة. تحتوي هذه الأوراق ، المسماة ورق أكسيد الگرافين ، على معامل الشد المقاس لـ 32 GPa.[123]

التعديل الكيميائي

يمكن تحضير فتات الگرافين القابلة للذوبان في المختبر[124] من خلال التعديل الكيميائي للگرافيت . أولاً ، يتم التعامل مع الگرافيت البلوري الجيري بمزيج حمضي قوي من حامض الكبريتيك و حامض النيتريك. سلسلة من الخطوات التي تنطوي على أكسدة وتقشير ينتج عنها صفيحات صغيرة من الگرافين مع مجموعات كربوكسيل على حوافها. يتم تحويلها إلى مجموعات حمض الكلوريد عن طريق العلاج مع كلوريد الثيونيل ؛ بعد ذلك ، يتم تحويلها إلى الگرافين المقابل أميد عن طريق العلاج مع أوكتاديسيلامين. المواد الناتجة (طبقات الگرافين الدائرية بسمك 5.3 أنگستروم) قابلة للذوبان في رباعي هيدروفوران ، رباعي كلورو الميثان ، و ثنائي كلورو إيثان.

صورة لأكسيد الگرافين أحادي الطبقة الذي يخضع لمعاملة كيميائية عالية الحرارة ، مما يؤدي إلى طي الصفائح وفقدان وظائف الكربوكسيل ، أو من خلال معالجة كربوديميد درجة حرارة الغرفة ، ينهار إلى مجموعات تشبه النجوم.

الخصائص الحرارية

تم قياس درجة حرارة الغرفة القريبة التوصيل الحراري من الگرافين مؤخرًا (4.84±0.44) ×103 إلى (5.30±0.48) ×103 Wm−1K−1. هذه القياسات ، التي يتم إجراؤها باستخدام تقنية بصرية غير ملامسة ، تفوق تلك المقاسة للأنابيب النانوية الكربونية أو الماس. يمكن إظهار ذلك باستخدام Wiedemann-Franz law ، أن التوصيل الحراري يسيطر عليه الفونون.[125] ومع ذلك ، بالنسبة لشريط الگرافين المسور ، فإن انحياز البوابة المطبق الذي يتسبب في تحول Fermi energy أكبر من kBT يمكن أن يسبب المساهمة الإلكترونية لزيادة والسيطرة على phonon مساهمة في درجات حرارة منخفضة. التوصيل الحراري الباليستيني للگرافين هو موحد الخواص.[126]

يمكن ملاحظة إمكانات هذه الموصلية العالية من خلال النظر في الگرافيت ، وهو إصدار ثلاثي الأبعاد من الگرافين يحتوي على الموصلية الحرارية للمستوي القاعدي التي تزيد عن 1000 واط / mK (يشبه الماس). في الگرافيت ، الموصلية الحرارية (خارج المستوي) تزيد عن عامل أصغر بمقدار 100 ~ بسبب قوى الربط الضعيفة بين المستويات القاعدية وكذلك تباعدات شعريةأكبر.[127] بالإضافة إلى ذلك ، يُظهر أن التوصيل الحراري الباليستي للجرافين يعطي الحد الأدنى من التوصيلات الحرارية الباليستية ، لكل محيط وحدة ، وطول أنابيب الكربون النانوية.[128]

على الرغم من طبيعته ثنائية الأبعاد ، يحتوي الگرافين على 3 أوضاع phonon صوتي. لدى وضعي الالمستوي (LA ، TA) علاقة تشتت الخطية ، في حين أن وضع الخروج من المستوى (ZA) له علاقة تشتت تربيعي. بسبب هذا ، فإن T2تساهم مساهمة الموصلية الحرارية التابعة للأنماط الخطية في درجات حرارة منخفضة من قبل T1.5 مساهمة للخروج من وضع المستوي.[128] تعرض بعض شرائط الفونون ذات الگرافين و ذات بارامترات Grüneisen سلبية.[129] في درجات الحرارة المنخفضة (حيث لا تزال معظم الأوضاع البصرية المثارة ذات بارامترات Grüneisen الإيجابية غير موجودة ستكون المساهمة من بارمترات Grüneisen السلبية هي المسيطرة و معامل التمدد الحراري (والذي يتناسب طرديا مع بارامترات Grüneisen) سالبة. تتوافق معاملات Grüneisen الأقل سلبية مع أدنى أوضاع ZA الصوتية المستعرضة. تزداد ترددات الفونون لمثل هذه الأنماط مع المعيار بارامتر شعرية داخل المستوي لأن الذرات الموجودة في الطبقة عند التمدد ستكون أقل حرية في التحرك في الاتجاه z. هذا مشابه لسلوك السلسلة التي يتم تمديدها سيكون لها اهتزازات ذات سعة أصغر وتردد أعلى. هذه الظاهرة ، التي تحمل اسم "تأثير الغشاء" ، تنبأ بها ليفشيتز في عام 1952.[130]

الخصائص الميكانيكية

اعتبارًا من عام 2009 ، ظهر الگرافين كأقوى مادة تم اختبارها على الإطلاق. أظهرت القياسات أن الگرافين لديه قوة كسر أكبر 200 مرة من الصلب.[131]ومع ذلك ، فإن عملية فصلها عن الگرافيت ، حيث تحدث بشكل طبيعي ، ستتطلب بعض التطوير التكنولوجي قبل أن تكون اقتصادية بما يكفي لاستخدامها في العمليات الصناعية.[132] باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) ، تم قياس ثابت الزنبرك من صفائح الگرافين المعلقة. تم تعليق صفائح الگرافين ، التي تم تجميعها من قِبل قوات ڤان دير ڤالس ، على تجاويف ثاني أكسيد السيليكون حيث تم فحص طرف AFM لاختبار خواصه الميكانيكية. كان ثابت الزنبرك في حدود 1-5 ن / م وكان معامل يونگ 0.5 TPa ، والذي يختلف عن الگرافيت السائب. هذه القيم العالية تجعل من الگرافين قوي جدا وصلب. قد تؤدي هذه الخصائص الجوهرية إلى استخدام الگرافين لتطبيقات NEMS مثل مجسات الضغط ، والرنانات.[133]

كما هو الحال في جميع المواد ، تخضع مناطق الگرافين لتقلبات حرارية وكمية في الإزاحة النسبية. على الرغم من أن سعة التقلبات هذه مرتبطة ببنية ثلاثية الأبعاد (حتى في حدود الحجم اللانهائي) ، إلا أن نظرية Mermin-Wagner توضح أن سعة تقلبات الطول الموجي الطويلة سوف تنمو لوگاريتميًا مع مقياس بنية ثنائية الأبعاد ، وبالتالي سيكون غير محدود في هياكل حجم لا حصر له. يتأثر التشوه المحلي والسلالة المرنة بإهمال بسبب هذا الاختلاف بعيد المدى في النزوح النسبي. من المعتقد أن بنية ثنائية الأبعاد كبيرة بما فيه الكفاية ، في حالة عدم وجود توتر جانبي مطبق ، سوف تنحني وتنهار لتشكل بنية ثلاثية الأبعاد متقلبة. و لاحظ الباحثون تموجات في طبقات الگرافين المعلقة,[71] وقد اقترح أن التموجات تحدث بسبب التقلبات الحرارية في المادة. نتيجة لهذه التشوهات الديناميكية ، من الممكن أن يكون الگرافين حقًا عبارة عن هيكل ثنائي الأبعاد.[87][88][89]

تطبيقات محتملة

الكشف عن جزء واحد من غاز

يعد الگرافين مستشعرًا ممتازًا بفضل هيكله ثنائي الأبعاد. حقيقة أن مجمل حجمه يتعرض لما يحيط به يجعله فعالًا للغاية في اكتشاف جزيئات الممتزة. اكتشاف جزيء غير مباشر: حيث يمتزج جزيء الغاز على سطح الگرافين ، فإن موقع الامتزاز يواجه تغيراً محلياً في المقاومة الكهربائية. على الرغم من حدوث هذا التأثير في مواد أخرى ، فإن الگرافين متفوق بسبب التوصيلية الكهربائية العالية (حتى في حالة وجود عدد قليل من الموجات الحاملة) وانخفاض مستوى الضجيج مما يجعل هذا التغيير في المقاومة قابلاً للاكتشاف.[105]

الشرائط النانوية من الگرافين

الشرائط النانوية الگرافين (GNRs) هي أساسا طبقات واحدة من الگرافين التي يتم قطعها في نمط معين لمنحها بعض الخصائص الكهربائية. اعتمادًا على كيفية تكوين الحواف غير المرتبطة ، يمكن أن تكون إما في شكل متعرج أو في كرسي بذراعين. تتنبأ الحسابات المستندة إلى الربط المحكم أن GNRs المتعرجة دائمًا ما تكون معدنية في حين أن شكل الكراسي بذاتها يمكن أن تكون معدنية أو شبه موصلة ، اعتمادًا على عرضها. ومع ذلك ، تُظهر الحسابات نظرية الوظيفية الكثافة الحديثة أن أشباه الموصلات بشكل الكرسي بذراعين أشباه الموصلات مع وجود فجوة في الطاقة مع عكس عرض GNR.[134] في الواقع ، تظهر النتائج التجريبية أن فجوات الطاقة تزداد مع تناقص عرض GNR.[135] ومع ذلك ، اعتبارا من فبراير 2008 ، لم تقيس أي نتائج تجريبية فجوة الطاقة في GNR وحددت بنية الحافة الدقيقة. النانوريبونات المتعرجة هي أيضا أشباه الموصلات و تقدم حواف مستقطبة دوارة. هيكلها الثنائي الأبعاد ، الموصلية الكهربية والحرارية العالية ، والضوضاء المنخفضة ، يجعل من GNRs بديلاً محتملاً للنحاس لوصلات الدوائر المتكاملة. يتم أيضًا إجراء بعض الأبحاث لإنشاء نقاط كمية عن طريق تغيير عرض GNRs في نقاط محددة على طول الشريط ، مما يخلق حجز الكم.[136]

نظرًا لجودته الإلكترونية العالية ، اجتذب الگرافين أيضًا اهتمام التقنيين الذين يرونه كطريقة لإنشاء الترانزستورات البالستية. يُظهر الگرافين استجابة واضحة للحقول الكهربائية الخارجية العمودية ، مما يسمح للمرء ببناء FETs (ترانزستورات تأثير الحقل). في ورقة بحث عام 2004,[66] أظهرت مجموعة مانشستر FETs مع نسبة "متواضعة إلى حد ما" على التشغيل و التوقف ~ 30 في درجة حرارة الغرفة. في عام 2006 ، أعلن الباحثون جورجيا تك أنهم نجحوا في بناء مستوٍ كامل من الگرافين FET مع بوابات جانبية.[137] أظهرت أجهزتهم تغييرات بنسبة 2 ٪ في درجات الحرارة المبردة. أظهر الباحثون في أميكا و جامعة روث آخن في عام 2007 أول FET أعلى بوابة (نسبة تشغيل أقل من 2).[138] قد تثبت جزيئات نانوية الگرافين بشكل عام قدرتها على استبدال السيليكون كأشباه موصلات في التكنولوجيا الحديثة.[139]

أجهزة گرافينية جديدة

في مواجهة حقيقة أن ترانزستورات الگرافين الحالية تظهر نسبة تشغيل منخفضة للغاية ، يحاول الباحثون إيجاد طرق للتحسين. في عام 2008 ، أظهر باحثون من أميكا و جامعة مانشستر تأثيرًا جديدًا على التبديل في أجهزة تأثير حقل الگرافين. يعتمد تأثير التبديل هذا على تعديل كيميائي قابل للعكس لطبقة الگرافين ويعطي نسبة تشغيل أكبر من ستة أوامر. يمكن تطبيق هذه المفاتيح القابلة للانعكاس على الذواكر غير المتطايرة.[140]

في عام 2009 ، أظهر الباحثون في پوليتكنكو دي ميلانو أربعة أنواع مختلفة من البوابات المنطقية ، كل منها يتكون من ترانزستور گرافين واحد.[141] في العام نفسه ، بنى الباحثون معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا رقاقة گرافين تجريبية تُعرف باسم مُضاعِف التردد. إنه قادر على أخذ إشارة كهربائية واردة بتردد معين وإنتاج إشارة خرج متعددة من هذا التردد.[142]على الرغم من أن رقائق الگرافين هذه تفتح نطاقًا من التطبيقات الجديدة ، إلا أن استخدامها العملي محدود بسبب زيادة الجهد صغير جدًا (عادةً ما تكون سعة إشارة الخرج أقل بنحو 40 مرة من إشارة الدخل). علاوة على ذلك ، لم يثبت أن أي من هذه الدارات تعمل على ترددات أعلى من 25 كيلو هرتز.

دوائر متكاملة

يتمتع الگرافين بخصائص مثالية ليكون مكونًا ممتازًا لـ دوائر متكاملة. يحتوي الگرافين على ارتفاع قابلية الحركة ، بالإضافة إلى انخفاض مستوى الضجيج مما يسمح باستخدامه كقناة في FET. تكمن المشكلة في أنه يصعب إنتاج صفائح مفردة من الگرافين ، كما يصعب إنتاجها فوق طبقة أساسية مناسبة. يبحث الباحثون في طرق نقل صفائح الگرافين الفردية من مصدرها الأصلي (التقشير الميكانيكي) SiO2 / Si أو الگرافيت الحراري لسطح SiC) على ركيزة الهدف المقصود.[143] في عام 2008 ، كان أصغر ترانزستور حتى الآن ، سماكة ذرة واحدة ، وعرضها 10 ذرات من الگرافين.[144] أعلنت شركة IBM في ديسمبر 2008 أنها صنعت وميزت ترانزستورات الگرافين العاملة على ترددات گيگاهيرتز.[145] في مايو 2009 ، أعلن فريق من جامعة ستانفورد وجامعة فلوريدا ومختبر لورنس ليڤرمور الوطني أنهم قاموا بإنشاء ترانزستور من النوع n ، مما يعني أنه قد تم الآن إنشاء كلا من الترانزستورات n و p مع الگرافين.[146] في الوقت نفسه ، أظهر الباحثون في پوليتكنكو دي ميلانو أول دارة مدمجة وظيفية للگرافين - مكمل عاكس يتكون من ترانزستور واحد من الگرافين p- وواحد n.[147] ومع ذلك ، فقد عانى هذا العاكس أيضًا من انخفاض الربح الكهربائي.

أقطاب الوصل الشفاف

الموصلية الكهربائية العالية للگرافين والشفافية البصرية العالية تجعلها مرشحًا لأقطاب التوصيل الشفافة ، المطلوبة لتطبيقات مثل الشاشة التي تعمل باللمس ، شاشة الكريستال السائل ، الخلايا الكهروضوئية العضوية ، و الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوي على وجه الخصوص ، تعتبر القوة الميكانيكية والمرونة في الجرافين مفيدة مقارنة بـ أكسيد الإنديوم القصدير ، وهو هش ، ويمكن ترسيب أفلام الجرافين من محلول على مناطق واسعة.[148][149]

تم إنتاج عدد كبير من طبقات الگرافين ذات الطبقات الكبيرة والمستمرة والشفافة والموصلة إلى درجة عالية من خلال ترسيب البخار الكيميائي واستخدمت كأنود للتطبيق في الأجهزة الكهروضوئية. تم عرض كفاءة تحويل طاقة محسّنة بدرجة كبيرة تصل إلى 1.71٪ ، وهي تمثل 55.2٪ من PCE لجهاز تحكم يعتمد على أكسيد القصدير.[150]

المكثفات الفائقة

نظرًا لارتفاع مساحة السطح بشكل كبير إلى نسبة كتلة الگرافين ، هناك تطبيق محتمل في اللوحات الموصلة للمكثفة الفائقة. يُعتقد أنه يمكن استخدام الگرافين لإنتاج المكثفات الفائقة بكثافة تخزين طاقة أكبر من المتوفرة حاليًا.[151]

أجهزة حيوية من الگرافين

تجعل كيمياء الگرافين القابلة للتعديل ، ومساحة السطح الكبيرة ، والسماكة الذرية ، والهيكل الجزيئي من صفائح الگرافين الوظيفية في الجسم المضاد مرشحين ممتازين لأجهزة الكشف والتشخيص للثدييات والميكروبات.[152]

طاقة الإلكترونات التي تحتوي على عدد موجي k في الگرافين ، محسوبة في تقريب-الربط الضيق. و rsp غير مأهولة. الحالات المشغولة ، الملونة في rsp الأزرق والأحمر. الأصفر والأخضر ، تلمس بعضها البعض من دون فجوة الطاقة بالضبط في ستة k-vectors المذكورة أعلاه.

أكثر تطبيقات الگرافين الحيوية طموحاً هو سلسلة الدنا بطريقة إلكترونية رخيصة وسريعة، بتكامل طبقات گرافين (بسمك 0.34 ن‌م) كأقطاب نانوية nanoelectrodes في ثقب نانوي nanopore[153] يمكن أن تحل واحدة من مشاكل عنق الزجاجة المتشكل من تسلسل الحمض النووي جزيء واحد على أساس nanopore.

مضاد للجراثيم

وجدت أكاديمية العلوم الصينية أن أفرخ أكسيد الگرافين هي عالية الفعالية في قتل الجراثيم مثل جراثيم العصيات الكولونية. هذا يعني أن الگرافين يمكن أن يكون مفيدًا في تطبيقات مثل منتجات النظافة أو العبوة التي ستساعد في الحفاظ على الأغذية طازجة لفترة أطول.[154]

نظرية نسبوية كاذبة

يمكن وصف الخواص الكهربائية للگرافين من خلال نموذج محكم الربط تقليدي ؛ في هذا النموذج ، تكون طاقة الإلكترونات ذات العدد الموجي هي k

[95][97],

مع أقرب مجاور لطاقة التنقل γ0 ≈ 2.8 eV و ثابت الشبكة الشعرية a ≈ 2.46 Å. تتوافق التوصيل و حزمة التكافؤ ، على التوالي ، مع العلامات المختلفة في أعلاه علاقة التشتت ؛ تتلامس بعضهم البعض في ست نقاط ، و "القيم K". ومع ذلك ، فإن نقطتين فقط من هذه النقاط الست مستقلة ، في حين أن البقية تعادل التماثل. في المناطق القريبة من النقاط K ، تعتمد الطاقة "خطيًا" على الموجة ، على غرار الجسيم النسبي. نظرًا لأن خلية أولية من الشبكة تحتوي على أساس ذرتين ، فإن دالة الموجة لها حتى 2-spinor فعالة. نتيجة لذلك ، في الطاقات المنخفضة ، وحتى إهمال الدوران الحقيقي ، يمكن وصف الإلكترونات بمعادلة مكافئة رسميًا للكتلة معادلة ديراك. علاوة على ذلك ، في هذه الحالة ، يقتصر هذا الوصف النسبي الزائف على chiral limit ، أي أن تختفي كتلة الراحة M0, مما يؤدي إلى ميزات إضافية مثيرة للاهتمام:[97]

هنا vF ~ 106 هو Fermi speed في الگرافين الذي يحل محل سرعة الضوء في نظرية ديراك ؛ هو ناقل مصفوفات پاولي, هي مكونا دالة الموجة للإلكترونات ، و 'E' 'هي طاقتها.[122]

تاريخ الاكتشاف التجريبي

ظهر مصطلح الگرافين لأول مرة في عام 1987[155] من أجل وصف صفائح واحدة من الگرافيت كأحد مكونات مركب الگرافيت intercalation (GICs) ؛ من الناحية النظرية ، فإن GIC عبارة عن ملح بلوري للمادة المقربة والگرافين. تم استخدام المصطلح أيضًا في الأوصاف المبكرة لأنابيب الكربون النانوية,[156] وكذلك الگرافين الفوقي,[157] والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات.[158] ومع ذلك ، فإن أيا من هذه الأمثلة يشكل الگرافين المعزول ثنائي الأبعاد.

لا يمكن زراعة جزيئات أو صفائح أكبر من الگرافين (بحيث يمكن اعتبارها بلورات ثنائية الأبعاد معزولة حقيقية) حتى من حيث المبدأ. يقول مقال في فيزياء اليوم:

"تضع القوى الأساسية حواجز لا يمكن التغلب عليها فيما يبدو في طريق إنشاء [بلورات ثنائية الأبعاد] ... تحاول بلورات Nascent 2D تقليل الطاقة السطحية لها وتحولها حتما إلى واحدة من مجموعة متنوعة غنية من الهياكل ثلاثية الأبعاد المستقرة التي تحدث في السخام.

ولكن هناك طريقة للتغلب على المشكلة. التفاعلات مع الهياكل 3D استقرار البلورات 2D أثناء النمو. لذلك يمكن للمرء أن يصنع بلورات ثنائية الأبعاد بين أو توضع فوق الأسطح الذرية من بلورة كبيرة الحجم. في هذا الصدد ، يوجد بالفعل الگرافين داخل الگرافيت ...

يمكن للمرء بعد ذلك أن يأمل في خداع الطبيعة واستخلاص البلورات السميكة ذات الذرة الواحدة عند درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية بحيث تظل في حالة التبريد التي يحددها النمو ثلاثي الأبعاد الأصلي لدرجات الحرارة المرتفعة."[159]

كانت الطبقات المفردة من الگرافيت سابقًا (بدءًا من السبعينيات) تزرع فوق الفوقي و فوق مواد أخرى.[160] يتكون هذا "الگرافين الفوقي" من شبكة سداسية أحادية الذرة منsp2-bonded ذرات الكربون ، كما هو الحال في الگرافين قائم بذاته. ومع ذلك ، هناك نقل شحنة كبير من الركيزة إلى الگرافين الفوقي ، وفي بعض الحالات ، التهجين بين المدارات d لذرات الركيزة و π المدارات من الگرافين ، مما يغير بشكل كبير الهيكل الإلكتروني للگرافين الفوقي. لوحظت أيضًا طبقات من الگرافيت بواسطة المجهر الإلكتروني للإرسال داخل المواد السائبة (انظر القسم "حدوث") ، وخاصة داخل السخام الذي تم الحصول عليه بواسطة التقشير الكيميائي.[70] كان هناك أيضًا عدد من الجهود لصنع أفلام رقيقة جداً من الگرافيت بواسطة التقشير الميكانيكي (بدءًا من عام 1990 وتستمر حتى عام 2004)[70] ولكن لم يتم إنتاج أي شيء أقل من 50 إلى 100 طبقة خلال هذه السنوات.

جاء التقدم الرئيسي في علم الگرافين عندما تمكن أندري گيم و نوستيا نوڤوسليڤ في جامعة مانشستر من استخراج بلورات أحادية الذرة كثيفة (الگرافين) من الگرافيت بالجملة في عام 2004.[66] قام باحثو مانشستر بسحب طبقات الگرافين من الگرافيت ونقلوها إلى ثاني أكسيد السيليكون الرقيق على رقاقة السيليكون في عملية تسمى أحيانًا الانقسام الميكانيكي أو ببساطة تقنية شريط سكوتش. عزل ثاني أكسيد السيليكون كهربائيًا الگرافين ، وكان يتفاعل بشكل ضعيف مع الگرافين ، مما يوفر طبقات جرافين محايدة تقريبًا. يمكن استخدام السيليكون الموجود أسفل ثاني أكسيد السيليكون كقطب "بوابة خلفية" لتغيير كثافة الشحن في طبقة الگرافين على مدى واسع. حصل Geim على العديد من الجوائز عن "اكتشاف الگرافين" بما في ذلك جائزة EuroPhysics المرموقة (مع Novoselov) وجائزة Körber لعام 2009. بعض الجوائز تصف مساهماته على الأرجح بشكل أكثر دقة ، أي اكتشاف "بلورات ذرية ثنائية الأبعاد" بما في ذلك الگرافين المعزول (الگرافين داخل الهياكل الگرافيتية وعلى رأس الفلزات وكان SiC معروفًا من قبل ؛ ويعد نيتريد البورون مثالًا آخر على واحد مواد سميكة[72]). في عامي 2008 و 2009 ، رشحته وكالة رويترز (التي تدير أيضًا خدمة الويب الببليومترية للعلم) كأحد أبرز المرشحين لجائزة نوبل في الفيزياء[161] على الرغم من أن الجائزة في الكيمياء ربما أكثر ملاءمة.

أدت تقنية الانقسام الميكروميكانيكي مباشرة إلى الملاحظة الأولى لتأثير هال الكم الشاذ في الگرافين,[99][121] التي قدمت دليلا مباشرا على مرحلة pi Berry المتوقعة نظريا ل fermions ديراك بلا كتلة في الگرافين. مجموعة أخرى لها الفضل على نطاق واسع لانطلاق أبحاث الگرافين هي فيليپ كيم ويوان بو تشانگ من جامعة كولومبيا.تم استكشاف هذه النظرية لأول مرة بواسطة Philip R Wallace في عام 1947 كنقطة انطلاق لفهم الخصائص الإلكترونية للگرافيت ثلاثي الأبعاد الأكثر تعقيدًا. أشار گوردون دبليو سيمينوف أولاً إلى معادلة ديراك بلا كتلة الناشئة [97] and David P. DeVincenzo and Eugene J. Mele.[162]أكد سيمينوف على حدوث في مجال مغناطيسي لمستوى لانداو الإلكتروني بدقة عند نقطة ديراك. هذا المستوى هو المسؤول عن تأثير العدد الصحيح الشاذ لأثر هال.[99][120][121]في وقت لاحق ، لوحظ أيضا طبقات الگرافين المفردة مباشرة عن طريق المجهر الإلكتروني.[71]

في الآونة الأخيرة ، أظهرت عينات الگرافين المحضرة على أفلام النيكل ، وعلى الوجه السيليكوني لكربيد السيليكون ، تأثير هال الكم الشاذ مباشرة في القياسات الكهربائية.[81][163][164]تُظهر الطبقات الگرافيتية على الوجه الكربوني لكربيد السيليكون طيفًا ديراكًا واضحًا في تجارب التصوير الضوئي التي تم حلها من زاوية ، ويلاحظ تأثير هال الكمومي الشاذ في تجارب الرنين السيكلوترون والثقب.[165] ومن المفارقات أنه على الرغم من وجود الگرافين على النيكل وكربيد السيليكون على حد سواء في المختبر لعقود من الزمن ، فقد تم تقشير الگرافين ميكانيكيا على ثاني أكسيد السيليكون الذي قدم أول دليل على طبيعة ديراك الإلكترون في الإلكترونات في الگرافين.

مرئيات

گرافين

انظر أيضاً

الهامش

  1. ^ NICK BILTON (2014-04-13). "Bend It, Charge It, Dunk It: Graphene, the Material of Tomorrow". النيويورك تايمز.
  2. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة camdic
  3. ^ أ ب ت ث ج خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة geim2007
  4. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة peres2009
  5. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة zdet2015
  6. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة harris2018
  7. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة lizhi2015
  8. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة nair2008
  9. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة zhu2014
  10. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة lee2008
  11. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة cao2020
  12. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة boehm1962a
  13. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة novo2004
  14. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة aps2009
  15. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة azon2014
  16. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة mrmak2014
  17. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة IUPAC2009
  18. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة geim2009a
  19. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة ried2009
  20. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة geim2012
  21. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة brod1859
  22. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة deb1916
  23. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة fried1913
  24. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة hull1917
  25. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة kohl1918
  26. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة bern1924
  27. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة hass1924
  28. ^ Semenoff, Gordon W. (24 December 1984). "Condensed-Matter Simulation of a Three-Dimensional Anomaly". Physical Review Letters. 53 (26): 2449–2452. Bibcode:1984PhRvL..53.2449S. doi:10.1103/PhysRevLett.53.2449.
  29. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة divi1984
  30. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة novo2005
  31. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة gusy2005
  32. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة zhang2005
  33. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة ruess1948
  34. ^ أ ب ت خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة meyer2007
  35. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة boehm1962b
  36. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة oshi1997
  37. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة forb1998
  38. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة mour1987
  39. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة saito1992
  40. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة wang2000
  41. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة geim2008
  42. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة ruth2002
  43. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة jang2002
  44. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة manch2014
  45. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة ukiop2010
  46. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة nobel2013
  47. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة manch2014f
  48. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة burn2014
  49. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة gibs2014
  50. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة thej2014
  51. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة canew2015
  52. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة coop2012
  53. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة felix2013
  54. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة dixit2019
  55. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة kasu2002
  56. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة bern1996
  57. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة fraun2002
  58. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة carl2007
  59. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة faso2007
  60. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة ishi2007
  61. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة shen2006
  62. ^ Boehm, H.P.; Setton, R. and Stumpp, E. (1994). "Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds". Pure and Applied Chemistry. 66: 1893-1901. doi:10.1351/pac199466091893.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  63. ^ Simpson, C. D.; et al. (2002). "Synthesis of a Giant 222 Carbon Graphite Sheet". Chemistry — A European Journal. 6: 1424. doi:10.1002/1521-3765(20020315)8:6<1424::AID-CHEM1424>3.0.CO;2-Z. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  64. ^ Gall,N.R. ; Rut’kov, E.V.; Tontegode, A.Y. (1997). "Two Dimensional Graphite Films on Metals and Their Intercalation". International Journal of Modern Physics B. 11: 1865-1911. doi:10.1142/S0217979297000976.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  65. ^ Gall,N.R. ; Rut’kov, E.V.; Tontegode, A.Y. (1995). "Influence of surface carbon on the formation of silicon-refractory metal interfaces". Thin Solid Films. 266: 229-233. doi:10.1016/0040-6090(95)06572-5.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  66. ^ أ ب ت ث Novoselov, K. S.; et al. (2004). "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films" (PDF). Science. 306: 666. doi:10.1126/science.1102896. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  67. ^ أ ب ت Ohta, T.; et al. (2007). "Interlayer Interaction and Electronic Screening in Multilayer Graphene Investigated with Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy". Physical Review Letters. 98: 206802. doi:10.1103/PhysRevLett.98.206802. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  68. ^ أ ب ت Bostwick, A.; et al. (2007). "Symmetry breaking in few layer graphene films". New Journal of Physics. 9: 385. doi:10.1088/1367-2630/9/10/385. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  69. ^ أ ب Hass, J.; et al. (2008). "Why multilayer graphene on 4H-SiC(000(1)over-bar) behaves like a single sheet of graphene". Physical Review Letters. 100: 125504. doi:10.1103/PhysRevLett.100.125504. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  70. ^ أ ب ت ث "Carbon Wonderland". Scientific American. April 2008. Retrieved 2009-05-05. .. bits of graphene are undoubtedly present in every pencil mark
  71. ^ أ ب ت ث Meyer, J.; et al. (2007). "The structure of suspended graphene sheets" (PDF). Nature. 446 (7131): 60-63. doi:10.1038/nature05545. PMID 17330039. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  72. ^ أ ب Novoselov, K.S.; et al. (2005). "Two-dimensional atomic crystals" (free download pdf). PNAS. 102 (30): 10451. doi:10.1073/pnas.0502848102. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  73. ^ Sutter, P. (2009). "Epitaxial graphene: How silicon leaves the scene". Nature Materials. 8 (3): 171. doi:nmat2392. PMID 19229263. {{cite journal}}: Check |doi= value (help)
  74. ^ Zhou, S.Y.; et al. (2006). "First direct observation of Dirac fermions in graphite". Nature Physics. 2: 595–599. doi:10.1038/nphys393. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  75. ^ Morozov, S.V.; et al. (2006). "Strong Suppression of Weak Localization in Graphene". Physical Review Letters. 97: 016801. doi:10.1103/PhysRevLett.97.016801. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  76. ^ Berger, C.; et al. (2004). "Ultrathin epitaxial graphite: 2D electron gas properties and a route toward graphene-based nanoelectronics". Journal of Physical Chemistry B. 108: 19912–19916. doi:10.1021/jp040650f. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  77. ^ Kedzierski, J.; et al. (2008). "Epitaxial Graphene Transistors on SiC Substrates". IEEE Transactions on Electron Devices. 55: 2078–2085. doi:10.1109/TED.2008.926593. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  78. ^ Moon, J.S.; et al. (2009). "Epitaxial-Graphene RF Field-Effect Transistors on Si-Face 6H-SiC Substrates". IEEE Electron Device Letters. 30: 650–652. doi:10.1109/LED.2009.2020699. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  79. ^ "A smarter way to grow graphene". PhysOrg.com. May 2008.
  80. ^ Pletikosić, I.; et al. (2009). "Dirac Cones and Minigaps for Graphene on Ir(111)". Physical Review Letters. 102: 056808. doi:10.1103/PhysRevLett.102.056808. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  81. ^ أ ب Kim, Kuen Soo (2009). "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes". Nature. 457 (7230): 706. doi:10.1038/nature07719. PMID 19145232. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  82. ^ "Researchers discover method for mass production of nanomaterial graphene". PhysOrg.com. Nov 2008.
  83. ^ Choucair, M. (2008). "Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonication". Nature Nanotechnology. 4 (1): 30–3. doi:10.1038/nnano.2008.365. PMID 19119279.
  84. ^ Brumfiel, G. (2009). "Nanotubes cut to ribbons New techniques open up carbon tubes to create ribbons". Nature. doi:10.1038/news.2009.367.
  85. ^ Kosynkin, D. V.; et al. (2009). "Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons". Nature. 458 (7240): 872. doi:10.1038/nature07872. PMID 19370030. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  86. ^ Liying Jiao, Li Zhang, Xinran Wang, Georgi Diankov & Hongjie Dai (2009). "Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes". Nature. 458 (7240): 877. doi:10.1038/nature07919. PMID 19370031.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  87. ^ أ ب Carlsson, J. M. (2007). "Graphene: Buckle or break". Nature Materials. 6 (11): 801. doi:10.1038/nmat2051. PMID 17972931.
  88. ^ أ ب Fasolino, A., Los, J. H., & Katsnelson, M. I. (2007). "Intrinsic ripples in graphene". Nature Materials. 6 (11): 858. doi:10.1038/nmat2011. PMID 17891144.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  89. ^ أ ب ت ث ج ح Geim, A. K. and Novoselov, K. S. (2007). "The rise of graphene" (PDF). Nature Materials. 6 (3): 183-191. doi:10.1038/nmat1849. PMID 17330084.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  90. ^ أ ب ت Ishigami, Masa (2007). "Atomic Structure of Graphene on SiO2". Nano Lett. 7 (6): 1643–1648. doi:10.1021/nl070613a. PMID 17497819. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  91. ^ Stolyarova, Elena (2007). "High-resolution scanning tunneling microscopy imaging of mesoscopic graphene sheets on an insulating surface". Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (22): 9209–9212. doi:10.1073/pnas.0703337104. PMC 1874226. PMID 17517635. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  92. ^ Kasuya, D.; Yudasaka, M.; Takahashi, K.; Kokai, F. ; Iijima, S. (2002). "Selective Production of Single-Wall Carbon Nanohorn Aggregates and Their Formation Mechanism". J. Phys. Chem. B. 106: 4947. doi:10.1021/jp020387n.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  93. ^ Bernatowicz, T. J.; et al. (1996). "Constraints on stellar grain formation from presolar graphite in the Murchison meteorite". Astrophysical Journal. 472: 760-782. doi:10.1086/178105. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  94. ^ Fraundorf, P. and Wackenhut, M. (2002). "The core structure of presolar graphite onions". Astrophysical Journal Letters. 578: L153-156 (astro-ph/0110585 arxiv1,cond-mat/0606093 arxiv2). doi:10.1086/344633.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  95. ^ أ ب Wallace, P. R. (1947). "The Band Theory of Graphite". Physical Review. 71: 622. doi:10.1103/PhysRev.71.622.
  96. ^ أ ب ت ث Charlier, J.-C.; Eklund, P.C.; Zhu, J. and Ferrari, A.C. (2008). "Electron and Phonon Properties of Graphene: Their Relationship with Carbon Nanotubes". from Carbon Nanotubes: Advanced Topics in the Synthesis, Structure, Properties and Applications, Ed. A. Jorio, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  97. ^ أ ب ت ث ج ح Semenoff, G. W. (1984). "Condensed-Matter Simulation of a Three-Dimensional Anomaly". Physical Review Letters. 53: 5449. doi:10.1103/PhysRevLett.53.2449.
  98. ^ أ ب Avouris, P., Chen, Z., and Perebeinos, V. (2007). "Carbon-based electronics". Nature Nanotechnology. 2 (10): 605. doi:10.1038/nnano.2007.300. PMID 18654384.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  99. ^ أ ب ت ث ج ح Novoselov, K. S.; et al. (2005). "Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene". Nature. 438 (7065): 197-200. doi:10.1038/nature04233. PMID 16281030. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  100. ^ Morozov, S.V.; et al. (2008). "Giant Intrinsic Carrier Mobilities in Graphene and Its Bilayer". Phys. Rev. Lett. 100: 016602. doi:10.1103/PhysRevLett.100.016602. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  101. ^ أ ب ت Chen, J. H.; et al. (2008). "Intrinsic and Extrinsic Performance Limits of Graphene Devices on SiO2". Nature Nanotechnology. 3 (4): 206. doi:10.1038/nnano.2008.58. PMID 18654504. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  102. ^ Akturk, A. and Goldsman, N. (2008). "Electron transport and full-band electron-phonon interactions in graphene". Journal of Applied Physics. 103: 053702. doi:10.1063/1.2890147.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  103. ^ Physicists Show Electrons Can Travel More Than 100 Times Faster in Graphene
  104. ^ أ ب ت Chen, J. H.; et al. (2008). "Charged Impurity Scattering in Graphene". Nature Physics. 4: 377 - 381. doi:10.1038/nphys935. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  105. ^ أ ب ت Schedin, F.; et al. (2007). "Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene". Nature Mater. 6 (9): 652-655. doi:10.1038/nmat1967. PMID 17660825. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  106. ^ Adam, S.; et al. (2007). "A self-consistent theory for graphene transport" (free-download pdf). Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 104 (47): 18392 (arxiv). doi:10.1073/pnas.0704772104. PMC 2141788. PMID 18003926. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  107. ^ Jiannis K. Pachos (2009). "Manifestations of topological effects in graphene" (free-download pdf). Contemporary Physics. 50: 375. doi:10.1080/00107510802650507.
  108. ^ Fractionalization of charge and statistics in graphene and related structures, M. Franz, University of British Columbia, January 5, 2008
  109. ^ Kuzmenko, A. B.; van Heumen, E.; Carbone, F.; van der Marel, D. (2008). "Universal infrared conductance of graphite". Phys Rev Lett. 100: 117401. doi:10.1103/PhysRevLett.100.117401.
  110. ^ Nair, R. R.; et al. (2008). "Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene" (PDF). Science. 320 (5881): 1308. doi:10.1126/science.1156965. PMID 18388259. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help) [1]
  111. ^ "Graphene Gazing Gives Glimpse Of Foundations Of Universe". ScienceDaily. 2008-04-04. Retrieved 2008-04-06.
  112. ^ Zhang, Y.; et al. (11 June 2009). "Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene". Nature. 459 (7248): 820-823. doi:10.1038/nature08105. PMID 19516337. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  113. ^ Junfeng Liu, A. R. Wright, Chao Zhang, and Zhongshui Ma (29 July 2008). "Strong terahertz conductance of graphene nanoribbons under a magnetic field". Appl Phys Lett. 93: 041106-041110. doi:10.1063/1.2964093.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  114. ^ Qiaoliang Bao, Han Zhang, Yu Wang, Zhenhua Ni, Yongli Yan, Ze Xiang Shen, Kian Ping Loh,and Ding Yuan Tang, Advanced Functional Materials,"Atomic layer graphene as saturable absorber for ultrafast pulsed lasers "http://www3.ntu.edu.sg/home2006/zhan0174/AFM.pdf
  115. ^ Zhang, H.; et al. "Large energy mode locking of an erbium-doped fiber laser with atomic layer graphene" (free download pdf). Optics Express. 17: P17630. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  116. ^ Zhang, H.; et al. "Large energy soliton erbium-doped fiber laser with a graphene-polymer composite mode locker" (PDF). Applied Physics Letters. 95: P141103. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  117. ^ أ ب Tombros, Nikolaos (2007). "Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature". Nature (PDF). 448 (7153): 571–575. doi:10.1038/nature06037. PMID 17632544. {{cite journal}}: |format= requires |url= (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  118. ^ أ ب Cho, Sungjae (2007). "Gate-tunable Graphene Spin Valve". Applied Physics Letters. 91: 123105. doi:10.1063/1.2784934. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  119. ^ Ohishi, Megumi (2007). "Spin Injection into a Graphene Thin Film at Room Temperature". Jpn J Appl Phys. 46: L605–L607. doi:10.1143/JJAP.46.L605. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  120. ^ أ ب Gusynin, V. P. and Sharapov, S. G. (2005). "Unconventional Integer Quantum Hall Effect in Graphene". Physical Review Letters. 95: 146801. doi:10.1103/PhysRevLett.95.146801.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  121. ^ أ ب ت Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., and Kim, P. (2005). "Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene". Nature. 438 (7065): 201-204. doi:10.1038/nature04235. PMID 16281031.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  122. ^ أ ب A Castro Neto; et al. (2009). "The electronic properties of graphene" (PDF). Rev Mod Phys. 81: 109. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  123. ^ "Graphene Oxide Paper". Northwestern University. Retrieved 2009-05-05.
  124. ^ Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon (2006). "Solution Properties of Graphite and Graphene". J. Am. Chem. Soc. 128 (24): 7720–7721. doi:10.1021/ja060680r. PMID 16771469.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  125. ^ Balandin, A.A., Ghosh, S., Bao, W., Calizo, I., Teweldebrahn, D., Miao, F., and Lau, C.N. (2008). "Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene". Nano Letters ASAP. 8 (3): 902–7. doi:10.1021/nl0731872. PMID 18284217.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  126. ^ Saito, K., Nakamura, J., and Natori, A. (2007). "Ballistic thermal conductance of a graphene sheet". Physical Review B. 76: 115409. doi:10.1103/PhysRevB.76.115409.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  127. ^ Delhaes, P. (2001). Graphite and Precursors. CRC Press. ISBN 9056992287.
  128. ^ أ ب Mingo N., Broido, D.A. (2005). "Carbon Nanotube Ballistic Thermal Conductance and Its Limits". Physical Review Letters. 95: 096105. doi:10.1103/PhysRevLett.95.096105.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  129. ^ Mounet, N. and Marzari, N. (2005). "First-principles determination of the structural, vibrational and thermodynamic properties of diamond, graphite, and derivatives". Physical Review B. 71: 205214. doi:10.1103/PhysRevB.71.205214.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  130. ^ Lifshitz, I.M. (1952). Journal of Experimental and Theoretical Physics (in Russian). 22: 475. {{cite journal}}: Missing or empty |title= (help)
  131. ^ Lee, C.; et al. (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science. 321 (5887): 385. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help); Unknown parameter |laysummary= ignored (help)
  132. ^ Sanderson, Bill (2008-08-25). "Toughest Stuff Known to Man : Discovery Opens Door to Space Elevator". nypost.com. Retrieved 2008-10-09.
  133. ^ Frank, I. W., Tanenbaum, D. M., Van Der Zande, A.M., and McEuen, P. L. (2007). "Mechanical properties of suspended graphene sheets" (free download pdf). J. Vac. Sci. Technol. B. 25: 2558-2561. doi:10.1116/1.2789446.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  134. ^ Barone, V., Hod, O., and Scuseria, G. E. (2006). "Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons". Nano Lett. 6 (12): 2748. doi:10.1021/nl0617033. PMID 17163699.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  135. ^ Han., M.Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., and Kim, P. (2007). "Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons". Phys. Rev. Lett. 98: 206805. doi:10.1103/PhysRevLett.98.206805.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  136. ^ Wang, Z. F., Shi, Q. W., Li, Q., Wang, X., Hou, J. G., Zheng, H.; et al. (2007). "Z-shaped graphene nanoribbon quantum dot device". Applied Physics Letters. 91: 053109. doi:10.1063/1.2761266. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  137. ^ Carbon-Based Electronics: Researchers Develop Foundation for Circuitry and Devices Based on Graphite March 14, 2006
  138. ^ Lemme, M. C. et al. (2007)). "A graphene field-effect device". IEEE Electron Device Letters. 28: 282. doi:10.1109/LED.2007.891668. {{cite journal}}: Check date values in: |year= (help)
  139. ^ Bullis, K. (2008-01-28). "Graphene Transistors". Cambridge: MIT Technology Review, Inc. Retrieved 2008-02-18.
  140. ^ Echtermeyer, Tim. J. et al. (2008). "Nonvolatile Switching in Graphene Field-Effect Devices". IEEE Electron Device Letters. 29: 952. doi:10.1109/LED.2008.2001179.
  141. ^ Sordan, R.; Traversi, F.; Russo, V. (2009). "Logic gates with a single graphene transistor". Appl. Phys. Lett. 94: 073305. doi:10.1063/1.3079663.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  142. ^ Wang, H.; Nezich, D.; Kong, J.; Palacios, T. (2009). "Graphene Frequency Multipliers". IEEE Electr. Device. L. 30: 547. doi:10.1109/LED.2009.2016443. {{cite journal}}: Unknown parameter |laysummary= ignored (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  143. ^ Chen, J., Ishigami, M., Jang, C., Hines, D. R., Fuhrer, M. S., and Williams, E. D. (2007). "Printed graphene circuits". Advanced Materials. 19: 3623-3627. doi:10.1002/adma.200701059.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  144. ^ Ponomarenko, L. A.; et al. (2008). "Chaotic Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots". Science. 320 (5874): 356. doi:10.1126/science.1154663. PMID 18420930. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help); Unknown parameter |laysummary= ignored (help)
  145. ^ "Graphene transistors clocked at 26 GHz Arxiv article". Arxivblog.com. 2008-12-11. Retrieved 2009-08-15.
  146. ^ Wang, X.; Li, X.; Zhang, L.; Yoon, Y.; Weber, P. K.; Wang, H.; Guo, J.; Dai, H. (2009). "N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia". Science. 324: 768. doi:10.1126/science.1170335. {{cite journal}}: Unknown parameter |laysummary= ignored (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  147. ^ Traversi, F.; Russo, V.; Sordan, R. (2009). "Integrated complementary graphene inverter". Appl. Phys. Lett. 94: 223312. doi:10.1063/1.3148342. {{cite journal}}: Unknown parameter |laysummary= ignored (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  148. ^ Wang, X. (2007). "Transparent, Conductive Graphene Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells". Nano Letters. 8 (1): 323. doi:10.1021/nl072838r. PMID 18069877. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  149. ^ Eda G, Fanchini G, Chhowalla M (2008). "Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material". Nat Nanotechnol. 3 (5): 270–4. doi:10.1038/nnano.2008.83. PMID 18654522.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  150. ^ Wang, Yu; et al. (2009). "Large area, continuous, few-layered graphene as anodes in organic photovoltaic devices". Applied Physics Letters. 95: 063302. doi:10.1063/1.3204698. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  151. ^ Stoller, Meryl D. (2008). "Graphene-Based Ultracapacitors" (free download pdf). Nano Lett. 8 (10): 3498. doi:10.1021/nl802558y. PMID 18788793. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  152. ^ Mohanty, Nihar (2008). "Graphene-based Single-Bacterium Resolution Biodevice and DNA-Transistor— Interfacing Graphene-Derivatives with Nano and Micro Scale Biocomponents". Nano Letters. 8: 4469–76. doi:10.1021/nl802412n. PMID 18983201. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  153. ^ Xu, M. S. Xu (2009). "Perspectives and Challenges of Emerging Single-Molecule DNA Sequencing Technologies". Small. 5 (23): 2638–49. doi:10.1002/smll.200900976. PMID 19904762. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  154. ^ Computer supermaterial could stop your shoes smelling 01 August 2010
  155. ^ Mouras, S.; et al. (1987). "Synthesis of first stage graphite intercalation compounds with fluorides". Revue de Chimie Minerale. 24: 572. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  156. ^ Saito, R.; et al. (1992). "Electronic structure of graphene tubules based on C60". Phys. Rev. B. 46: 1804. doi:10.1103/PhysRevB.46.1804. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  157. ^ Forbeaux, I.; et al. (1998). "Heteroepitaxial graphite on 6H-SiC(0001): Interface formation through conduction-band electronic structure". Phys. Rev. B. 58: 16396. doi:10.1103/PhysRevB.58.16396. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  158. ^ Wang, S.; et al. (2000). "A new carbonaceous material with large capacity and high efficiency for rechargeable Li-ion batteries". Journal of the Electrochemical Society. 147: 2498. doi:10.1149/1.1393559. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |author= (help)
  159. ^ Geim, A. K. & MacDonald, A. H. (2007). "Graphene: Exploring carbon flatland" (PDF). Physics Today. 60: 35-41. doi:10.1063/1.2774096.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  160. ^ Oshima, C. and Nagashima, A. (1997). "Ultra-thin epitaxial films of graphite and hexagonal boron nitride on solid surfaces". J. Phys.: Condens. Matter. 9: 1. doi:10.1088/0953-8984/9/1/004.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  161. ^ Nobel glory for graphene http://science.thomsonreuters.com/press/2008/8481910/
  162. ^ DiVincenzo, D. P. and Mele, E. J. (1984). "Self-Consistent Effective Mass Theory for Intralayer Screening in Graphite Intercalation Compounds". Physical Review B. 295: 1685. doi:10.1103/PhysRevB.29.1685.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  163. ^ Johannes Jobst, Daniel Waldmann, Florian Speck, Roland Hirner, Duncan K. Maude, Thomas Seyller, Heiko B. Weber. "How Graphene-like is Epitaxial Graphene? Quantum Oscillations and Quantum Hall Effect". ArXiv.org.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  164. ^ T. Shen, J.J. Gu, M. Xu, Y.Q. Wu, M.L. Bolen, M.A. Capano, L.W. Engel, P.D. Ye. "Observation of quantum-Hall effect in gated epitaxial graphene grown on SiC (0001)". ArXiv.org.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  165. ^ Michael S. Fuhrer (2009). "A physicist peels back the layers of excitement about graphene". Nature. 459 (7250): 1037. doi:10.1038/4591037e. PMID 19553953.

وصلات خارجية

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=گرافين&oldid=4013179"