SON YILLARIN EN GÖZDE MADDESİ “GRAFEN”

Tüm grafit formların annesi. Graphene, diğer bütün boyutların karbon malzemeleri için 2D bir yapı malzemesidir. 0D çukurlara sarılabilir, 1D nanotüplerine sarılabilir veya 3B grafite istiflenebilir. (Oluklu bir grafen tabakasının sanatsal izlenimi: Jannik Meyer)

     Grafen, yapısı bal peteği kafesi şeklinde, karbon atomlarından yapılmış atomik ölçekli bir maddedir. Grafen, şüphesiz en mükemmel vasıflı nano malzemelerden biri olarak karşımıza çıkmakta. Elektronikten optiğe, algılayıcılara ve biyolojik aygıtlara kadar uzanan geniş bir yelpazede uygulama alanı bulmakta.

Karbonun Formları (Allotropları)

     Karbon, kalemlerde bulunan grafitten dünyanın en pahalı elmaslarına kadar pek çok farklı biçimde gelir. 1980'de, sadece üç ana karbon formunu, yani elmas, grafit ve amorf karbonu biliyorduk. Daha sonra fullerenler (Fullerenler karbon allotroplarının büyük bir sınıfıdır ve toplar, kafesler veya karbon atomlarının tüplerinden yapılırlar. Buckminster fullerene fullerene'nin bir türüdür. Moleküllerinin içi boş bir alanda düzenlenmiş 60 karbon atomu vardır.) ve karbon nanotüpleri keşfedildi ve 2004 yılında grafen kulübe katıldı.

     Mevcut karbon formları temel olarak, kaleminizdeki grafit gibi katı bir materyal oluşturmak üzere birbirlerinin üzerine bağlanmış veya karbon nanotüplere sarılmış grafen levhalarından oluşur (bir grafen silindir olarak tek duvarlı karbon nanotüp düşünün) veya fullerenler içine katlanmış.

     Grafen ile yapılan erken deneyler, araştırmacıların moleküler elektroniğe yönelmesini heyecanlandıran bazı ilginç olayları ortaya çıkarmıştır. Örneğin, elektronları yavaşlamadığı veya lokalize olmadığı için, grafenin nominal olarak sıfır taşıyıcı konsantrasyonu sınırında bile elektrik iletme kabiliyetine sahip olduğu bulundu. Karbon atomları etrafında hareket eden elektronlar, kütlelerini kaybetmiş olan yeni kuasipartikülleri (kütlesiz Dirac fermiyonları olarak adlandırılır) ortaya çıkaran, grafenin petek örgüsünün periyodik potansiyeli ile etkileşime girer. Bu, grafenin iletimi asla durdurmadığı anlamına gelir. Ayrıca, diğer yarı iletkenlerin elektronlarından çok daha hızlı seyahat ettiği bulundu.

     Grafen tabakasındaki kusurlar, safsızlıklar, tane sınırları, çoklu alanlar, yapısal bozukluklar, kırışıklıkların varlığı, elektronik ve optik özellikleri üzerinde olumsuz bir etkisi olabileceğinden, grafen kalitesi önemli bir rol oynamaktadır. Elektronik uygulamalarda, büyük darboğaz, büyük boyutlu numunelerin gerekliliğidir, bu sadece CVD işlemi (Kimyasal buhar birikimi ( CVD ), yüksek kaliteli, yüksek performanslı katı malzemeler üretmek için kullanılan kimyasal bir işlemdir .) durumunda mümkündür. Ancak mükemmel optik şeffaflık ile birlikte çok yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe sahip yüksek kaliteli ve tek kristal halinde grafen ince filmler üretmek zordur.

     Grafenin geleneksel metotlarla sentezlenmesindeki bir başka endişe konusu toksik kimyasalların kullanımını içerir ve bu yöntemler genellikle tehlikeli atıklar ve zehirli gazlar üretir. Bu nedenle, çevre dostu yaklaşımlar izleyerek grafen üretmek için yeşil yöntemler geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Grafen hazırlama yöntemleri, çok aşamalı ve zahmetli imalat yöntemlerini daha düşük bir üretim maliyetiyle ortadan kaldıracak olan karmaşık mimariye sahip grafen bazlı cihazların yerinde imalat ve entegrasyonuna izin vermelidir.

     Halihazırda, grafenin üretimi için mevcut en yaygın teknikler, mikromekanik bölünme, kimyasal buhar birikimi, SiC substratlar üzerinde epitaksiyal büyüme, pul pul dökülmüş grafen oksitin kimyasal indirgenmesi, grafitin sıvı fazda pul pul dökülmesi ve karbon nanotüplerinin boşaltılması gibi yöntemler kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu yöntemlerin her biri, hedef uygulamalarına / uygulamalarına bağlı olarak kendi avantajları ve sınırlamaları olabilir. Grafen'in ticarileştirilmesinde bu engellerin üstesinden gelmek için, çeşitli Ar-Ge enstitülerindeki araştırmacılar tarafından, üniversiteleri ve şirketleri, basit ve çevre dostu yaklaşımlar ile düşük maliyetli ve yüksek kaliteli grafenin büyük ölçekli üretimi için yeni yöntemler geliştirmek için kullanıyor.



Grafenin sentezinde yaygın olarak kullanılan klasik yöntemleri ve anahtar özellikleri ile mevcut ve gelecekteki uygulamaları gösteren bir şema. (Resim: CKMNT)

     

Enerji Uygulamaları İçin Grafen

     Grafene dayalı nanomalzemeler, enerji ile ilgili alanlarda pek çok umut verici uygulamalara sahiptir. Sadece yeni örnekler: Grafen, şarj edilebilir pillerde enerji kapasitesini ve şarj oranını geliştirir; Aktive edilmiş grafen enerji depolaması için üstün superkapasitörler yapar; Grafen elektrodları, ucuz, hafif ve esnek güneş pilleri yapmak için umut verici bir yaklaşımı sağlayabilir.

     Güneş pilleri, süperkapasitler, grafen piller ve yakıt hücreleri için katalizör, bu örnekler, grafen 'in etkileyebileceği enerji ile ilgili dört ana alanı vurguluyor. Araştırmacılar; grafene dayalı nanomalzemeler ve cihazlar yaygın ticari kullanım bulmadan önce iki önemli sorunun çözülmesi gerektiğini belirtiyorlar, biri iyi tanımlanmış yapılara sahip grafen bazlı nanomalzemelerin hazırlanması ve diğerinin kontrol edilebilir üretimi.

Sensör Uygulamaları İçin Grafen

     Araştırmacılar, hâlihazırda, su moleküllerine aşırı geçirgenliği ile birlikte grafen oksidin (GO) ayırt edici 2B yapısının, benzeri görülmemiş bir hızla algılama cihazlarına yol açtığını göstermiştir. ("Ultrafast grafen sensörü konuşurken nefesinizi izler")

     Bilim insanları, kimyasal buharların, grafen transistörlerinin gürültü spektrumlarını değiştirdiklerini keşfettiler; bu sayede, bozulmamış grafenden yapılmış tek bir cihazla, grafen yüzeyinin işlevselleştirilmesi gerekli olmayan, birçok buhara karşı seçici gaz algılamasını sağladılar. ("Saf grafenle seçici gaz algılama")

     Oldukça serin bir yaklaşım, dişlerin üzerindeki bir grafen nanosensor dövmesi ile gösterildiği gibi, ipek biyolojik emilim yoluyla pasif, kablosuz grafen nanosensörlerini biyomalzemelere bağlamaktır; bu, ağzınızdaki bakterileri izler.



Grafen kablosuz sensörün optik görüntüsü bir dişin yüzeyine biyolojik olarak aktarılır. (Resim: Princeton Üniversitesi McAlpine Grubu)

     Araştırmacılar ayrıca grafen köpüklerle - çok yüksek iletkenliğe sahip birbirine bağlı grafen levhaların üç boyutlu yapılarıyla - çalışmaya başlamışlardı. Bu yapılar gaz sensörleri ("Grafen köpük patlayıcıları, bugünkü gaz sensörlerinden daha iyi emisyonlar saptadı ") ve hastalıkları tespit etmek için biyolojik sensörler olarak umut vericidir (örneğin "Parkinson hastalığına yönelik biyolojik belirteçleri tespit etmek için kullanılan nanoteknoloji biyosensörü").

Esnek, gerilebilir ve katlanabilir elektronik için grafen

     Graphene, mekanik esneklik, yüksek elektrik iletkenliği ve kimyasal kararlılık gibi yeni nesil elektronik cihazlar için ideal eşsiz bir özellik kombinasyonuna sahiptir. Mürekkep püskürtmeli baskı teknolojisi ile birleştirerek ve bu özellikleri gerçek zamanlı olarak kullanmak için ucuz ve ölçeklenebilir bir yol açmıştır.("Esnek elektronikler için grafenin mürekkep püskürtmeli baskısı").

     Kıvrılabilir alt tabakalara dayanan esnek elektronik aksine, gerçekten katlanabilir elektronik, katlanmaya karşı dayanabilen çok kararlı bir iletkeni olan katlanabilir bir altlık gerektirir, yani alt katmandaki katlama noktasındaki bir kenar kırışıklık gelişir ve deformasyon açıldıktan sonra da kalır. Bu, kâğıt gibi katlanabilir bir altlığa ilaveten, bu alt katman üzerine biriken iletken de katlanabilir olması gerektiği anlamına gelir. Bu amaçla, araştırmacılar kâğıt alt katmanlarına dayanan katlanabilir grafen devreleri için bir üretim süreci sergilediler.



a,b,c: 180 ° katlama altında bir kağıt substrat üzerinde grafen devreli bir LED çipi çalışması. D: Negatif ve pozitif açı katlaması içeren üç boyutlu devre kartındaki LED yongaları dizisi. e, f, g: Kırpma öncesi ve sonrası kağıda dayalı devre kartındaki bir LED yongasının çalışması. (ilustrator: Wiley-VCH Verlag)

     Grafene'nin olağanüstü iletkenliği, kuvveti ve elastikiyeti, esnek plastik tabanlarda bükümlenebilir güneş pilleri veya robot benzeri yapay ciltler için devreler üretmeyi amaçlayan gerilebilir elektronik ürünler için umut verici bir seçenek haline getirmiştir. Bilim adamları, grafen levhaları son derece yüksek iletkenliğe sahip gözenekli üç boyutlu köpük haline dönüştürmek için bir kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi geliştirdi. Bu köpüğün bir siloksan bazlı polimerle nüfuz ettirilmesiyle, araştırmacılar bükümlü, elektriksel veya mekanik özelliklerine zarar vermeden gerilir ve bükülür.

Nanoelektronik uygulamalar için grafen

     Grafen'in en umut verici uygulamalardan bazıları, elektronikte (transistörler ve ara bağlantılar olarak), dedektörler (sensör elemanları olarak) ve termal yönetim (yanal ısı yayıcılar olarak). Hem alt hem de üst kapılarla birlikte ilk grafen alan efekt transistörleri (FET'ler) zaten gösterildi. Aynı zamanda, Herhangi bir transistörün analog iletişim veya dijital uygulamalar için kullanışlı olması için, elektronik düşük frekanslı gürültünün seviyesi kabul edilebilir bir seviyeye düşürülmelidir ("Grafen transistörler çok fazla gürültülü olmadan çalışabilirler").

     Grafen bazlı transistörler, halen kullanılan bazı silikon bileşenlerin potansiyel halefleri olarak düşünülmektedir. Bir elektron, grafende silikondan daha hızlı hareket edebildiğinden dolayı, materyal terahertz işlemesini mümkün kılma potansiyeline sahiptir. Nihai nano ölçekli transistörde - bir balistik transistör olarak adlandırılan - elektronlar çarpışmalardan kaçınılır, yani neredeyse engellenmemiş akım akışı var. Balistik iletimi inanılmaz derecede hızlı anahtarlama aygıtlarını mümkün kılar. Graphene, balistik transistörleri oda sıcaklığında etkinleştirme potansiyeline sahiptir.

     Deneyler, grafene özgü özelliklerinden yararlanarak mevcut flash bellek teknolojisinin performansını aşma potansiyelini gösteren flaş bellek platformu olarak grafen'in faydalarını göstermiştir.

Fotodetektörler için grafen

     Araştırmacılar, grafenin telekomünikasyon uygulamaları için kullanılabileceğini ve zayıf ve evrensel optik tepkisinin, ultra hızlı fotonik uygulamalar için avantajlara dönüştürülebileceğini gösterdi. Ayrıca, grafenin potansiyel olarak mor ötesi ışığa karşı geniş optik yanıta sahip bir doyurucu emici olarak kullanılabileceğini keşfettiler.

     Optoelektronikteki uygulamalar için grafen kullanmak konusunda çok güçlü bir araştırma ilgisi bulunmaktadır. Grafene dayalı fotodetektörler daha önce gerçekleştirilmiş ve yüksek bant genişliği fotodeteksiyonu için grafenin uygunluğu 10 GBit /s optik veri bağlantısında gösterilmiştir ("Yüksek hızlı optik iletişim için Graphene fotodetektörleri").

     Bir yeni yaklaşım, grafenin optik bir mikrokapite entegre edilmesine dayanmaktadır. Boşluğun içindeki artan elektrik alan genliği, daha fazla enerjinin emilmesine neden olur ve bu da fotoreferansın belirgin bir artışına neden olur ("Mikrokavite grafen fotodetektörlerinin fotoreaksiyonunu büyük ölçüde arttırır").

Kaplamalar için grafen

     Nesneleri grafenle kaplamak, farklı amaca hizmet edebilir. Örneğin, araştırmacılar şimdi, statik ve dinamik (damlacık darbe) koşullarında istikrarlı bir süperhidrofobiklik gösteren süperhidrofobik bir kaplama malzemesi oluşturmak için grafen levhalarının kullanılması, böylece aşırı su itici yapılar oluşturulmasının mümkün olduğunu göstermiştir.



Teflon kaplı grafen köpüğün yüzeyini etkileyen bir su damlacıklarının görüntüleri. Damlacık yüzeyine çarpmadan hemen önce çarpma hızı ~ 76 cm / s dir. Enstantane dizisi, damlacıkların çarpma üzerine deformasyon zamanı geçmişini göstermekte. Damlacık yayılır, sonra çekilir ve başarılı bir şekilde toparlanır. Geri tepme katsayısı (yani damlacık vurma hızının fırlatma hızına oranı) Teflon kaplı köpük için ~ 0.37'dir. (görüntü: Wiley-VCH Verlag)

     Araştırma bulguları, metalleri korozyondan korumak için bilinen en ince kaplama olarak grafeni olduğu bulundu. Doğrudan bakır veya nikel üzerine yapılan veya başka bir metal üzerine transfer edilen grafenin korozyona karşı koruma sağladığı bulundu.

     Başka bir yeni kaplama uygulaması, AFM prob performansını iyileştirmek için tek katmanlı grafen ile kaplı polimerik AFM problarının imalatıdır.

Grafen için diğer kullanımlar

     Araştırmacılar çok etkili elektrik / ses dönüştürücüsü oluşturmak için grafenin olağanüstü elektriksel ve mekanik özelliklerinden istifade ettiler. Bu deneysel grafen hoparlörü, optimize edilmiş herhangi bir akustik tasarım olmaksızın yapmak kolaydır ve zaten benzer boyuttaki ticari eşdeğerlerine kıyasla çok daha düşük güç tüketimi ile daha iyi performans gösterir.

     Son zamanlarda yapılan araştırmalar, antibiyotiklerin grafene dayalı fototermal ajanlarla kapanarak bakteri yakalamak için kullanılmasına da işaret ediyor.

     Grafen, elektromanyetik girişim (EMI) koruması için en etkili materyal olarak görülüyor. Deneyler, ultra ince, şeffaf, ağırlıksız ve esnek EMI kalkanının bir veya birkaç atom katmanı grafen ile imal edilip edilmediğini önermektedir.

     Elektronikte hızla artan güç yoğunluklarından dolayı ortaya çıkan ısıyı yönetmek bilgisayar ve yarı iletken tasarımında en kritik konulardan biri haline gelmiştir. Grafen bilinen diğer herhangi bir malzemeden daha iyi ısı ilettiğinden soğutma sistemleri için idealdirler. Termal arayüz malzemeleri (TIM'ler) termal yönetimin temel bileşenleridir ve araştırmacılar, optimize edilmiş bir grafen ve çok katmanlı grafen karışımı ekleyerek TIM'lerin termal iletkenliklerinde rekor bir artış elde etmiştir ("Graphene, termal arabirim için en verimli dolgu maddesi olarak yeni rekorunu belirledi).

     Plasmonik gizleme kavramı, pasif bir cisimden saçılmayı önlemek için ince bir meta malzeme örtüsünün kullanımına dayanır. Araştırmalar, grafenin heyecan verici iletkenlik özelliklerine sahip tek bir atom tabakasının bile, bu işlevselliği düzlemsel ve silindirik geometrilerde gerçekleştirebildiğini gösteriyor. Bu, tek bir tabaka grafeni mümkün olan en ince görünmez pelerin haline getirir.

     Son on yılda, MEMS / NEMS uygulamalarında verimli çalışma ve uzun ömür için ve nanoimprint litografi ve transfer baskısı gibi çeşitli imalat süreçleri için çeşitli katı yağlayıcı malzemeler, mikro / nano kalıplar ve yüzey işleme işlemleri geliştirildi. Mikro ve nano ölçekte katı bir yağlayıcı uygulamak için önemli hususlardan biri de yağlayıcı maddenin kalınlığı ve yağlayıcı biriktirme işleminin hedef ürünle uyumluluğudur. Düşük yüzey enerjisine sahip atomik olarak ince ve kuvvetli yapısıyla Graphene, bu uygulamalar için iyi bir adaydır ("Graphene - en ince katı yağlayıcı ").

     Yapay kasları inşa etmek için on yıllar arayışında birçok malzeme, aktüatör uygulaması için uygunluğuna göre araştırılmıştır (bir maddenin, çeşitli uyarıların etkisi altında bir malzemenin boyutları tersine çevirebilmesi yeteneğidir). Yapay kasların yanı sıra, potansiyel uygulamaları arasında mikroelektro-mekanik sistemler (MEMS), biyomimetik mikro ve nanorobotlar ve mikro akışkan cihazlar. Deneylerde, bilim adamları grafen nanoribonların harekete geçirebileceğini gösterdi.

     Tuzlu suyun saflaştırılması için nispeten yeni bir yöntem, kapasitif deiyonizasyon (CDI) teknolojisidir. CDI'nın avantajları, ikincil bir kirliliği olmadığı, maliyet etkinliği ve enerjiyi verimli kullanmasıdır. Araştırmacılar kapasitif deiyonizasyon için elektrot olarak grafen benzeri nanoflakları kullanan bir CDI uygulaması geliştirdiler. Grafen elektrotların, geleneksel olarak kullanılan aktif karbon malzemelerden daha iyi bir CDI performansı sağladığını buldular ("Grafenle suyun tuzdan arındırılması").

     Araştırmacılar, grafenin fotonik cihazlar için şeffaf bir iletken kaplama olarak kullanıldığını gösterdi ve yüksek saydamlığının ve düşük özdirençliliğinin, bu iki boyutlu kristalin sıvı kristal cihazlarda (LCD'ler) elektrotlar için ideal olduğunu gösterdi.

     

Çeviri: Celal DEMİRTAŞ

Kaynak: nanowerk