کاربرد گرافن چیست؟ دو مورد کاربردی به شما امکان می‌دهد چشم‌انداز کاربرد گرافن را درک کنید.

در سال ۲۰۱۰، گیم و نووسلوف به خاطر کارشان روی گرافن، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. این جایزه تأثیر عمیقی بر بسیاری از مردم گذاشته است. از این گذشته، هر ابزار آزمایشی جایزه نوبل به اندازه نوار چسب رایج نیست و هر شیء تحقیقاتی به اندازه گرافن «کریستال دوبعدی» جادویی و قابل فهم نیست. کار انجام شده در سال ۲۰۰۴ می‌تواند در سال ۲۰۱۰ اهدا شود، که در سابقه جایزه نوبل سال‌های اخیر نادر است.

گرافن نوعی ماده است که از یک لایه واحد از اتم‌های کربن تشکیل شده است که به صورت نزدیک به هم در یک شبکه شش ضلعی لانه زنبوری دو بعدی قرار گرفته‌اند. مانند الماس، گرافیت، فولرن، نانولوله‌های کربنی و کربن آمورف، این ماده (ماده ساده) از عناصر کربن تشکیل شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، فولرن‌ها و نانولوله‌های کربنی را می‌توان به نوعی لوله شده از یک لایه واحد گرافن در نظر گرفت که توسط لایه‌های زیادی از گرافن روی هم چیده شده‌اند. تحقیقات نظری در مورد استفاده از گرافن برای توصیف خواص مواد ساده کربنی مختلف (گرافیت، نانولوله‌های کربنی و گرافن) نزدیک به 60 سال طول کشیده است، اما به طور کلی اعتقاد بر این است که چنین مواد دو بعدی به سختی می‌توانند به تنهایی و پایدار وجود داشته باشند، فقط به سطح زیرلایه سه‌بعدی یا درون موادی مانند گرافیت متصل می‌شوند. تا سال 2004 طول کشید تا آندره گیم و دانشجویش کنستانتین نووسلوف از طریق آزمایش‌ها یک لایه واحد گرافن را از گرافیت جدا کردند و تحقیقات در مورد گرافن به پیشرفت جدیدی دست یافت.

می‌توان فولرن (چپ) و نانولوله کربنی (وسط) را به گونه‌ای لوله شده توسط یک لایه گرافن در نظر گرفت، در حالی که گرافیت (راست) از طریق اتصال نیروی وان در والس توسط لایه‌های متعدد گرافن روی هم انباشته شده است.

امروزه گرافن را می‌توان از روش‌های مختلفی به دست آورد و روش‌های مختلف مزایا و معایب خاص خود را دارند. گیم و نووسلوف گرافن را به روشی ساده به دست آوردند. آنها با استفاده از نوار شفاف موجود در سوپرمارکت‌ها، گرافن، یک ورق گرافیتی با ضخامت تنها یک لایه از اتم‌های کربن، را از یک تکه گرافیت پیرولیتیک مرتبه بالا جدا کردند. این روش راحت است، اما قابلیت کنترل آن چندان خوب نیست و گرافن با اندازه کمتر از 100 میکرون (یک دهم میلی‌متر) فقط قابل دستیابی است که می‌تواند برای آزمایش‌ها استفاده شود، اما استفاده از آن برای کاربردهای عملی دشوار است. رسوب بخار شیمیایی می‌تواند نمونه‌های گرافن را با اندازه ده‌ها سانتی‌متر روی سطح فلز رشد دهد. اگرچه مساحت با جهت‌گیری ثابت تنها 100 میکرون است [3،4]، اما برای نیازهای تولیدی برخی از کاربردها مناسب بوده است. روش رایج دیگر، گرم کردن کریستال کاربید سیلیکون (SIC) تا بیش از 1100 درجه سانتیگراد در خلاء است، به طوری که اتم‌های سیلیکون نزدیک سطح تبخیر می‌شوند و اتم‌های کربن باقیمانده بازآرایی می‌شوند که می‌تواند نمونه‌های گرافن با خواص خوب را نیز به دست آورد.

گرافن ماده‌ای جدید با خواص منحصر به فرد است: رسانایی الکتریکی آن به اندازه مس عالی است و رسانایی حرارتی آن از هر ماده شناخته شده‌ای بهتر است. بسیار شفاف است. تنها بخش کوچکی (2.3٪) از نور مرئی عمودی تابیده شده توسط گرافن جذب می‌شود و بیشتر نور از آن عبور می‌کند. گرافن آنقدر متراکم است که حتی اتم‌های هلیوم (کوچکترین مولکول‌های گاز) نیز نمی‌توانند از آن عبور کنند. این خواص جادویی مستقیماً از گرافیت به ارث نرسیده‌اند، بلکه از مکانیک کوانتومی به ارث رسیده‌اند. خواص الکتریکی و نوری منحصر به فرد آن مشخص می‌کند که چشم‌انداز کاربردهای گسترده‌ای دارد.

اگرچه گرافن تنها کمتر از ده سال است که ظاهر شده است، اما کاربردهای فنی زیادی را نشان داده است که در زمینه‌های فیزیک و علوم مواد بسیار نادر است. بیش از ده سال یا حتی دهه‌ها طول می‌کشد تا مواد عمومی از آزمایشگاه به زندگی واقعی منتقل شوند. کاربرد گرافن چیست؟ بیایید به دو مثال نگاه کنیم.

الکترود نرم و شفاف
در بسیاری از وسایل برقی، مواد رسانای شفاف باید به عنوان الکترود استفاده شوند. ساعت‌های الکترونیکی، ماشین حساب‌ها، تلویزیون‌ها، نمایشگرهای کریستال مایع، صفحه‌های لمسی، پنل‌های خورشیدی و بسیاری از دستگاه‌های دیگر نمی‌توانند وجود الکترودهای شفاف را کنار بگذارند. الکترود شفاف سنتی از اکسید قلع ایندیوم (ITO) استفاده می‌کند. به دلیل قیمت بالا و عرضه محدود ایندیوم، این ماده شکننده و فاقد انعطاف‌پذیری است و الکترود باید در لایه میانی خلاء رسوب داده شود و هزینه آن نسبتاً بالا است. مدت‌هاست که دانشمندان در تلاش برای یافتن جایگزین آن هستند. علاوه بر الزامات شفافیت، رسانایی خوب و آماده‌سازی آسان، اگر انعطاف‌پذیری خود ماده خوب باشد، برای ساخت «کاغذ الکترونیکی» یا سایر دستگاه‌های نمایشگر تاشو مناسب خواهد بود. بنابراین، انعطاف‌پذیری نیز جنبه بسیار مهمی است. گرافن چنین ماده‌ای است که برای الکترودهای شفاف بسیار مناسب است.

محققان سامسونگ و دانشگاه چنگجونگوان در کره جنوبی، گرافن را با طول مورب 30 اینچ از طریق رسوب بخار شیمیایی به دست آوردند و آن را به یک فیلم پلی اتیلن ترفتالات (PET) با ضخامت 188 میکرون منتقل کردند تا یک صفحه لمسی مبتنی بر گرافن تولید کنند [4]. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، گرافن رشد یافته روی فویل مسی ابتدا با نوار سلب حرارتی (قسمت شفاف آبی) پیوند داده می‌شود، سپس فویل مسی با روش شیمیایی حل می‌شود و در نهایت گرافن با حرارت دادن به فیلم PET منتقل می‌شود.

تجهیزات القایی فوتوالکتریک جدید
گرافن خواص نوری بسیار منحصر به فردی دارد. اگرچه تنها یک لایه اتم دارد، اما می‌تواند 2.3٪ از نور ساطع شده را در کل محدوده طول موج از نور مرئی تا مادون قرمز جذب کند. این عدد هیچ ارتباطی با سایر پارامترهای ماده گرافن ندارد و توسط الکترودینامیک کوانتومی تعیین می‌شود [6]. نور جذب شده منجر به تولید حامل‌ها (الکترون‌ها و حفره‌ها) می‌شود. تولید و انتقال حامل‌ها در گرافن با نیمه‌هادی‌های سنتی بسیار متفاوت است. این امر گرافن را برای تجهیزات القایی فوتوالکتریک فوق سریع بسیار مناسب می‌کند. تخمین زده می‌شود که چنین تجهیزات القایی فوتوالکتریک ممکن است در فرکانس 500 گیگاهرتز کار کند. اگر برای انتقال سیگنال استفاده شود، می‌تواند 500 میلیارد صفر یا یک در ثانیه منتقل کند و انتقال محتویات دو دیسک Blu-ray را در یک ثانیه تکمیل کند.

متخصصان مرکز تحقیقات IBM Thomas J. Watson در ایالات متحده از گرافن برای ساخت دستگاه‌های القایی فوتوالکتریک استفاده کرده‌اند که می‌توانند در فرکانس 10 گیگاهرتز کار کنند [8]. ابتدا، ورقه‌های گرافن بر روی یک زیرلایه سیلیکونی پوشیده شده با سیلیس به ضخامت 300 نانومتر با "روش پاره کردن نوار" تهیه شدند و سپس الکترودهای پالادیوم طلا یا تیتانیوم طلا با فاصله 1 میکرون و عرض 250 نانومتر روی آن ساخته شدند. به این ترتیب، یک دستگاه القایی فوتوالکتریک مبتنی بر گرافن به دست می‌آید.

نمودار شماتیک تجهیزات القای فوتوالکتریک گرافن و عکس‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از نمونه‌های واقعی. خط کوتاه سیاه در شکل مربوط به 5 میکرون است و فاصله بین خطوط فلزی یک میکرون است.

محققان از طریق آزمایش‌ها دریافتند که این دستگاه القایی فوتوالکتریک با ساختار فلزی-گرافن می‌تواند حداکثر به فرکانس کاری ۱۶ گیگاهرتز برسد و با سرعت بالا در محدوده طول موج از ۳۰۰ نانومتر (نزدیک به فرابنفش) تا ۶ میکرون (مادون قرمز) کار کند، در حالی که لوله القایی فوتوالکتریک سنتی نمی‌تواند به نور مادون قرمز با طول موج بلندتر پاسخ دهد. فرکانس کاری تجهیزات القایی فوتوالکتریک گرافن هنوز جای زیادی برای بهبود دارد. عملکرد برتر آن باعث می‌شود طیف وسیعی از کاربردهای مختلف از جمله ارتباطات، کنترل از راه دور و نظارت بر محیط زیست داشته باشد.

به عنوان یک ماده جدید با خواص منحصر به فرد، تحقیقات در مورد کاربرد گرافن یکی پس از دیگری در حال ظهور است. برشمردن آنها در اینجا برای ما دشوار است. در آینده، ممکن است لوله‌های اثر میدانی ساخته شده از گرافن، سوئیچ‌های مولکولی ساخته شده از گرافن و آشکارسازهای مولکولی ساخته شده از گرافن در زندگی روزمره وجود داشته باشند... گرافنی که به تدریج از آزمایشگاه بیرون می‌آید، در زندگی روزمره خواهد درخشید.

می‌توانیم انتظار داشته باشیم که تعداد زیادی از محصولات الکترونیکی با استفاده از گرافن در آینده نزدیک ظاهر شوند. به این فکر کنید که چقدر جالب می‌شد اگر تلفن‌های هوشمند و نت‌بوک‌های ما می‌توانستند لوله شوند، روی گوش‌هایمان قرار گیرند، در جیب‌هایمان قرار گیرند یا وقتی استفاده نمی‌شوند، دور مچ دستمان پیچیده شوند!