2010 yılında Geim ve Novoselov, grafen üzerine yaptıkları çalışmalar nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'nü kazandılar. Bu ödül birçok insan üzerinde derin bir etki bıraktı. Sonuçta, her Nobel Ödülü'ne layık görülen deneysel araç yapışkan bant kadar yaygın değildir ve her araştırma nesnesi "iki boyutlu kristal" grafen kadar sihirli ve anlaşılması kolay değildir. 2004 yılında yapılan bir çalışmanın 2010 yılında ödüllendirilmesi, son yıllardaki Nobel Ödülü kayıtlarında nadir görülen bir durumdur.
Grafen, birbirine yakın şekilde düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanından oluşan, iki boyutlu petek benzeri altıgen bir kafes yapısına sahip bir maddedir. Elmas, grafit, fullerene, karbon nanotüpler ve amorf karbon gibi, karbon elementlerinden oluşan bir maddedir (basit madde). Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, fullerenler ve karbon nanotüpler, tek bir grafen katmanından bir şekilde sarılmış ve birçok grafen katmanının üst üste yığılmasıyla oluşmuş gibi görülebilir. Çeşitli karbon basit maddelerinin (grafit, karbon nanotüpler ve grafen) özelliklerini tanımlamak için grafen kullanımına ilişkin teorik araştırmalar yaklaşık 60 yıldır devam etmektedir, ancak genel olarak bu tür iki boyutlu malzemelerin tek başına kararlı bir şekilde var olmasının zor olduğu, yalnızca üç boyutlu alt tabaka yüzeyine veya grafit gibi maddelerin içine bağlı olarak var olabileceği düşünülmektedir. 2004 yılına kadar, Andre Geim ve öğrencisi Konstantin Novoselov'un deneyler yoluyla grafitten tek bir grafen katmanı ayırmasıyla grafen araştırmaları yeni bir gelişme kaydetmiştir.
Hem fullerene (solda) hem de karbon nanotüp (ortada), bir şekilde tek bir grafen katmanı tarafından sarılmış olarak düşünülebilirken, grafit (sağda) van der Waals kuvveti bağlantısı yoluyla birden fazla grafen katmanı tarafından üst üste yığılmıştır.
Günümüzde grafen birçok yöntemle elde edilebilmekte ve farklı yöntemlerin kendi avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Geim ve Novoselov grafeni basit bir yöntemle elde etmişlerdir. Süpermarketlerde bulunan şeffaf bant kullanarak, yüksek dereceli pirolitik grafit parçasından sadece tek bir karbon atomu katmanından oluşan bir grafit levha olan grafeni ayırmışlardır. Bu yöntem kullanışlıdır, ancak kontrol edilebilirliği çok iyi değildir ve sadece 100 mikrondan (milimetrenin onda biri) daha küçük boyutta grafen elde edilebilmektedir; bu da deneyler için kullanılabilir ancak pratik uygulamalar için kullanımı zordur. Kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle metal yüzey üzerinde onlarca santimetre boyutunda grafen örnekleri yetiştirilebilmektedir. Tutarlı yönelimli alan sadece 100 mikron olmasına rağmen [3,4], bazı uygulamaların üretim ihtiyaçları için uygundur. Bir diğer yaygın yöntem ise silisyum karbür (SiC) kristalini vakumda 1100 ℃'nin üzerine ısıtarak yüzeye yakın silisyum atomlarının buharlaşmasını ve geriye kalan karbon atomlarının yeniden düzenlenmesini sağlamaktır; bu yöntemle de iyi özelliklere sahip grafen örnekleri elde edilebilir.
Grafen, benzersiz özelliklere sahip yeni bir malzemedir: Elektriksel iletkenliği bakır kadar mükemmeldir ve termal iletkenliği bilinen tüm malzemelerden daha iyidir. Çok şeffaftır. Dikey olarak gelen görünür ışığın sadece küçük bir kısmı (%2,3) grafen tarafından emilir ve ışığın çoğu içinden geçer. O kadar yoğundur ki, helyum atomları (en küçük gaz molekülleri) bile içinden geçemez. Bu sihirli özellikler doğrudan grafitten değil, kuantum mekaniğinden miras alınmıştır. Benzersiz elektriksel ve optik özellikleri, geniş uygulama potansiyeline sahip olmasını belirler.
Grafen henüz on yıldan daha kısa bir süredir var olmasına rağmen, fizik ve malzeme bilimi alanlarında çok nadir görülen birçok teknik uygulama alanı göstermiştir. Genel malzemelerin laboratuvardan gerçek hayata geçmesi on yıldan hatta on yıllar alabilir. Grafenin kullanım alanları nelerdir? İki örneğe bakalım.
Yumuşak şeffaf elektrot
Birçok elektrikli cihazda, elektrot olarak şeffaf iletken malzemeler kullanılması gerekmektedir. Elektronik saatler, hesap makineleri, televizyonlar, sıvı kristal ekranlar, dokunmatik ekranlar, güneş panelleri ve daha birçok cihazda şeffaf elektrotların varlığı vazgeçilmezdir. Geleneksel şeffaf elektrot olarak indiyum kalay oksit (ITO) kullanılır. İndiyumun yüksek fiyatı ve sınırlı arzı nedeniyle, malzeme kırılgandır ve esnekliği düşüktür; ayrıca elektrotun vakumlu orta katmana yerleştirilmesi gerekir ve maliyeti oldukça yüksektir. Uzun zamandır bilim insanları bunun yerine geçecek bir malzeme bulmaya çalışmaktadır. Şeffaflık, iyi iletkenlik ve kolay hazırlama gereksinimlerine ek olarak, malzemenin kendisinin esnekliği de iyi ise, "elektronik kağıt" veya diğer katlanabilir ekran cihazları yapmak için uygun olacaktır. Bu nedenle, esneklik de çok önemli bir husustur. Grafen, şeffaf elektrotlar için çok uygun olan böyle bir malzemedir.
Güney Kore'deki Samsung ve Chengjunguan Üniversitesi'nden araştırmacılar, kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle 30 inç diyagonal uzunluğa sahip grafen elde ettiler ve grafen bazlı bir dokunmatik ekran üretmek için bunu 188 mikron kalınlığında bir polietilen tereftalat (PET) filme aktardılar [4]. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bakır folyo üzerinde yetiştirilen grafen önce termal sıyırma bandı (mavi şeffaf kısım) ile bağlanır, ardından bakır folyo kimyasal yöntemle çözülür ve son olarak grafen ısıtma yoluyla PET filme aktarılır.
Yeni fotoelektrik indüksiyon ekipmanı
Grafen çok benzersiz optik özelliklere sahiptir. Sadece bir atom katmanı olmasına rağmen, görünür ışıktan kızılötesine kadar tüm dalga boyu aralığında yayılan ışığın %2,3'ünü emebilir. Bu sayı grafenin diğer malzeme parametreleriyle ilgili değildir ve kuantum elektrodinamiği tarafından belirlenir [6]. Emilen ışık, taşıyıcıların (elektronlar ve delikler) oluşumuna yol açar. Grafende taşıyıcıların oluşumu ve taşınması, geleneksel yarı iletkenlerdekinden çok farklıdır. Bu, grafeni ultra hızlı fotoelektrik indüksiyon ekipmanı için çok uygun hale getirir. Bu tür fotoelektrik indüksiyon ekipmanının 500 GHz frekansında çalışabileceği tahmin edilmektedir. Sinyal iletimi için kullanılırsa, saniyede 500 milyar sıfır veya bir iletebilir ve iki Blu-ray diskin içeriğinin iletimini bir saniyede tamamlayabilir.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki IBM Thomas J. Watson Araştırma Merkezi'nden uzmanlar, 10 GHz frekansında çalışabilen fotoelektrik indüksiyon cihazları üretmek için grafen kullandılar [8]. İlk olarak, 300 nm kalınlığında silika ile kaplı bir silikon alt tabaka üzerine “bant yırtma yöntemi” ile grafen pulları hazırlandı ve daha sonra üzerine 1 mikron aralıklı ve 250 nm genişliğinde paladyum altın veya titanyum altın elektrotlar yapıldı. Bu şekilde, grafen tabanlı bir fotoelektrik indüksiyon cihazı elde edildi.
Grafen fotoelektrik indüksiyon ekipmanının şematik diyagramı ve gerçek numunelerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) fotoğrafları. Şekildeki siyah kısa çizgi 5 mikrona karşılık gelir ve metal çizgiler arasındaki mesafe bir mikrondur.
Araştırmacılar, deneyler yoluyla, bu metal-grafen metal yapılı fotoelektrik indüksiyon cihazının en fazla 16 GHz çalışma frekansına ulaşabildiğini ve 300 nm (yakın ultraviyole) ile 6 mikron (kızılötesi) arasındaki dalga boyu aralığında yüksek hızda çalışabildiğini, oysa geleneksel fotoelektrik indüksiyon tüpünün daha uzun dalga boylu kızılötesi ışığa tepki veremediğini keşfettiler. Grafen fotoelektrik indüksiyon ekipmanının çalışma frekansında hala büyük bir iyileştirme potansiyeli bulunmaktadır. Üstün performansı, iletişim, uzaktan kontrol ve çevre izleme dahil olmak üzere geniş bir uygulama yelpazesine sahip olmasını sağlamaktadır.
Eşsiz özelliklere sahip yeni bir malzeme olarak grafenin uygulamalarına yönelik araştırmalar ardı ardına ortaya çıkıyor. Bunların hepsini burada saymak zor. Gelecekte, günlük yaşamda grafenden yapılmış alan etkili tüpler, grafenden yapılmış moleküler anahtarlar ve grafenden yapılmış moleküler dedektörler olabilir... Laboratuvardan yavaş yavaş çıkan grafen, günlük yaşamda parlayacak.
Yakın gelecekte grafen kullanan çok sayıda elektronik ürünün ortaya çıkmasını bekleyebiliriz. Akıllı telefonlarımızın ve netbook'larımızın kullanılmadığı zamanlarda katlanabilir, kulaklarımıza takılabilir, ceplerimize sığdırılabilir veya bileklerimize sarılabilir olması ne kadar ilginç olurdu bir düşünün!
Yayın tarihi: 09 Mart 2022