منبع پایان نامه ارشد درمورد اصول موضوعه، تحقیقات بنیادی، اندازه گیری

اتم دیگر پیوند کووالانسی تشکیل داده اند و بسیار پایدارند اما در عین حال صفحه های گرافیت براحتی می توانند روی یکدیگر بلغزند و به همین دلیل از این ترکیب در روغنکاری و روانکاری و نوشتن استفاده می شود. نوک مداد از برگه های زیاد و موازی خیلی محکم گرافیت تشکیل شده است اما تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارند که این اندازه حتی از یک نانومتر هم کمتر است. همانند بنزن هر اتم کربن درون گرافیت دارای یک الکترون اضافه است، یعنی یکی بیش از تعداد اتم هایی که کربن با آنها پیوند برقرار کرده است. اربیتال های اتمی برای این الکترونها روی یکدیگر قرار می گیرند و یک اربیتال مولکولی30 ایجاد می کنند که به الکترونهای غیر مستقر اجازه حرکت آزاد از میان برگه های31 گرافیت را می دهد، به همین خاطر است که گرافیت می تواند هادی الکتریسیته باشد. دو مشخصه از برگه های گرافیت که باعث می شود آنها در نانوتکنولوژی خیلی مفید باشند، استحکام و توانایی آنها برای عبور دادن الکتریسیته می باشد.
شکل 1-2- لایه های گرافیت روی یکدیگر
1-4-4- فولرین
در سال 1985 ریچارد اسملی32 ساختار جدیدی از کربن را کشف کرد که فولرین نامگذاری شد]16[. از ساده ترین نوع فولرین ها می توان به کربن 60 یا اصطلاحا C60 اولین فولرینی بود که کشف شد(شکل1-3). این مولکول همانند یک توپ فوتبال کروی است که مرکب از 20 وجه شش ضلعی و 12 وجه پنج ضلعی است. اتم های کربن در ساختار فولرین با تقارنی مشابه تقارن باکی بال33 کنار هم قرار می گیرد]17 [. یک باکی بال در حقیقت یک مولکول است که در آن 60 اتم کربن وجود دارد.
فولرین ها ترکیباتی خالص از کربن هستند که در طبیعت بسیار کم یافت می شوند اما بدلیل شکل هندسی و تقارن های موجود در آنها خواص عجیبی مانند مقاومتی چند برابر فولاد، مقاومت در برابر گرما، کشش و ضربه و … از خود نشان می دهند]18 و 19[. دانشمندان دریافتند به غیر از C60 می توانند به ساختارهای C70 ، C78 و C76 نیز برسند اما این ساختارها نسبت به کربن 60 از پایداری کمتری برخوردارند.
شکل 1-3- 60 اتم کربن به شکل یک کره، باکی بالها را بوجود می آورند.
1-4-5- نانو لوله های کربنی
بعد از کشف فولرین ها دانشمندان زیادی شروع به انجام آزمایشهایی جهت ساخت مولکولهای جدید از کربن کردند. در سال 1991 سومیو ایجیما34 بدنبال یک آزمایش تصادفی موفق به کشف نانو لوله های کربنی چند دیواره35 شد]20[. دو سال بعد از گزارش کشف نانو لوله های کربنی چند دیواره، ایجیما و همکارانش توانستند نانولوله های کربنی تک دیواره36 را بسازند]21[. در یک نانو لوله کربنی، اتم های کربن در ساختاری استوانه ای شکل، آرایش یافته اند، یعنی یک لوله توخالی که جنس دیواره اش از اتم های کربن است(شکل1-4). آرایش اتم های کربن در دیواره این ساختار استوانه ای، دقیقا مشابه آرایش اتم های کربن در صفحه گرافن است]20[. به علت نسبت طول به قطر بالا در نانو لوله ها، می توان آنها را بعنوان نانو ساختارهای یک بعدی در نظر گرفت. اهمیت نانو لوله ها در فناوری به علت آن است که نانو لوله ها به هر دو صورت نیمرسانا و رسانا یافت می شوند که این ویژگی آنها را برای استفاده در کاربردهای نانو الکترونیک برگزیده می سازد.
شکل 1-4- نانو لوله ی کربنی
1-5- تفاوت ساختار گرافیت و الماس
کربن جامد دوساختار اصلی دارد که صورتهای چند شکلی37 نامیده می شوند. این شکل ها که در دمای اتاق پایدار هستند الماس و گرافیت اند. تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم های کربن نمی توان نسبت داد زیرا در هر دو شکل این ماده، که تنها دارای اتم های کربن است، یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلکه علت در چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی این دو شکل کربن است. الماس شامل اتم های کربنی است که به صورت چهار وجهی و با پیوندهای هیبرید sp3 بهم متصل شده اند. گرافیت از شش گوشه هایی پیوسته از اتم های کربن که بوسیله پیوندهای هیبرید sp2 بهم متصل شده اند و باهم زوایای 120 درجه می سازند. در برابر ساختار لایه ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها دریک سطح برقرار می شود در حالیکه در ساختار الماس این پیوندها بصورت شبکه ای سه بعدی فضا را پر می کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کووالانسی ایجاد می کند، در حالیکه در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کووالانسی برقرار می نماید. بنابراین ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر بسزایی در خواص دارد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص می توان ساختار متناسب با آنها را طرحی نمود.
1-6- شکل دو بعدی کربن
شکل دو بعدی کربن گرافن نامیده می شود و ممکن است بهترین آلوتروپ قابل مطالعه کربن از لحاظ نظری باشد. همانطور که در شکل (1-5) مشاهده می شود گرافن صفحه ای مسطح از شش گوش هایی با اتم های کربن است]22[. اگرچه احتمال وجود ورقه گرافن بصورت نظری برای سالیان سال وجود داشته است اما تا همین اواخر جداسازی یک لایه تک اتمی کاری بی نهایت مشکل به حساب می رفت. با اینکه سه نوع از آلوتروپهای کربن در سه بعد (الماس و گرافیت)، یک بعدی (نانو لوله ها) و صفر بعدی (فولرین) شناخته شده بود، مشاهدات تجربی برای شکل گم شده دو بعدی آن تا این اواخر به نتیجه نرسیده بود. هرچند نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس38 درباره گرافن نوشت و پس از آن افراد زیادی تلاش می کردند بلور اتمی دو بعدی را بسازند و معمولا بلورهای مقیاس نانومتری بدست می آمد و کارهایشان بی نتیجه می ماند] 23[. چون نظریه، امکان وجود بلورهای واقعا دوبعدی را صریحا رد می کند(برخلاف وجود سیستم های متعدد شبه دو بعدی)] 24[. بعلاوه در مراحل ساخت گرافن سطوح خیلی بزرگ به آلوتروپهای دیگر تبدیل می شوند.
نزدیک 70 سال پیش لاندائو و پایرلز39 استدلال کردند که شبکه اکیدا دو بعدی به لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار است و نمی تواند وجود داشته باشد. نظریه آنها به این نکته اشاره داشت که سهم افت و خیزهای گرمایی در بلور با ابعاد کم، هم مرتبه و قابل مقایسه با فاصله اتمی ذرات در نقاط شبکه ای است]25[. این بحث توسط مرمین توسعه داده شد و توسط مشاهدات تجربی دیگران تایید شد]24[. تا اینکه در سال 2004 گرافن دو بعدی پایدار در آزمایشگاه گروه گایم ساخته شد. این گروه از دانشگاه منچستر انگلستان که توسط آندره گایم و کوستیا نووسلف سرپرستی می شدند به کمک شیوه ای کاملا متفاوت و طبیعی گرافن را ساختند و تحولی در بررسی های مربوط به کربن بوجود آوردند. جایزه نوبل فیزیک 2010 نیز بخاطر ساخت ماده ای دو بعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت]26[. آنها از گرافیت سه بعدی شروع کردند و ورقه تک لایه (یک لایه اتمی) را با روشی که شکاف میکرومکانیکی40 نامیده می شود استخراج کردند]27[. براساس محاسبات و آزمایشهای این گروه، تحرک الکترونها در گرافن خالص در دمای اتاق بیشتر از مواد هادی دیگری مانند طلا، سیلیکون، گالیم، آرسنیک و نانو لوله های کربنی است. شاید دو عامل مهم در عدم شناسایی ساختارهای دوبعدی پیش از کار گایم و همکارانش نقش داشتند. اولین مساله اینکه قضیه ای به نام قضیه ویگنر – مرمین41 در مکانیک آماری و نظریه میدان های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیر ممکن و چنین ماده ای را غیر پایدار می دانست که بنابر آن ادعا شد هیچ نظم بلند برد دوبعدی در دماهای غیر صفر نمی توان یافت]28[. بنابراین هیچ ساختار دوبعدی منظم و پایدار با ابعاد بزرگ در آزمایشگاه نمی توان تولید کرد. دلیل دوم نبود امکانات اندازه گیری مقیاس اتمی که بتواند پستی بلندی سطح را با دقت زیر نانومتر اندازه بگیرد. با همه این موانع گایم موفق شد با شگردی خاص گرافن را در ابعاد چند ده میکرونی تولید و آنرا با میکروسکوپ نیروی اتمی42 (AFM) مشاهده کند. این نتیجه تجربی به ظاهر در تناقض با قضیه ویگنر – مرمین بود اما در اصل تناقضی وجود نداشت زیرا مطالعات تجربی با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی عبوری43 (TEM) نشان دادند که گرافن تولید شده یک شبکه براوه44 کامل نیست و علاوه بر دررفتگی ها و نابجایی های اتم کربن، سطح آن کاملا ناهموار است. این افت و خیز ها باعث می شود گرافن تولید شده کاملا دوبعدی نباشد. آنچه گرافن را حائز اهمیت کرده است خواص منحصر بفرد آن است که این ماده را بعنوان نامزدی برای کاربرد در کارهای آتی در الکترونیک مانند ترانزیستورهای مبتنی بر ترکیبات کربن مطرح می کند]26[.
علاوه بر این، این گروه روش مشابهی برای ساختن بلورهای دوبعدی دیگر مانند بورن – نیترید و ابرساناهای دمای بالاCa – Cu – O Bi – Sr – استفاده کردند و نشان دادند قضیه ویگنر – مرمین نمی تواند کاملا درست باشد. این یافته ها پیام مهمی دارد که بلورهای دوبعدی وجود دارند و تحت شرایط ویژه ای پایدارند]27[. شگفت آور است که این رویکرد نه چندان پیچیده به آسانی قادر به تولید بلورهای گرافنی بزرگ (بیشتر از صد میکرومتر) و البته با کیفیت بالای بلور گرافیتی است و بلافاصله هدف فعالیتهای تجربی بسیار زیادی قرار گرفت]29 و 30[.
شکل 1-5- یک صفحه منفرد گرافیت که اتم های کربن با پیوند sp2 تشکیل شده است.
این اتم ها یک ساختار لانه زنبوری را بوجود آورده اند.
1-7- گرافن و خصوصیات آن
گرافن ماده ای است که در آن تنها یکی از لایه های گرافیت وجود دارد و بعبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، بعنوان الکترون آزاد باقی مانده است. گرافن که ساختار دوبعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری45، کربنی می باشد بعلت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری46 حامل های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده ای منحصربفرد تبدیل شده است.
این سامانه جدید حالت جامد بواسطه این خواص بعنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است.
لایه های گرافنی از 5 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه و بین 20 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم و یا نانوبلورهای نازک گرافیتی می نامند. گرافن خالص تک لایه از خود خواص شبه فلزی نشان می دهد]31[. در گرافن طیف حامل ها شبیه به فرمیونهای دیراک بدون جرم می باشد و بعلاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح و کسری باعث شده است توجه بسیاری از فیزیکدانها از حوزه های مختلف فیزیک به آن جلب شود]32[. در گرافن فضای بین ترازهای انرژی متناسب با B/E است که B میدان مغناطیسی عمود بر سطح گرافن و E انرژی شبه ذرات دیراک است. در حد انرژی کم، فضای بین ترازهای انرژی بسیار بزرگ شده و مشاهده اثر غیر عادی کوانتومی هال47 در دمای اتاق را امکانپذیر می کند]1 و 33[.
معادله دیراک ذرات کوانتومی نسبیتی با اسپین2 ̸ 1 را توصیف می کند. خصوصیت اصلی طیف دیراک وجود پاد ذرات است که از اصول موضوعه مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت بدست می آید. بطور خاص، حالات با انرژی های مثبت و منفی (الکترونها و پوزیترونها) بطور مطلوبی بهم مربوطند و با مولفه های مختلف یک تابع حالت اسپینوری توصیف می شوند. اینکه حمل بار الکتریکی در گرافن شبیه طیف دیراک توصیف می شود و نه معادله شرودینگر معمولی غیر نسبیتی، می تواند نتیجه ای از ساختار بلوری گرافن باشد. الکترونها و حفره ها در گرافن بهم مرتبط اند و خصوصیت مشابه تقارن همیوغ – باری در الکترودینامیک

مطلب مرتبط :   منبع پایان نامه ارشد با موضوعصحت معامله، مطالبه خسارت، حقوق فرانسه

دیدگاهتان را بنویسید