[et_pb_section fb_built =”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″ الخلفية_حجم=”الأولي” خلفية_الموضع=”top_left” خلفية_كرر=”تكرار ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ الخلفية_حجم=”initial” الخلفية_position=”top_left” الخلفية_repeat=”repeat” global_colors_info=”{}”]
الجرافين (/ˈɡræfفيn/[1]) هو متآصل الكربون يتكون من طبقة واحدة من الذرات مرتبة في ثنائي الأبعاد شبكة قرص العسل[2][3] البنية النانوية.[4] الاسم مشتق من كلمة "غرافيت" واللاحقة -يني، مما يعكس حقيقة أن الجرافيت يحتوي أحد أشكال الكربون على العديد من الروابط المزدوجة.
ترتبط كل ذرة في طبقة الجرافين بأقرب ثلاثة جيران لها بواسطة الرابطة سيجماويساهم بواحد الإلكترون ل شريط التوصيل وهذا يمتد على كامل الورقة. وهذا هو نفس نوع الترابط الذي يُرى في أنابيب الكربون النانوية و هيدروكربونات أروماتية متعددة الحلقاتو(جزئياً) في الفوليرين و الكربون الزجاجي.[5][6] تُضفي نطاقات التوصيل هذه على الجرافين خصائص مميزة. نصف معدني مع غير عادي الخصائص الإلكترونية والتي يمكن وصفها على أفضل وجه بنظريات الجسيمات النسبية عديمة الكتلة.[2] تُظهر حاملات الشحنة في الجرافين اعتمادًا خطيًا، وليس تربيعيًا، للطاقة على الزخم، ويمكن تصنيع ترانزستورات تأثير المجال باستخدام الجرافين تُظهر توصيلًا ثنائي القطب. نقل الشحنة هو البالستية على مسافات طويلة؛ تُظهر المادة خصائص كبيرة التذبذبات الكمومية وكبير وغير خطي النفاذية المغناطيسية.[7] يتميز الجرافين بقدرته العالية على توصيل الحرارة والكهرباء على طول سطحه. كما أنه يمتص الضوء بقوة بجميع أطوال الموجات المرئية.[8][9] وهذا ما يفسر اللون الأسود للجرافيت؛ ومع ذلك، فإن طبقة واحدة من الجرافين تكاد تكون شفافة بسبب رقتها الشديدة. كما أن هذه المادة أقوى بنحو 100 مرة من أقوى أنواع الفولاذ بنفس السماكة.[10][11]
افترض العلماء لعقود وجود الجرافين وإمكانية إنتاجه. ومن المرجح أنه كان يُنتج بكميات صغيرة دون علمنا لقرون، من خلال استخدام أقلام الرصاص وغيرها من التطبيقات المماثلة للجرافيت. وقد لوحظ لأول مرة في المجاهر الإلكترونية في عام 1962، ولكن تمت دراستها فقط أثناء تثبيتها على أسطح معدنية.[12]
في عام 2004، أعيد اكتشاف المادة وعزلها ودراستها في جامعة مانشستر,[13][14] by أندريه جيم و كونستانتين نوفوسيلوففي عام 2010، مُنح جيم ونوفوسيلوف جائزة جائزة نوبل في الفيزياء وذلك لتجاربهم الرائدة المتعلقة بمادة الجرافين ثنائية الأبعاد.[15] وقد ثبت أن عزل الجرافين عالي الجودة سهل بشكل مدهش.
أصبح الجرافين مادة قيّمة ومفيدة المواد متناهية الصغر وذلك بسبب قوة الشد العالية بشكل استثنائي، والتوصيل الكهربائي، والشفافية، وكونها أرق مادة ثنائية الأبعاد في العالم.[4] بلغ حجم السوق العالمي للجرافين 9 ملايين دولار في عام 2012.[16] معظم الطلب يأتي من البحث والتطوير في مجال أشباه الموصلات والإلكترونيات، البطاريات الكهربائية,[17] و المركبة.
استخدم IUPAC يوصي الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية باستخدام اسم "الجرافيت" للمادة ثلاثية الأبعاد، و"الجرافين" فقط عند مناقشة التفاعلات أو العلاقات الهيكلية أو الخصائص الأخرى للطبقات الفردية.[18] يتطلب تعريف أضيق لمصطلح "الجرافين المعزول أو القائم بذاته" أن تكون الطبقة معزولة بشكل كافٍ عن بيئتها.[19] لكنها ستشمل طبقات معلقة أو منقولة إلى ثاني أكسيد السيليكون or كربيد السيليكون.[20]
في عام 1859، بنيامين برودي وأشار إلى أن رقائقي بنية الاختزال الحراري أكسيد الجرافيت.[21][22] في 1916، بيتر ديبيج و ب. شيرر تم تحديد بنية الجرافيت بواسطة حيود الأشعة السينية للمساحيق.[23][24][25] تمت دراسة البنية بمزيد من التفصيل من قبل ف. كولشوتير وب. هاني في عام 1918، واللذان وصفا أيضًا خصائص ورق أكسيد الجرافيت.[26] تم تحديد بنيته من بلورة أحادية الانعراج في عام 1924.[27][28]
تم استكشاف نظرية الجرافين لأول مرة بواسطة والاس للعلاقات العامة في عام 1947 كنقطة انطلاق لفهم الخصائص الإلكترونية للجرافيت ثلاثي الأبعاد. المادة الناشئة عديمة الكتلة معادلة ديراك وقد تم الإشارة إلى ذلك لأول مرة بشكل منفصل في عام 1984 بواسطة غوردون والتر سيمينوف,[29] وبواسطة ديفيد ب. ديفينسينزو ويوجين ج. ميلي.[30] أكد سيمينوف على حدوث مجال مغناطيسي إلكتروني مستوى لاندو بالضبط عند نقطة ديراكهذا المستوى مسؤول عن العدد الصحيح الشاذ تأثير هول الكمي.[31][32][33]
المجهر الإلكتروني للإرسال تم نشر صور (TEM) لعينات الجرافيت الرقيقة المكونة من بضع طبقات من الجرافين بواسطة جي. رويس وإف. فوغت في عام 1948.[34] وفي النهاية، تمت ملاحظة الطبقات المفردة بشكل مباشر أيضاً.[35] كما لوحظت طبقات مفردة من الجرافيت بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ داخل المواد السائبة، وخاصة داخل السخام الناتج عن العمليات الكيميائية تقشير.[6]
في 1961-1962 ، هانز بيتر بوهم نشر دراسة عن رقائق رقيقة للغاية من الجرافيت، وصاغ مصطلح "الجرافين" للهيكل أحادي الطبقة الافتراضي.[36] تتناول هذه الورقة البحثية رقائق الجرافيت التي توفر تباينًا إضافيًا يعادل ما يصل إلى 0.4 تقريبًا nm أو ثلاث طبقات ذرية من الكربون غير المتبلور. كانت هذه أفضل دقة ممكنة لأجهزة المجهر الإلكتروني النافذ في عام 1960. مع ذلك، لا يمكن، لا آنذاك ولا اليوم، تحديد عدد الطبقات في تلك الرقائق. نعلم الآن أن تباين الجرافين في المجهر الإلكتروني النافذ يعتمد بشكل كبير على ظروف التركيز.[35] على سبيل المثال، يستحيل التمييز بين طبقة الجرافين الأحادية المعلقة وطبقات الجرافين المتعددة باستخدام تباينات صور المجهر الإلكتروني النافذ، والطريقة الوحيدة المعروفة هي تحليل الشدة النسبية لبقع الحيود المختلفة. ربما وردت أولى الملاحظات الموثوقة للطبقات الأحادية باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ في المرجعين 24 و26 من مراجعة جيم ونوفوسيلوف لعام 2007.[2]
بدءًا من 1970s ، سي. أوشيما ووصف آخرون طبقات مفردة من ذرات الكربون التي نمت بشكل متناظر فوق مواد أخرى.[37][38] يتكون هذا "الجرافين المتنامي فوقيًا" من شبكة سداسية بسمك ذرة واحدة من sp2ذرات الكربون المرتبطة بروابط، كما هو الحال في الجرافين الحر. ومع ذلك، يوجد انتقال كبير للشحنة بين المادتين، وفي بعض الحالات، يحدث تهجين بينهما. مدارات d من ذرات الركيزة ومدارات π للجرافين؛ مما يغير بشكل كبير البنية الإلكترونية مقارنة بالجرافين الحر.
استُخدم مصطلح "الجرافين" مرة أخرى في عام 1987 لوصف صفائح الجرافيت المفردة كمكون من مكونات مركبات التداخل الجرافيتي,[39] والتي يمكن اعتبارها أملاحًا بلورية للمادة المتداخلة والجرافين. وقد استُخدمت أيضًا في وصف أنابيب الكربون النانوية by ر. سايتو و ميلدريد و جين دريسلهاوس في عام 1992، وجد [40] ومركبات الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات في عام 2000 بواسطة س. وانغ وغيرها.[41]
بدأت الجهود المبذولة لصنع أغشية رقيقة من الجرافيت عن طريق التقشير الميكانيكي في عام 1990.[42] استخدمت المحاولات الأولية تقنيات تقشير مشابهة لطريقة الرسم. وتم الحصول على عينات متعددة الطبقات بسماكة تصل إلى 10 نانومتر.[2]
في 2002، روبرت ب. رذرفورد و ريتشارد إل. دودمان قدم ل براءة الإختراع في الولايات المتحدة، تم التوصل إلى طريقة لإنتاج الجرافين عن طريق تقشير طبقات متكررة من رقاقة جرافيت ملتصقة بركيزة، مما أدى إلى تحقيق سمك جرافيت يبلغ 0.00001 بوصة (2.5 × 10-7 متر). كان مفتاح النجاح هو التعرف البصري عالي الإنتاجية على الجرافين على ركيزة مختارة بشكل صحيح، مما يوفر تباينًا بصريًا صغيرًا ولكنه ملحوظ.[43]
تم تقديم طلب براءة اختراع أمريكية أخرى في نفس العام بواسطة بور زد. جانغ و ون سي هوانغ لطريقة لإنتاج الجرافين تعتمد على التقشير متبوعًا بالتآكل.[44]
تم عزل الجرافين وتوصيفه بشكل صحيح في عام 2004 بواسطة أندريه جيم و كونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر.[13][14] قاموا بسحب طبقات الجرافين من الجرافيت باستخدام طريقة شائعة شريط لاصق في عملية تسمى إما الانقسام الميكانيكي الدقيق أو شريط لاصق من نوع سكوتش تقنية.[45] ثم تم نقل رقائق الجرافين إلى طبقات رقيقة ثاني أكسيد السيليكون طبقة (السيليكا) على السيليكون صفيحة ("رقاقة"). عزلت السيليكا الجرافين كهربائيًا وتفاعلت معه بشكل ضعيف، مما وفر طبقات جرافين متعادلة الشحنة تقريبًا. السيليكون الموجود أسفلها شافي
2 يمكن استخدامها كقطب "بوابة خلفية" لتغيير كثافة الشحنة في الجرافين على نطاق واسع.
وقد أسفر هذا العمل عن فوز الاثنين جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 "لتجارب رائدة تتعلق بمادة الجرافين ثنائية الأبعاد".[46][47][45] أدى نشر بحثهم، وطريقة التحضير السهلة بشكل مدهش التي وصفوها، إلى إثارة "اندفاع نحو الذهب في مجال الجرافين". توسع البحث وانقسم إلى العديد من المجالات الفرعية المختلفة، مستكشفًا خصائص استثنائية مختلفة للمادة - ميكانيكية الكم، والكهربائية، والكيميائية، والميكانيكية، والبصرية، والمغناطيسية، وما إلى ذلك.
منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عملت العديد من الشركات ومختبرات الأبحاث على تطوير تطبيقات تجارية للجرافين. في عام 2014 معهد الجرافين الوطني تم تأسيسها لهذا الغرض في جامعة مانشستر، بميزانية قدرها 60 مليون GBP التمويل الأولي.[48] In شمال شرق انجلترا مصنعان تجاريان، مواد الجرافين التطبيقية[49] و شركة توماس سوان المحدودة[50][51] بدأ التصنيع. نظم نانومتر كامبريدج[52] هو منشأة إنتاج مسحوق الجرافين على نطاق واسع في إيست أنجليا.
ثلاثة من الأربعة الخارجيين-قذيفة تشغل إلكترونات كل ذرة في طبقة الجرافين ثلاثة مستويات طاقة sp2 المدارات الهجينة – مزيج من المدارات s و px وصy — التي تشترك فيها مع الذرات الثلاث الأقرب، لتشكل الروابط سيجماطول هذه قيود حوالي 0.142 نانومتر.[53][54]
يشغل الإلكترون المتبقي في الغلاف الخارجي apz مدار موجه عموديًا على المستوى. تتهجن هذه المدارات معًا لتكوين مدارين نصف ممتلئين العصابات من الإلكترونات الحرة الحركة، π و π∗، والتي هي المسؤولة عن معظم الخصائص الإلكترونية البارزة للجرافين.[53] التقديرات الكمية الحديثة لاستقرار المركبات العطرية وحجمها المحدود المستمدة من حرارة الهدرجة (ΔHالمائية) تتفق بشكل جيد مع التقارير المنشورة في الأدبيات العلمية.[55]
تتراص صفائح الجرافين لتشكيل الجرافيت بمسافة بينية تبلغ 0.335 nm (3.35 Å).
تُظهر صفائح الجرافين في الحالة الصلبة عادةً دليلاً في حيود الأشعة السينية على وجود طبقات الجرافيت (002). وينطبق هذا على بعض البنى النانوية أحادية الجدار.[56] ومع ذلك، فقد تم العثور على غرافين غير طبقي يحتوي فقط على حلقات (hk0) في قلب ما قبل الشمس بصل الجرافيت.[57] تُظهر دراسات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وجود أوجه عند العيوب في صفائح الجرافين المسطحة[58] وتشير إلى دور التبلور ثنائي الأبعاد من المصهور.
الشبكة السداسية بناء يمكن رؤية طبقات الجرافين المعزولة أحادية الطبقة مباشرةً باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لألواح الجرافين المعلقة بين قضبان شبكة معدنية[35] أظهرت بعض هذه الصور "تموجًا" في الصفيحة المسطحة، بسعة تبلغ حوالي نانومتر واحد. قد تكون هذه التموجات متأصلة في المادة نتيجة لعدم استقرار البلورات ثنائية الأبعاد.[2][59][60] أو قد يكون مصدرها الأوساخ المنتشرة في كل مكان والتي تظهر في جميع صور المجهر الإلكتروني النافذ للجرافين. مقاوم للضوء قد تكون البقايا، التي يجب إزالتها للحصول على صور بدقة ذرية، هي "كثف"الملاحظ في صور المجهر الإلكتروني النافذ، وقد يفسر التموج الملاحظ.[بحاجة لمصدر]
كما يظهر الهيكل السداسي في مجهر مسح نفقي صور مجهر المسح النفقي (STM) للجرافين المدعوم على ركائز ثاني أكسيد السيليكون[61] إن التموج الذي يظهر في هذه الصور ناتج عن توافق الجرافين مع شبكة الركيزة، وهو ليس أمراً جوهرياً.[61]
حسابات من المبادئ الأولى تُظهر الدراسة أن صفيحة الجرافين غير مستقرة ديناميكيًا حراريًا إذا كان حجمها أقل من حوالي 20 نانومترًا، وتصبح الأكثر استقرارًا. الفوليرين (كما هو الحال داخل الجرافيت) فقط للجزيئات الأكبر من 24,000 ذرة.[62]
الجرافين عبارة عن مادة ذات فجوة طاقة صفرية أشباه الموصلاتلأنه التوصيل و نطاقات التكافؤ تلتقي نقاط ديراك عند ستة مواقع. فضاء الزخمعلى حافة ال منطقة بريلوين، مقسمة إلى مجموعتين غير متكافئتين من ثلاث نقاط. تُسمى المجموعتان K و K'. تُعطي المجموعتان الجرافين انحلال وادي من gv = 2. على النقيض من ذلك، بالنسبة لأشباه الموصلات التقليدية، فإن النقطة الأساسية التي تهمنا بشكل عام هي Γ، حيث يكون الزخم صفراً.[53] أربع خصائص إلكترونية تميزه عن غيره المادة المكثفة الأنظمة.
لكن إذا لم يعد الاتجاه داخل المستوى لانهائيًا، بل محصورًا، فإن بنيته الإلكترونية ستتغير. ويُشار إليها باسم نانو شرائط الجرافينإذا كان النمط "متعرجًا"، فستظل فجوة النطاق صفرًا. أما إذا كان النمط "مريحًا"، فستكون فجوة النطاق غير صفرية.
يمكن اعتبار الشبكة السداسية للجرافين بمثابة شبكتين مثلثيتين متداخلتين. وقد استُخدم هذا المنظور بنجاح لحساب بنية النطاق لطبقة جرافيت واحدة باستخدام تقريب الربط المحكم.[53]
تفقد الإلكترونات التي تنتشر عبر الشبكة السداسية للجرافين كتلتها بشكل فعال، مما ينتج الجسيمات شبه الحقيقية والتي يتم وصفها بواسطة نظير ثنائي الأبعاد لـ معادلة ديراك بدلا من معادلة شرودنجر للدوران-1/2 الجسيمات.[63][64]
أدت تقنية الانقسام مباشرةً إلى أول رصد لتأثير هول الكمي الشاذ في الجرافين عام 2005، من قبل مجموعة جيم و فيليب كيم و يوانبو تشانغقدّم هذا التأثير دليلاً مباشراً على التنبؤات النظرية للجرافين مرحلة بيري من عديم الكتلة فرميونات ديراك وأول دليل على طبيعة فرميون ديراك للإلكترونات.[31][33] وقد لوحظت هذه التأثيرات في الجرافيت الصلب بواسطة ياكوف كوبيليفيتش, إيغور أ. لوكيانتشوكوآخرون، في الفترة 2003-2004.[65][66]
عندما توضع الذرات على الشبكة السداسية للجرافين، فإن التداخل بين pzمدارات (π) و s أو ال px و py عدد المدارات يساوي صفرًا بحكم التناظر. pz وبالتالي، يمكن التعامل مع الإلكترونات التي تشكل نطاقات π في الجرافين بشكل مستقل. ضمن هذا التقريب لنطاق π، باستخدام نموذج تقليدي ضيق ملزم نموذج علاقة التشتت (يقتصر على تفاعلات الجوار الأول فقط) التي تنتج طاقة الإلكترونات ذات متجه الموجة k is[29][67]
مع طاقة القفز بين أقرب الجيران (المدارات π) γ0 ≈ 2.8 فولت و مبادئ السلوك ثابت الشبكة a ≈ 2.46 أنغستروم. التوصيل و نطاقات التكافؤ، على التوالي، تتوافق مع الإشارات المختلفة. مع واحد pz في هذا النموذج، يكون نطاق التكافؤ ممتلئًا بالكامل، بينما يكون نطاق التوصيل فارغًا. ويتلامس النطاقان عند زوايا المنطقة (الـ K نقطة في منطقة بريلوين)، حيث تكون كثافة الحالات صفرًا ولكن لا توجد فجوة نطاق. وبالتالي، تُظهر صفيحة الجرافين خصائص شبه فلزية (أو شبه موصل ذو فجوة نطاق صفرية)، على الرغم من أنه لا يمكن قول الشيء نفسه عن صفيحة جرافين ملفوفة في أنابيب الكربونبسبب انحنائها. نقطتان من نقاط ديراك الست مستقلتان، بينما النقاط المتبقية متكافئة بالتناظر. في جوار K- تشير إلى أن الطاقة تعتمد خطيا على متجه الموجة، على غرار الجسيم النسبي.[29][68] بما أن الخلية الأولية للشبكة تتكون من أساس مكون من ذرتين، فإن وظيفة الموجة يتمتع بفعالية بنية ثنائية الدوران.
ونتيجة لذلك، عند الطاقات المنخفضة، حتى مع إهمال الدوران الحقيقي، يمكن وصف الإلكترونات بمعادلة مكافئة شكليًا للجسيمات عديمة الكتلة معادلة ديراكلذا، تُسمى الإلكترونات والفجوات بجسيمات ديراك الفرميونات.[29] يقتصر هذا الوصف شبه النسبي على الحد الكيراليأي، إلى كتلة سكون متلاشية M0مما يؤدي إلى ميزات إضافية مثيرة للاهتمام:[29][69]
هنا vF ~ 106 الآنسة (003 ج) هو سرعة فيرمي في الجرافين، الذي يحل محل سرعة الضوء في نظرية ديراك؛ σ → {displaystyle {vec {sigma }}} هو متجه مصفوفات باولي, ψ ( r ) {displaystyle psi (mathbf )} هي دالة الموجة ثنائية المكونات للإلكترونات، و E إنها طاقتهم.[63]
المعادلة التي تصف علاقة التشتت الخطي للإلكترونات هي
حيث متجه الموجة q يتم قياسها من رأس منطقة بريلوين K، q = | k − K | {displaystyle q=left|mathbf -mathrm right|} ويتم ضبط الصفر الطاقي ليتطابق مع نقطة ديراك. تستخدم المعادلة صيغة مصفوفة الدوران الزائف التي تصف شبكتين فرعيتين من شبكة قرص العسل.[68]
تنتشر موجات الإلكترون في الجرافين ضمن طبقة أحادية الذرة، مما يجعلها حساسة لقرب المواد الأخرى مثل مواد عازلة عالية السماحية, الموصلات الفائقة و المواد المغناطيسية الحديدية.
يُظهر الجرافين خصائص رائعة تنقل الإلكترون عند درجة حرارة الغرفة، مع قيم مُبلغ عنها تتجاوز 15000 سم2⋅V-1⋅س-1.[2] تتشابه حركية الثقوب والإلكترونات تقريبًا.[64] لا تتأثر الحركة بدرجة الحرارة بين 10 ك و 100 ك,[31][70][71] ويظهر تغيراً طفيفاً حتى في درجة حرارة الغرفة (300 كلفن)،[2] مما يعني أن آلية التشتت السائدة هي تشتت العيوبتشتت الموجات الصوتية بواسطة الجرافين الفونونات يحد ذلك بشكل جوهري من حركة الجرافين الحر عند درجة حرارة الغرفة إلى 200000 سم2⋅V-1⋅س-1 عند كثافة حاملات الشحنة 1012 cm-2.[71][72]
المناظرة المقاومة النوعية من صفائح الجرافين ستكون 10-6 Ω⋅cmوهذا أقل من مقاومة النوعية لـ فضي، وهي أدنى قيمة معروفة في درجة حرارة الغرفة.[73] ومع ذلك ، على شافي
2 في الركائز، يكون تشتت الإلكترونات بواسطة الفونونات الضوئية للركيزة أكبر من تشتتها بواسطة فونونات الجرافين نفسه. وهذا يحد من الحركة إلى 40000 سم2⋅V-1⋅س-1.[71]
يُعدّ نقل الشحنات الكهربائية من المشكلات الرئيسية نظرًا لامتصاص الملوثات مثل جزيئات الماء والأكسجين، مما يؤدي إلى خصائص تخلف مغناطيسي كبيرة وغير متكررة. لذا، يجب على الباحثين إجراء القياسات الكهربائية في الفراغ. ويمكن حماية سطح الجرافين بطبقة من مواد مثل نيتريد السيليكون (SiN). PMMAناقش الباحثون موادًا مثل h-BN وغيرها. وفي يناير 2015، تم الإبلاغ عن أول تشغيل مستقر لجهاز مصنوع من الجرافين في الهواء لعدة أسابيع، وذلك للجرافين الذي تم حماية سطحه بواسطة أكسيد الألمونيوم.[74][75] في عام 2015، الليثيومأظهر الجرافين المغطى بطبقة خارجية الموصلية الفائقة، وهو إنجاز غير مسبوق بالنسبة للجرافين.[76]
المقاومة الكهربائية في عرض 40 نانومتر شرائط النانو تتغير خصائص طبقة الجرافين المترسبة على مراحل منفصلة. تتجاوز موصلية الأشرطة التوقعات بمعامل 10. يمكن أن تتصرف الأشرطة بشكل أشبه بـ الموجهات الضوئية or النقاط الكموميةمما يسمح للإلكترونات بالتدفق بسلاسة على طول حواف الشريط. في النحاس، تزداد المقاومة بما يتناسب مع الطول عندما تصطدم الإلكترونات بالشوائب.[77][78]
يهيمن على النقل نمطان. أحدهما باليستي ولا يعتمد على درجة الحرارة، بينما الآخر مُنشط حراريًا. تشبه الإلكترونات الباليستية تلك الموجودة في الجسيمات الأسطوانية أنابيب الكربون النانوية. عند درجة حرارة الغرفة، تزداد المقاومة فجأة عند طول معين - الوضع الباليستي عند 16 ميكرومتر والآخر عند 160 نانومتر (1٪ من الطول السابق).[77]
يمكن للإلكترونات الموجودة في الجرافين أن تغطي مسافات ميكرومترية دون تشتت، حتى في درجة حرارة الغرفة.[63]
على الرغم من انعدام كثافة حاملات الشحنة بالقرب من نقاط ديراك، فإن الجرافين يُظهر حدًا أدنى الموصلية حسب ترتيب 4 ه 2 / ح {displaystyle 4e^/h} لا يزال أصل هذه الموصلية الدنيا غير واضح. ومع ذلك، يُحتمل أن يكون السبب هو تموج طبقة الجرافين أو الشوائب المتأينة فيها. شافي
2 قد يؤدي الركيزة إلى تجمعات محلية من حاملات الشحنة تسمح بالتوصيل.[64] تشير العديد من النظريات إلى أن الحد الأدنى للتوصيلية يجب أن يكون 4 ه 2 / ( π ح ) {displaystyle 4e^/{(pi }h)} ومع ذلك، فإن معظم القياسات من رتبة 4 ه 2 / ح {displaystyle 4e^/h} أو أكبر[2] وتعتمد على تركيز الشوائب.[79]
يُظهر الجرافين ذو كثافة حاملات الشحنة القريبة من الصفر موصلية ضوئية موجبة وموصلية ضوئية سالبة عند كثافة حاملات الشحنة العالية. ويخضع ذلك للتفاعل بين التغيرات الضوئية في كل من وزن درود ومعدل تشتت حاملات الشحنة.[80]
يمكن إعادة الجرافين المطعّم بأنواع غازية مختلفة (سواء كانت مستقبلات أو مانحات) إلى حالة غير مطعّمة عن طريق التسخين اللطيف في الفراغ.[79][81] حتى ل إشابة تركيزات تتجاوز 1012 cm-2 لا يُظهر معدل حركة حاملات الشحنة أي تغيير ملحوظ.[81] الجرافين المطعّم بـ بوتاسيوم in فراغ فائق الارتفاع يمكن أن يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى تقليل الحركة بمقدار 20 ضعفًا.[79][82] يمكن عكس انخفاض الحركة عن طريق تسخين الجرافين لإزالة البوتاسيوم.
بسبب بُعدي الجرافين، يحدث تجزئة للشحنة (حيث تكون الشحنة الظاهرية للجسيمات الزائفة الفردية في الأنظمة منخفضة الأبعاد أقل من كم واحد).[83]يُعتقد أن هذا يحدث. لذلك قد يكون مادة مناسبة للبناء. أجهزة الكمبيوتر الكم[84] استخدام الأيونية الدوائر.[85]
استخدم تأثير هول الكمي هو نسخة ميكانيكية كمومية من تأثير القاعةوهو إنتاج موصلية عرضية (عمودية على التيار الرئيسي) في وجود المجال المغنطيسي. تكميم تأثير القاعة σ xy {displaystyle sigma _} عند مضاعفات الأعداد الصحيحة (الـ "مستوى لاندو") من الكمية الأساسية e 2 / h {displaystyle e^/h} (أين e هي الشحنة الكهربائية الأولية و h is ثابت بلانك). لا يمكن ملاحظته عادةً إلا في الأماكن النظيفة جدًا السيليكون or مركب الزرنيخ المواد الصلبة عند درجات حرارة حوالي 3 K ومجالات مغناطيسية عالية جداً.
يُظهر الجرافين تأثير هول الكمومي فيما يتعلق بتكميم الموصلية: التأثير غير عادي حيث يتم إزاحة تسلسل الخطوات بمقدار 1/2 بالنسبة للتسلسل القياسي وبمعامل إضافي قدره 4. موصلية هول للجرافين هي σ xy = ± 4 ⋅ ( N + 1 / 2 ) e 2 / h {displaystyle sigma _=pm {4cdot left(N+1/2right)e^}/h} ، حيث N يمثل مستوى لاندو، وتعطي حالات التدهور المزدوجة للوادي والدوران العامل 4.[2] لا تقتصر هذه الشذوذات على درجات الحرارة المنخفضة للغاية فحسب، بل توجد أيضًا في درجة حرارة الغرفة، أي عند حوالي 20 درجة مئوية (293 كلفن).[31]
هذا السلوك هو نتيجة مباشرة لإلكترونات ديراك الكيرالية عديمة الكتلة في الجرافين.[2][86] في المجال المغناطيسي، يمتلك طيفها مستوى لاندو بطاقة تقع تحديدًا عند نقطة ديراك. هذا المستوى هو نتيجة لـ نظرية مؤشر أتياس-سينجر وهي نصف ممتلئة بالجرافين المحايد،[29] مما يؤدي إلى "+1/2" في موصلية هول.[32] طبقة الجرافين الثنائية كما يُظهر تأثير هول الكمي، ولكن مع وجود شذوذ واحد فقط من الشذوذين (أي σ xy = ± 4 ⋅ N ⋅ e 2 / h {displaystyle sigma _=pm {4cdot Ncdot e^}/h} في الشذوذ الثاني، الهضبة الأولى عند N = 0 غيابها، مما يشير إلى أن طبقة الجرافين الثنائية تظل معدنية عند نقطة التعادل.[2]
بخلاف المعادن العادية، تُظهر المقاومة الطولية للجرافين قيمًا عظمى بدلاً من قيم صغرى لقيم صحيحة لعامل ملء لاندو في قياسات تذبذبات شوبنيكوف-دي هاس، حيث أن المصطلح متكامل تأثير هول الكمومي. تُظهر هذه التذبذبات إزاحة طورية مقدارها π، تُعرف باسم مرحلة بيري.[31][64] تنشأ مرحلة بيري بسبب الكيرالية أو الاعتماد (التثبيت) للعدد الكمي للدوران الزائف على زخم الإلكترونات منخفضة الطاقة بالقرب من نقاط ديراك.[33] يكشف اعتماد التذبذبات على درجة الحرارة أن حاملات الشحنة لها كتلة سيكلوترون غير صفرية، على الرغم من كتلتها الفعالة الصفرية في صيغة ديراك-فيرميون.[31]
عينات الجرافين المحضرة على أغشية النيكل، وعلى كل من وجه السيليكون ووجه الكربون من كربيد السيليكون، تُظهر التأثير الشاذ مباشرة في القياسات الكهربائية.[87][88][89][90][91][92] تُظهر الطبقات الجرافيتية على سطح الكربون لكربيد السيليكون بوضوح طيف ديراك in انبعاث ضوئي مُحَلَّل الزاوية التجارب، ويتم ملاحظة التأثير في تجارب الرنين السيكلوتروني وتجارب النفق الكمومي.[93]
في المجالات المغناطيسية التي تزيد عن 10 تيسلا أو نحو ذلك من الهضاب الإضافية لموصلية هول عند σxy = νe2/h مع ν = 0، ±1، ±4 لوحظ.[94] هضبة عند ν = 3[95] و مبادئ السلوك تأثير هول الكمي الكسري at ν = 1/3 تم الإبلاغ عنها أيضًا.[95][96]
هذه الملاحظات مع ν = 0، ±1، ±3، ±4 يشير ذلك إلى أن الانحلال الرباعي (درجتي حرية الوادي ودرجتي حرية الدوران) لمستويات طاقة لاندو يتم رفعه جزئيًا أو كليًا.
استخدم تأثير كازيمير هي تفاعل بين أجسام متعادلة منفصلة ناتجة عن تقلبات الفراغ الكهروضوئي. يمكن تفسيرها رياضياً من خلال دراسة الأنماط الطبيعية للحقول الكهرومغناطيسية، والتي تعتمد بشكل صريح على شروط الحدود (أو شروط التوافق) على أسطح الأجسام المتفاعلة. ونظراً لقوة تفاعل الجرافين مع الحقل الكهرومغناطيسي في مادة بسماكة ذرة واحدة، فإن تأثير كازيمير يحظى باهتمام متزايد.[97][98]
استخدم قوة فان دير فالس (أو قوة التشتت) أمر غير معتاد أيضًا، حيث يخضع لمعادلة تكعيبية عكسية تقاربية قوة القانون على عكس الدالة الرباعية العكسية المعتادة.[99]
تتكون الخلية الأولية للجرافين من ذرتي كربون متطابقتين وحالتين طاقة صفرية: إحداهما يكون فيها الإلكترون على الذرة A، والأخرى يكون فيها على الذرة B. مع ذلك، إذا لم تكن الذرتان في الخلية الأولية متطابقتين، يتغير الوضع. وقد أظهر هانت وآخرون أن وضع نيتريد البورون سداسي (h-BN) عند اتصاله بالجرافين يمكن أن يغير الجهد المحسوس عند الذرة A مقابل الذرة B بما يكفي لتطوير الإلكترونات كتلة وفجوة نطاق مصاحبة تبلغ حوالي 30 مللي إلكترون فولت [0.03 إلكترون فولت (eV)].[100]
يمكن أن تكون الكتلة موجبة أو سالبة. الترتيب الذي يرفع طاقة الإلكترون في الذرة (أ) قليلاً بالنسبة للذرة (ب) يعطيها كتلة موجبة، بينما الترتيب الذي يرفع طاقة الذرة (ب) ينتج عنه كتلة إلكترونية سالبة. يتصرف كلا الترتيبين بنفس الطريقة ولا يمكن التمييز بينهما عن طريق التحليل الطيفي البصريعند انتقال الإلكترون من منطقة ذات كتلة موجبة إلى منطقة ذات كتلة سالبة، لا بد له من عبور منطقة وسيطة حيث تصبح كتلته صفرًا مرة أخرى. هذه المنطقة عديمة الفجوة، وبالتالي فهي معدنية. تُعدّ الأنماط المعدنية التي تحدّ مناطق أشباه الموصلات ذات الكتل المتعاكسة سمة مميزة للطور الطوبولوجي، وتُظهر خصائص فيزيائية مشابهة لتلك التي تُظهرها العوازل الطوبولوجية.[100]
إذا أمكن التحكم في كتلة الجرافين، يمكن حصر الإلكترونات في مناطق عديمة الكتلة عن طريق إحاطتها بمناطق ذات كتلة، مما يسمح بتشكيل أنماط النقاط الكموميةوالأسلاك وغيرها من الهياكل المجهرية. كما ينتج موصلات أحادية البعد على طول الحدود. وستكون هذه الأسلاك محمية ضد التشتت العكسي ويمكنها نقل التيارات دون تبديد.[100]
الجرافين السماحية يختلف باختلاف التردد. ضمن نطاق ترددات يتراوح من الموجات الميكروية إلى الموجات المليمترية، يبلغ حوالي 3.3.[101] هذه السماحية، بالإضافة إلى القدرة على تشكيل كل من الموصلات والعوازل، تعني نظريًا أن المواد المدمجة المكثفات يمكن للخلايا المصنوعة من الجرافين تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية.
تنتج الخصائص البصرية الفريدة للجرافين قيمة عالية بشكل غير متوقع غموض بالنسبة لطبقة ذرية أحادية في الفراغ، تمتص بنسلفانيا ≈ 2.3٪ of ضوءمن الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء.[8][9][102] هنا، α هي ثابت البنية الدقيقةهذا نتيجة لـ "البنية الإلكترونية غير العادية منخفضة الطاقة للجرافين أحادي الطبقة والتي تتميز بالإلكترونات والفجوات أشرطة مخروطية يلتقون في نقطة ديراك... [وهو] يختلف نوعياً عن الأكثر شيوعاً نطاقات ضخمة تربيعية".[8] استنادًا إلى نموذج نطاق سلونكزيفسكي-وايس-مكلور (SWMcC) للجرافيت، يتم إلغاء المسافة بين الذرات وقيمة القفز والتردد عند حساب الموصلية الضوئية باستخدام معادلات فرينل في حدود الأغشية الرقيقة.
على الرغم من تأكيد ذلك تجريبياً، إلا أن القياس ليس دقيقاً بما يكفي لتحسين التقنيات الأخرى المستخدمة في تحديد ثابت البنية الدقيقة.[103]
رنين البلازمون السطحي متعدد المعاملات استُخدمت هذه التقنية لتحديد كلٍّ من سُمك ومعامل انكسار أغشية الجرافين المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). وقد تم قياس قيم معامل الانكسار ومعامل الامتصاص عند 670 نانومتر. nm (6.7 × 10-7 mيبلغ طول الموجة 3.135 و0.897 على التوالي. وقد حُدد سمك الطبقة بـ 3.7 أنغستروم من مساحة 0.5 مم، وهو ما يتوافق مع القيمة 3.35 أنغستروم المُبلغ عنها لمسافة ذرات الكربون بين طبقات بلورات الجرافيت.[104] يمكن استخدام هذه الطريقة أيضًا لدراسة التفاعلات الآنية بين الجرافين والمواد العضوية وغير العضوية دون الحاجة إلى علامات. علاوة على ذلك، فقد تم إثبات وجود بلازمونات سطحية أحادية الاتجاه في الواجهات الجيروسكوبية غير التبادلية القائمة على الجرافين نظريًا. ومن خلال التحكم الفعال في الجهد الكيميائي للجرافين، يمكن ضبط تردد التشغيل أحادي الاتجاه باستمرار من نطاق الترددات تيراهيرتز إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة وحتى نطاق الضوء المرئي.[105] وعلى وجه الخصوص، يمكن أن يكون عرض نطاق التردد أحادي الاتجاه أكبر بمقدار 1-2 رتبة من حيث الحجم من ذلك الموجود في المعدن تحت نفس المجال المغناطيسي، وهو ما ينشأ من تفوق الكتلة الإلكترونية الفعالة الصغيرة للغاية في الجرافين.
الجرافين فجوة النطاق يمكن ضبطه من 0 إلى 0.25 فولت (طول موجي يبلغ حوالي 5 ميكرومتر) عن طريق تطبيق جهد كهربائي على بوابة مزدوجة طبقة ثنائية الجرافين حقل التأثير الترانزستور (FET) في درجة حرارة الغرفة.[106] الاستجابة البصرية لـ نانو شرائط الجرافين يمكن ضبطه على تيراهيرتز نظام التحكم بواسطة مجال مغناطيسي مطبق.[107] تُظهر أنظمة الجرافين/أكسيد الجرافين السلوك الكهروكروميمما يسمح بضبط كل من الخصائص البصرية الخطية والسريعة للغاية.[108]
مادة أساسها الجرافين شبكة براغ (أحادي البعد) البلورة الضوئيةتم تصنيع () وأثبت قدرته على إثارة الموجات الكهرومغناطيسية السطحية في البنية الدورية باستخدام 633 nm (6.33 × 10-7 m) ليزر الهيليوم-نيون كمصدر للضوء.[109]
قد يصل هذا الامتصاص الفريد إلى حد التشبع عندما تتجاوز شدة الضوء الداخل قيمة عتبة معينة. ويُطلق على هذا السلوك البصري غير الخطي اسم الامتصاص المشبع وتُسمى قيمة العتبة بتدفق التشبع. يمكن تشبع الجرافين بسهولة تحت تأثير إثارة قوية في نطاق الضوء المرئي إلى بالقرب من الأشعة تحت الحمراء في هذه المنطقة، وذلك بسبب الامتصاص البصري الشامل وانعدام فجوة النطاق. وهذا له أهمية في عملية قفل الأنماط لـ ليزر الأليافحيث تم تحقيق قفل نمط النطاق الكامل بواسطة ممتص قابل للتشبع قائم على الجرافين. وبفضل هذه الخاصية المميزة، يتمتع الجرافين بتطبيقات واسعة في مجال الموجات فائقة السرعة الضوئياتعلاوة على ذلك، يمكن ضبط الاستجابة البصرية لطبقات الجرافين/أكسيد الجرافين كهربائياً.[108][110][111][112][113][114]
يمكن أن يحدث امتصاص مشبع في الجرافين ضمن نطاقي الموجات الميكروية والتيراهيرتزية، وذلك بفضل خاصية امتصاصه الضوئي واسع النطاق. ويُظهر هذا الامتصاص المشبع في الجرافين إمكانية استخدام الجرافين في أجهزة الفوتونيات الميكروية والتيراهيرتزية، مثل أجهزة الامتصاص المشبع، والمعدِّلات، والمستقطبات، ومعالجة إشارات الموجات الميكروية، وشبكات الوصول اللاسلكي واسعة النطاق.[115]
في ظل إضاءة ليزر أكثر كثافة، يمكن أن يمتلك الجرافين أيضًا إزاحة طور غير خطية بسبب اللاخطية البصرية تأثير كيراستنادًا إلى قياس نموذجي لفتحة مفتوحة ومغلقة بتقنية المسح z، يمتلك الجرافين معامل كير غير خطي ضخمًا يبلغ 10-7 cm2⋅W-1، أكبر بنحو تسعة مراتب من حيث الحجم من تلك الخاصة بالمواد العازلة الكبيرة.[116] يشير هذا إلى أن الجرافين قد يكون وسط كير غير خطي قوي، مع إمكانية رصد مجموعة متنوعة من التأثيرات غير الخطية، وأهمها هو سوليتون.[117]
أُجريت حسابات من المبادئ الأولى مع تصحيحات شبه الجسيمات وتأثيرات الأجسام المتعددة لدراسة الخصائص الإلكترونية والبصرية للمواد القائمة على الجرافين. وتتكون هذه الطريقة من ثلاث مراحل.[118] باستخدام حسابات GW، يتم دراسة خصائص المواد القائمة على الجرافين بدقة، بما في ذلك الجرافين الصلب.[119] شرائط النانو,[120] أشرطة كراسي بذراعين وظيفية للحواف والأسطح،[121] شرائط كراسي بذراعين مشبعة بالهيدروجين،[122] تأثير جوزيفسون في وصلات SNS الجرافينية ذات عيب موضعي واحد[123] وخصائص قياس شريط الكرسي بذراعين.[124]
يُزعم أن الجرافين مادة مثالية لـ سبنترونيكس بسبب صغر حجمها التفاعل بين الدوران والمدار والغياب شبه التام لـ العزوم المغناطيسية النووية في الكربون (وكذلك ضعيف) التفاعل فائق الدقة). كهربائية التيار الدوراني وقد تم إثبات إمكانية الحقن والكشف حتى درجة حرارة الغرفة.[125][126][127] لوحظ طول تماسك الدوران فوق 1 ميكرومتر عند درجة حرارة الغرفة،[125] وتمت ملاحظة التحكم في قطبية تيار الدوران باستخدام بوابة كهربائية عند درجة حرارة منخفضة.[126]
تأثير هول الكمي للجرافين في المجالات المغناطيسية التي تزيد عن 10 Teslas أو ما شابه ذلك يكشف عن سمات إضافية مثيرة للاهتمام. مستويات إضافية من موصلية هول عند σ xy = ν e 2 / h {displaystyle sigma _=nu e^/h} مع ν = 0 , ± 1 , ± 4 {displaystyle nu =0,pm ,pm } لوحظ.[94] كما لوحظ وجود هضبة عند ν = 3 {displaystyle nu =3} [95] وتأثير هول الكمي الكسري عند ν = 1/3 {displaystyle nu =1/3} تم الإبلاغ عنها.[95][96]
هذه الملاحظات مع ν = 0 , ± 1 , ± 3 , ± 4 {displaystyle nu =0,pm 1,pm 3,pm 4} تشير هذه النتائج إلى أن الانحلال الرباعي (درجتا حرية للوادي ودرجتا حرية للدوران) لمستويات طاقة لانداو قد تم رفعه جزئيًا أو كليًا. إحدى الفرضيات هي أن التحفيز المغناطيسي of كسر التناظر وهو المسؤول عن رفع مستوى الانحطاط.[بحاجة لمصدر]
يمكن أن تتواجد الخصائص الإلكترونية الدورانية والمغناطيسية في الجرافين في آن واحد.[128] تُظهر شبكات الجرافين النانوية منخفضة العيوب، المصنعة باستخدام طريقة غير طباعية، مغناطيسية حديدية ذات سعة كبيرة حتى في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ تأثير ضخ الدوران عند تطبيق مجالات موازية لمستويات الشبكات النانوية المغناطيسية الحديدية قليلة الطبقات، بينما لوحظت حلقة تخلف مغناطيسي تحت تأثير مجالات عمودية.
في عام 2014، قام الباحثون بمغنطة الجرافين عن طريق وضعه على طبقة ناعمة على المستوى الذري من المغناطيس غارنيت الحديد الإيتريوملم تتأثر الخصائص الإلكترونية للجرافين. وقد تضمنت الطرق السابقة تطعيم الجرافين بمواد أخرى.[129] أثر وجود المادة المضافة سلبًا على خصائصها الإلكترونية.[130]
يُعدّ النقل الحراري في الجرافين مجالًا بحثيًا نشطًا، وقد حظي باهتمام كبير نظرًا لإمكانية استخدامه في تطبيقات إدارة الحرارة. وبناءً على التوقعات المتعلقة بالجرافين والمواد ذات الصلة، أنابيب الكربون النانوية,[131] القياسات المبكرة لـ الموصلية الحرارية أظهرت دراسة أجريت على الجرافين المعلق موصلية حرارية كبيرة بشكل استثنائي تصل إلى 5300 واط/متر مربع-1ك-1,[132] بالمقارنة مع الموصلية الحرارية للتحلل الحراري الجرافيت ما يقرب من 2000 واط/متر مربع-1ك-1 في درجة حرارة الغرفة.[133] مع ذلك، لم تتمكن الدراسات اللاحقة، التي أجريت بشكل أساسي على الجرافين الأكثر قابلية للتوسع ولكنه أكثر عيوبًا والمُستخلص بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار، من إعادة إنتاج قياسات التوصيل الحراري العالية هذه، مما أدى إلى إنتاج نطاق واسع من قيم التوصيل الحراري بين 1500 - 2500 واط/متر مربع-1ك-1 للجرافين أحادي الطبقة المعلق.[134][135][136][137] قد يعود التباين الكبير في قيم الموصلية الحرارية المُبلغ عنها إلى عدم دقة القياسات، بالإضافة إلى اختلافات في جودة الجرافين وظروف التصنيع. علاوة على ذلك، من المعروف أنه عند دعم طبقة واحدة من الجرافين على مادة غير متبلورة، تنخفض الموصلية الحرارية إلى حوالي 500 - 600 واط/متر مربع-1ك-1 عند درجة حرارة الغرفة نتيجة لتشتت موجات شبكة الجرافين بواسطة الركيزة،[138][139] ويمكن أن تكون أقل من ذلك بالنسبة للجرافين ذي الطبقات القليلة المغلف بأكسيد غير متبلور.[140] وبالمثل، يمكن أن تساهم البقايا البوليمرية في انخفاض مماثل في الموصلية الحرارية للجرافين المعلق إلى ما يقارب 500 - 600 واط/متر مربع-1ك-1 للجرافين ثنائي الطبقة.[141]
وقد أشير إلى أن التركيب النظائري، أي نسبة 12C إلى 13Cيؤثر ذلك بشكل كبير على الموصلية الحرارية. على سبيل المثال، النظائر النقية 12يتمتع الجرافين C بموصلية حرارية أعلى من نسبة النظائر 50:50 أو النسبة الطبيعية 99:1.[142] ويمكن إثبات ذلك باستخدام قانون ويدمان-فرانز، أي أن التوصيل الحراري هو فونون-مهيمنة.[132] لكن بالنسبة لشريط الجرافين المُتحكم فيه ببوابة، فإن تطبيق انحياز البوابة يتسبب في طاقة فيرمي تحول أكبر بكثير من kBT قد يؤدي ذلك إلى زيادة المساهمة الإلكترونية وهيمنتها على فونون المساهمة عند درجات الحرارة المنخفضة. الموصلية الحرارية الباليستية للجرافين متجانسة الخواص.[143][144]
يمكن ملاحظة إمكانية هذه الموصلية العالية من خلال النظر إلى الجرافيت، وهو نسخة ثلاثية الأبعاد من الجرافين الذي يتميز بـ المستوى القاعدي الموصلية الحرارية من أكثر من 1000 واط/متر مربع-1ك-1 (يمكن مقارنته بـ الماسفي الجرافيت، تكون الموصلية الحرارية على طول المحور c (خارج المستوى) أقل بأكثر من 100 مرة تقريبًا بسبب ضعف قوى الربط بين المستويات القاعدية، بالإضافة إلى كبر حجمها. تباعد الشبكة.[145] بالإضافة إلى ذلك، تبين أن الموصلية الحرارية الباليستية للجرافين تعطي الحد الأدنى للموصلية الحرارية الباليستية، لكل وحدة محيط، طول الأنابيب النانوية الكربونية.[146]
على الرغم من طبيعتها ثنائية الأبعاد، فإن الجرافين له 3 الفونون الصوتي الأنماط. النمطان المستويان (LA، TA) لهما علاقة خطية علاقة التشتتبينما يمتلك النمط خارج المستوى (ZA) علاقة تشتت تربيعية. ولهذا السبب، فإن T2 يهيمن T على مساهمة الموصلية الحرارية المعتمدة على الأنماط الخطية عند درجات الحرارة المنخفضة.1.5 مساهمة الوضع خارج المستوى.[146] تُظهر بعض نطاقات الفونون في الجرافين قيمًا سالبة معايير غرونايزن.[147] عند درجات الحرارة المنخفضة (حيث لا تزال معظم الأنماط البصرية ذات معاملات غرونايزن الموجبة غير مُثارة)، ستكون مساهمة معاملات غرونايزن السالبة هي السائدة. معامل التمدد الحراري (وهو ما يتناسب طرديًا مع معاملات غرونايزن) السالبة. تتوافق أدنى معاملات غرونايزن السالبة مع أدنى أنماط الموجات الصوتية المستعرضة ZA. تزداد ترددات الفونونات لهذه الأنماط مع المستوى. معلمة شعرية لأن الذرات في الطبقة ستكون أقل حرية في الحركة في الاتجاه z عند تمددها. وهذا يشبه سلوك الوتر، الذي عندما يتمدد، ستكون له اهتزازات ذات سعة أصغر وتردد أعلى. وقد تنبأ بهذه الظاهرة، التي تسمى "تأثير الغشاء"، كل من ليفشيتز في 1952.[148]
تبلغ الكثافة (ثنائية الأبعاد) للجرافين 0.763 ملغ لكل متر مربع.[بحاجة لمصدر]
الجرافين هو أقوى مادة تم اختبارها على الإطلاق،[10][11] مع جوهرية قوة الشد من 130 المعدل التراكمي (19,000,000 PSI) (مع قوة شد هندسية نموذجية تبلغ حوالي 50-60 جيجا باسكال لتمديد الجرافين الحر ذي المساحة الكبيرة) و معامل يونج (الصلابة) قريبة من 1 تي بي إيه (150,000,000 PSIوقد أوضح إعلان جائزة نوبل ذلك بقوله إن أرجوحة من الجرافين مساحتها متر مربع واحد ستدعم 4 كجم قطة، لكن وزنها لا يتجاوز وزن شعرة واحدة من شوارب القطة، عند 0.77 مجم (حوالي 0.001% من وزن 1،XNUMX م2 (من الورق).[149]
تم تحقيق طبقة أحادية من الجرافين ذات زاوية انحناء كبيرة مع إجهاد ضئيل، مما يدل على المتانة الميكانيكية للبنية النانوية الكربونية ثنائية الأبعاد. حتى مع التشوه الشديد، يمكن الحفاظ على حركة حاملات الشحنة الممتازة في طبقة الجرافين الأحادية.[150]
استخدم ثابت الربيع تم قياس صفائح الجرافين المعلقة باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). تم تعليق صفائح الجرافين فوق شافي
2 تم استخدام تجاويف حيث تم تطبيق إجهاد على الصفيحة باستخدام رأس مجهر القوة الذرية لاختبار خصائصها الميكانيكية. وكان ثابت الزنبرك الخاص بها في نطاق 1-5 نيوتن/متر، وكانت الصلابة 0.5 تيرا باسكالوهو ما يختلف عن خصائص الجرافيت الخام. ويمكن أن تؤدي هذه الخصائص الجوهرية إلى تطبيقات مثل NEMS كمستشعرات ضغط ومرنانات.[151] بسبب طاقة سطحها الكبيرة وليونتها خارج المستوى، فإن صفائح الجرافين المسطحة غير مستقرة فيما يتعلق باللف، أي الانحناء إلى شكل أسطواني، وهو حالتها ذات الطاقة المنخفضة.[152]
كما هو الحال مع جميع المواد، تخضع مناطق الجرافين لتقلبات حرارية وكمومية في الإزاحة النسبية. على الرغم من أن سعة هذه التقلبات محدودة في الهياكل ثلاثية الأبعاد (حتى في حالة الحجم اللانهائي)، نظرية ميرمين-فاغنر تُظهر هذه النتائج أن سعة التذبذبات ذات الأطوال الموجية الطويلة تنمو لوغاريتميًا مع حجم البنية ثنائية الأبعاد، وبالتالي ستكون غير محدودة في البنى ذات الحجم اللانهائي. ويتأثر التشوه الموضعي والإجهاد المرن بشكل طفيف جدًا بهذا التباعد بعيد المدى في الإزاحة النسبية. ويُعتقد أن البنية ثنائية الأبعاد الكبيرة بما يكفي، في غياب الشد الجانبي المطبق، ستنحني وتتجعد لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد متذبذبة. وقد لاحظ الباحثون تموجات في طبقات الجرافين المعلقة.[35] وقد طُرحت فرضية مفادها أن التموجات ناتجة عن تقلبات حرارية في المادة. ونتيجةً لهذه التشوهات الديناميكية، يبقى من غير المؤكد ما إذا كان الجرافين بنية ثنائية الأبعاد حقًا.[2][59][60][153][154] لقد ثبت مؤخراً أن هذه التموجات، إذا تم تضخيمها من خلال إدخال عيوب الفراغات، يمكن أن تُحدث أثراً سلبياً نسبة بواسون في الجرافين، مما ينتج عنه أرق طبقة مساعد المعلومات المتوفرة حتى الآن.[155]
تم دمج صفائح نانوية من الجرافين في مصفوفة من النيكل عبر عملية طلاء لتشكيل مركبات نيكل-جرافين على ركيزة مستهدفة. ويعزى التحسن في الخواص الميكانيكية لهذه المركبات إلى التفاعل القوي بين النيكل والجرافين، وإلى منع الجرافين لانزلاق الانخلاعات في مصفوفة النيكل.[156]
في عام 2014 ، والباحثين من جامعة رايس و مبادئ السلوك معهد جورجيا للتكنولوجيا وقد أشارت الدراسات إلى أنه على الرغم من قوته، فإن الجرافين هش نسبيًا أيضًا، حيث تبلغ صلابة الكسر حوالي 4 ميجا باسكال√م.[157] يشير هذا إلى أن الجرافين غير الكامل من المرجح أن يتشقق بطريقة هشة مثل مواد خزفيةعلى عكس العديد من المواد المعدنية التي تميل إلى امتلاك صلابة كسر تتراوح بين 15 و50 ميجا باسكال√م. وفي وقت لاحق من عام 2014، أعلن فريق رايس أن الجرافين أظهر قدرة أكبر على توزيع قوة الصدمة من أي مادة معروفة، عشرة أضعاف قدرة الفولاذ لكل وحدة وزن.[158] تم نقل القوة بسرعة 22.2 كيلومتر في الثانية (13.8 ميل/ثانية).[159]
طرق متنوعة - أبرزها، ترسيب الأبخرة الكيميائية تم تطوير تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، كما هو موضح في القسم أدناه، لإنتاج كميات كبيرة من الجرافين اللازم لتطبيقات الأجهزة. وغالبًا ما تُنتج هذه الطرق جرافين متعدد البلورات.[160] تتأثر الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات بطبيعة العيوب، مثل حدود الحبيبات (GB) و الوظائف الشاغرة، الموجودة في النظام ومتوسط حجم الحبيبات. وقد قام الباحثون بدراسة كيفية تغير الخواص الميكانيكية مع وجود مثل هذه العيوب، نظرياً وتجريبياً.[161][160][162][163]
تحتوي حدود حبيبات الجرافين عادةً على أزواج من الأشكال السباعية والخماسية. ويعتمد ترتيب هذه العيوب على ما إذا كان اتجاه حدود الحبيبات متعرجًا أم على شكل كرسي. كما يعتمد أيضًا على زاوية ميل حدود الحبيبات.[164] في عام ٢٠١٠، تنبأ باحثون من جامعة براون حسابيًا بأنه مع ازدياد زاوية الميل، تزداد قوة حدود الحبيبات. وأظهروا أن أضعف نقطة في حدود الحبيبات تقع عند الروابط الحرجة لحلقات السباعي. ومع ازدياد زاوية حدود الحبيبات، يقل الإجهاد في هذه الحلقات، مما يجعل حدود الحبيبات أقوى من حدود الحبيبات ذات الزوايا الأقل. واقترحوا أنه في الواقع، بالنسبة لحدود الحبيبات ذات الزوايا الكبيرة بما يكفي، تكون قوة حدود الحبيبات مماثلة لقوة الجرافين النقي.[165] في عام 2012، تم إثبات أن القوة يمكن أن تزيد أو تنقص، اعتمادًا على الترتيبات التفصيلية للعيوب.[166] وقد تم تأكيد هذه التوقعات لاحقًا بأدلة تجريبية. ففي دراسة أجريت عام 2013 بقيادة مجموعة جيمس هون، قام الباحثون بدراسة المرونة صلابة و قوة إنتاج الجرافين بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) من خلال الجمع بين تقنية النانو-انضغاط وتقنية الدقة العالية TEMووجدوا أن الصلابة المرنة متطابقة وأن القوة أقل قليلاً فقط من تلك الموجودة في الجرافين النقي.[167] في العام نفسه، قام باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس بدراسة الجرافين ثنائي البلورة باستخدام TEM و AFMووجدوا أن قوة حدود الحبيبات تميل بالفعل إلى الزيادة مع زاوية الميل.[168]
على الرغم من أن وجود الفراغات ليس شائعًا فقط في الجرافين متعدد البلورات، إلا أن لها تأثيرات كبيرة على قوة الجرافين. ويُجمع الرأي العام على أن القوة تتناقص مع ازدياد كثافة الفراغات. في الواقع، أظهرت دراسات عديدة أن قوة الجرافين ذي الكثافة المنخفضة من الفراغات لا تختلف اختلافًا كبيرًا عن قوة الجرافين النقي. من ناحية أخرى، يمكن أن تؤدي الكثافة العالية للفراغات إلى انخفاض حاد في قوة الجرافين.[162]
بالمقارنة مع الطبيعة المفهومة إلى حد ما لتأثير حدود الحبيبات والفراغات على الخصائص الميكانيكية للجرافين، لا يوجد إجماع واضح على التأثير العام لمتوسط حجم الحبيبات على قوة الجرافين متعدد البلورات.[161][162][163] في الواقع، أدت ثلاث دراسات نظرية/حسابية بارزة حول هذا الموضوع إلى ثلاث استنتاجات مختلفة.[169][170][171] أولاً، في عام 2012، درس كوتاكوسكي وماير الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات باستخدام "نموذج ذري واقعي"، باستخدام الديناميكا الجزيئية محاكاة الديناميكا الجزيئية. لمحاكاة آلية نمو الترسيب الكيميائي للبخار، قاموا أولاً باختيار عشوائي تنوي مواقع تبعد مسافة 5 أنغستروم على الأقل (مختارة عشوائيًا) عن المواقع الأخرى. تم توليد الغرافين متعدد البلورات من هذه المواقع، ثم خضع لعملية تلدين عند درجة حرارة 3000 كلفن، ثم تبريد سريع. بناءً على هذا النموذج، وجد الباحثون أن الشقوق تبدأ عند نقاط التقاء حدود الحبيبات، لكن حجم الحبيبات لا يؤثر بشكل كبير على المتانة.[169] ثانيًا، في عام 2013، استخدم ز. سونغ وآخرون محاكاة الديناميكا الجزيئية لدراسة الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات ذي الحبيبات السداسية الشكل متجانسة الحجم. وُجِّهت الحبيبات السداسية في اتجاهات شبكية مختلفة، وتألفت حدود الحبيبات من حلقات كربون سباعية وخماسية وسداسية فقط. كان الدافع وراء هذا النموذج هو رصد أنظمة مماثلة تجريبيًا في رقائق الجرافين النامية على سطح النحاس السائل. وبينما لاحظوا أيضًا أن الشقوق تبدأ عادةً عند نقاط الالتقاء الثلاثية، وجدوا أنه مع انخفاض حجم الحبيبات، تزداد مقاومة الخضوع للجرافين. بناءً على هذه النتيجة، اقترحوا أن الجرافين متعدد البلورات يتبع نمطًا شبه علاقة هول-بيتش.[170] ثالثًا، في عام 2013، درس ZD Sha وآخرون تأثير حجم الحبيبات على خصائص الجرافين متعدد البلورات، من خلال نمذجة رقع الحبيبات باستخدام بناء فورونويتألفت حدود الحبيبات في هذا النموذج من سباعي وخماسي وسداسي، بالإضافة إلى مربعات وثمانيات وفراغات. ومن خلال محاكاة الديناميكا الجزيئية، وعلى عكس الدراسة المذكورة سابقًا، وجدوا علاقة عكسية بين هول وبيتش، حيث تزداد قوة الجرافين مع ازدياد حجم الحبيبات.[171] كما أسفرت الملاحظات التجريبية والتنبؤات النظرية الأخرى عن استنتاجات مختلفة، مماثلة للاستنتاجات الثلاثة المذكورة أعلاه.[163] تُظهر هذه التناقضات مدى تعقيد التأثيرات التي تحدثها أحجام الحبيبات وترتيبات العيوب وطبيعة العيوب على الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات.
للجرافين قيمة نظرية مساحة محددة (SSA) من 2630 m2/gوهذا أكبر بكثير من الرقم الذي تم الإبلاغ عنه حتى الآن للكربون الأسود (عادةً ما يكون أصغر من 900 m2/g) أو بالنسبة لأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، من ≈100 إلى 1000 m2/g وهو مشابه لـ كربون مفعل.[172] الجرافين هو الشكل الوحيد للكربون (أو المادة الصلبة) الذي تكون فيه كل ذرة متاحة للتفاعل الكيميائي من جانبين (بسبب بنيته ثنائية الأبعاد). تتميز الذرات الموجودة على حواف طبقة الجرافين بتفاعل كيميائي خاص. ويحتوي الجرافين على أعلى نسبة من الذرات الطرفية مقارنةً بأي مادة أخرى. متآصلتؤدي العيوب الموجودة داخل الصفيحة إلى زيادة تفاعلها الكيميائي.[173] درجة حرارة بدء التفاعل بين المستوى القاعدي للجرافين أحادي الطبقة وغاز الأكسجين أقل من 260 درجة مئوية (530 كلفن).[174] يحترق الجرافين في درجة حرارة منخفضة للغاية (على سبيل المثال، 350 درجة مئوية (620 كلفن)).[175] يُعدَّل الجرافين عادةً بمجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين والنيتروجين، ويُحلَّل باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء ومطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية. ومع ذلك، فإن تحديد هياكل الجرافين مع الأكسجين-[176] والنيتروجين-[177] تتطلب المجموعات الوظيفية أن تكون الهياكل مضبوطة بشكل جيد.
في 2013، جامعة ستانفورد أفاد الفيزيائيون أن طبقة الجرافين الأحادية أكثر تفاعلاً كيميائياً بمئة مرة من الصفائح متعددة الطبقات الأكثر سمكاً.[178]
يمكن للجرافين إصلاح الثقوب الموجودة في طبقاته ذاتيًا، عند تعرضه لجزيئات تحتوي على الكربون، مثل الهيدروكربوناتعندما تتعرض الذرات للقصف بذرات الكربون النقي، فإنها تصطف بشكل مثالي في السداسيات، مما يؤدي إلى ملء الثقوب بالكامل.[179][180]
على الرغم من النتائج الواعدة في دراسات الخلايا المختلفة ودراسات إثبات المفهوم، لا يزال هناك فهم غير مكتمل للتوافق الحيوي الكامل للمواد القائمة على الجرافين.[181] تتفاعل سلالات الخلايا المختلفة بشكل مختلف عند تعرضها للجرافين، وقد ثبت أن الحجم الجانبي لرقائق الجرافين وشكلها وتركيبها الكيميائي السطحي يمكن أن يثير استجابات بيولوجية مختلفة على نفس سلالة الخلايا.[182]
هناك مؤشرات على أن الجرافين واعد كمادة مفيدة للتفاعل مع الخلايا العصبية؛ وتظهر الدراسات التي أجريت على الخلايا العصبية المستزرعة نجاحاً محدوداً.[183][184]
للجرافين أيضاً بعض الفوائد في عوامل تكوين العظاماكتشف باحثون في مركز أبحاث الجرافين بجامعة سنغافورة الوطنية (NUS) في عام 2011 قدرة الجرافين على تسريع التمايز العظمي البشري الخلايا الجذعية الوسيطة دون استخدام المحفزات الكيميائية الحيوية.[185]
يمكن استخدام الجرافين في أجهزة الاستشعار الحيوية؛ ففي عام 2015، أثبت الباحثون إمكانية استخدام مستشعر قائم على الجرافين للكشف عن مؤشر حيوي لخطر الإصابة بالسرطان. وعلى وجه الخصوص، تمكنوا، باستخدام الجرافين المُرَسَّب على كربيد السيليكون، من الكشف بشكل متكرر عن 8-هيدروكسي ديوكسي غوانوزين (8-OHdG)، وهو مؤشر حيوي لتلف الحمض النووي.[186]
يمكن أن تتأثر الخصائص الإلكترونية للجرافين بشكل كبير بالركيزة الداعمة. وقد أُجريت دراسات على طبقات أحادية من الجرافين على أسطح السيليكون (100) النظيفة والمُخَمَّلة بالهيدروجين (Si(100)/H).[187] لا يؤثر سطح Si(100)/H على الخصائص الإلكترونية للجرافين، بينما يُحدث التفاعل بين سطح Si(100) النظيف والجرافين تغييراتٍ ملحوظة في الحالات الإلكترونية للجرافين. وينتج هذا التأثير عن الرابطة التساهمية بين ذرات الكربون وذرات السيليكون السطحية، مما يُعدّل شبكة مدارات π لطبقة الجرافين. وتُظهر كثافة الحالات المحلية أن حالات سطح الكربون والسيليكون المرتبطة تتأثر بشدة بالقرب من مستوى فيرمي.
في عام 2013، قدمت مجموعة من العلماء البولنديين وحدة إنتاج تسمح بتصنيع صفائح أحادية الطبقة متصلة.[188] تعتمد هذه العملية على نمو الجرافين على مصفوفة معدنية سائلة.[189] كان يُطلق على ناتج هذه العملية اسم غرافين معدني عالي القوةفي دراسة جديدة نُشرت في مجلة Nature، استخدم الباحثون قطبًا كهربائيًا من طبقة واحدة من الجرافين وتقنية طيفية غير خطية جديدة حساسة للسطح لدراسة الطبقة المائية السطحية على السطح المشحون كيميائيًا كهربائيًا. ووجدوا أن استجابة الماء عند السطح البيني للمجال الكهربائي المطبق غير متناظرة تبعًا لطبيعة المجال المطبق.[190]
يُظهر الجرافين ثنائي الطبقة تأثير هول الكمي الشاذ، قابل للضبط فجوة النطاق[191] وإمكانات تكثيف الإكسيتون[192] مما يجعله مرشحًا واعدًا لـ الكتروضوئي و النانوإلكترونية التطبيقات. يمكن العثور على الجرافين ثنائي الطبقة عادةً إما في الملتوية التكوينات التي تدور فيها الطبقتان بالنسبة لبعضهما البعض أو التكوينات المكدسة الجرافيتية برنال حيث يقع نصف الذرات في طبقة واحدة فوق نصف الذرات في الطبقة الأخرى.[193] يتحكم ترتيب التراص والاتجاه في الخصائص البصرية والإلكترونية للجرافين ثنائي الطبقة.
إحدى طرق تصنيع الجرافين ثنائي الطبقة هي عبر ترسيب الأبخرة الكيميائية، والتي يمكن أن تنتج مناطق ثنائية الطبقة كبيرة تتوافق بشكل حصري تقريبًا مع هندسة رزمة برنال.[193]
لقد ثبت أن طبقتي الجرافين يمكنهما تحمل إجهاد كبير أو عدم تطابق في التطعيم[194] مما سيؤدي في النهاية إلى تقشيرها.
يُظهر الجرافين المضطرب ترابطًا ضعيفًا بين الطبقات، وتزداد المسافة بينها مقارنةً بالجرافين متعدد الطبقات ذي التراص البرنالي. ويحافظ عدم المحاذاة الدورانية على البنية الإلكترونية ثنائية الأبعاد، كما أكدته مطيافية رامان. وتكون قمة D ضعيفة جدًا، بينما تظل قمتي 2D وG بارزتين. ومن السمات المميزة أن I2D/IG قد تتجاوز النسبة 10. ومع ذلك، والأهم من ذلك، أن قمة M، التي تنشأ من تكديس AB، غائبة، بينما TS1 و TS2 تظهر الأنماط في طيف رامان.[195][196] تتشكل المادة من خلال تحويل الكربون غير الجرافيني إلى كربون جرافيني دون توفير طاقة كافية للسماح بإعادة التنظيم من خلال تلدين طبقات الجرافين المجاورة إلى هياكل جرافيتية بلورية.
يُشكّل الجرافين المُكدّس دوريًا ونظيره العازل عنصرًا بنيويًا رائعًا في بناء الشبكات الفائقة عالية الأداء على المستوى الذري، مما يفتح آفاقًا واسعة في تصميم الأجهزة النانوإلكترونية والضوئية. ويمكن الحصول على أنواع مختلفة من الشبكات الفائقة من خلال تكديس الجرافين وأشكاله ذات الصلة.[197] وُجد أن نطاق الطاقة في الشبكات الفائقة ذات الطبقات المتراصة أكثر حساسية لعرض الحاجز من نظيره في الشبكات الفائقة التقليدية لأشباه الموصلات من النوع III-V. عند إضافة أكثر من طبقة ذرية واحدة إلى الحاجز في كل دورة، يمكن تقليل اقتران الدوال الموجية الإلكترونية في آبار الجهد المتجاورة بشكل ملحوظ، مما يؤدي إلى انحلال النطاقات الفرعية المتصلة إلى مستويات طاقة كمية. عند تغيير عرض البئر، تختلف مستويات الطاقة في آبار الجهد على طول اتجاه LM عن تلك الموجودة على طول اتجاه KH.
تُشير الشبكة الفائقة إلى ترتيب دوري أو شبه دوري لمواد مختلفة، ويمكن وصفها بدورة الشبكة الفائقة التي تُضفي تناظرًا انتقاليًا جديدًا على النظام، مما يؤثر على تشتت الفونونات وبالتالي على خصائص النقل الحراري. وقد تم مؤخرًا بنجاح تصنيع هياكل أحادية الطبقة موحدة من الجرافين-بورون نتريد سداسي الأضلاع (hBN) باستخدام تقنية الطباعة الحجرية المقترنة بالترسيب الكيميائي للبخار (CVD).[198] علاوة على ذلك، تعتبر الشبكات الفائقة من الجرافين-hBN أنظمة نموذجية مثالية لتحقيق وفهم النقل الحراري للفونون المتماسك (الموجي) وغير المتماسك (الجسيمي).[199][200][201][202][203]
شرائط نانوية من الجرافين تُظهر "الشرائط النانوية" في اتجاه "الزقزاق" / "الزقزاق")، عند درجات حرارة منخفضة، تيارات حافة معدنية مستقطبة مغناطيسيًا، مما يشير أيضًا إلى تطبيقات في المجال الجديد لـ سبنترونيكس. (في وضعية "الكرسي بذراعين"، تتصرف الحواف مثل أشباه الموصلات).[63])
A نقطة الكم الجرافينية (GQD) عبارة عن جزء من الجرافين بحجم أقل من 100 نانومتر. تختلف خصائص GQD عن خصائص الجرافين "الكتلي" بسبب تأثيرات الحصر الكمي التي لا تظهر إلا عندما يكون الحجم أصغر من 100 نانومتر.[204][205][206]
يُنتج أكسيد الجرافين عادةً من خلال التقشير الكيميائي للجرافيت. ومن التقنيات الشائعة بشكل خاص طريقة هامر المحسّنة.[207] باستخدام تقنيات صناعة الورق على الجرافيت المشتت والمؤكسد والمعالج كيميائياً في الماء، تشكل الرقائق أحادية الطبقة ورقة واحدة وتكوّن روابط قوية. تُسمى هذه الأوراق ورق أكسيد الجرافين، لديك قياس معامل الشد من 32 المعدل التراكمي.[208] ترتبط الخصائص الكيميائية لأكسيد الجرافيت بالمجموعات الوظيفية المرتبطة بألواح الجرافين. ويمكن لهذه المجموعات أن تغير مسار البلمرة والعمليات الكيميائية المشابهة.[209] تُظهر رقائق أكسيد الجرافين في البوليمرات خصائص توصيل ضوئي محسّنة.[210] عادةً ما يكون الجرافين كارهًا للماء وغير منفذ لجميع الغازات والسوائل (محكم الإغلاق). ومع ذلك، عند تشكيله في غشاء شعري قائم على أكسيد الجرافين، يتدفق كل من الماء السائل وبخار الماء من خلاله بنفس سرعة تدفق الغشاء.[211]
يمكن تحضير أجزاء قابلة للذوبان من الجرافين في المختبر[212] من خلال التعديل الكيميائي للجرافيت. أولاً، يُعالج الجرافيت الميكروكريستالي بمزيج حمضي من حمض الكبريتيك و حمض النيتريكتُنتج سلسلة من خطوات الأكسدة والتقشير صفائح صغيرة من الجرافين مع الكربوكسيل يتم تحويل هذه المجموعات إلى حوافها. كلوريد الحمض المجموعات حسب العلاج مع كلوريد الثيونيلثم يتم تحويلها إلى الجرافين المقابل. الأميد عن طريق المعالجة بالأوكتاديسيل أمين. المادة الناتجة (طبقات غرافين دائرية بسمك 5.3 Å أو 5.3 × 10-10 m (السمك) قابل للذوبان في رباعي هيدرو الفوران, رباعي كلور الميثان و ثنائي كلورو الإيثان.
إعادة تسخين أكسيد الجرافين أحادي الطبقة (SLGO) في المذيبات يؤدي ذلك إلى تقليل حجم الصفائح الفردية وثنيها، بالإضافة إلى فقدان وظائف مجموعة الكربوكسيل بنسبة تصل إلى 20%، مما يشير إلى عدم استقرار صفائح SLGO حراريًا اعتمادًا على طريقة تحضيرها. عند استخدام كلوريد الثيونيل، كلوريد الأسيل ينتج عن ذلك مجموعات، والتي يمكن أن تشكل بعد ذلك أميدات أليفاتية وعطرية مع تحويل تفاعلي يبلغ حوالي 70-80٪.
الهيدرازين تُستخدم عملية الارتجاع عادةً لتقليل SLGO إلى SLG(R)، ولكن المعايرات تُظهر النتائج أن حوالي 20-30% فقط من مجموعات الكربوكسيل تُفقد، مما يترك عددًا كبيرًا منها متاحًا للارتباط الكيميائي. يكشف تحليل SLG(R) المُنتَج بهذه الطريقة أن النظام غير مستقر، وأن استخدام التحريك عند درجة حرارة الغرفة مع حمض الهيدروكلوريك (بتركيز أقل من 1.0 مولار) يؤدي إلى فقدان حوالي 60% من وظائف COOH. معالجة SLGO عند درجة حرارة الغرفة بـ الكربوديميدات يؤدي ذلك إلى انهيار الصفائح الفردية إلى تجمعات تشبه النجوم والتي أظهرت تفاعلية ضعيفة لاحقة مع الأمينات (حوالي 3-5% تحويل الوسيط إلى الأميد النهائي).[213] من الواضح أن المعالجة الكيميائية التقليدية لمجموعات الكربوكسيل على أكسيد الجرافين أحادي الطبقة (SLGO) تُحدث تغييرات مورفولوجية في الصفائح الفردية، مما يؤدي إلى انخفاض في التفاعل الكيميائي، وهو ما قد يحد من استخدامها في تصنيع المواد المركبة. لذلك، تم استكشاف أنواع مختلفة من التفاعلات الكيميائية. كما تم تطعيم أكسيد الجرافين أحادي الطبقة (SLGO) بـ بولي أليل أمين، متشابكة من خلال الايبوكسي المجموعات. عند ترشيحها في ورق أكسيد الجرافين، تُظهر هذه المركبات صلابة وقوة متزايدة مقارنة بورق أكسيد الجرافين غير المعدل.[214]
طويل الهدرجة ينتج عن ذلك من كلا جانبي صفيحة الجرافين الجرافانلكن الهدرجة الجزئية تؤدي إلى غرافين مهدرج.[215] وبالمثل، فإن الفلورة من كلا الجانبين للجرافين (أو التقشير الكيميائي والميكانيكي لفلوريد الجرافيت) تؤدي إلى الفلوروغرافين (فلوريد الجرافين)،[216] بينما يؤدي الفلورة الجزئية (والهالوجنة بشكل عام) إلى إنتاج الجرافين المفلور (المهلوجن).
يمكن أن يكون الجرافين يجند لتنسيق المعادن وأيوناتها عن طريق إدخال مجموعات وظيفية. تتشابه هياكل روابط الجرافين مع هياكل المعادن، على سبيل المثال.البورفيرين معقد، معدني-فثالوسيانين معقد، ومعدن-فينانثرولين معقد. يمكن أن ترتبط أيونات النحاس والنيكل بروابط الجرافين.[217][218]
في عام 2011، أبلغ الباحثون عن نهج جديد ولكنه بسيط لتصنيع ألياف الجرافين من أغشية الجرافين التي تم إنتاجها عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار.[219] كانت هذه الطريقة قابلة للتطوير والتحكم، حيث توفر بنية مورفولوجية ومسامية قابلة للتعديل من خلال التحكم في تبخر المذيبات ذات التوتر السطحي المناسب. وقد تم عرض مكثفات فائقة مرنة صلبة بالكامل تعتمد على ألياف الجرافين هذه في عام 2013.[220]
في عام 2015، أدى إدخال شظايا الجرافين الصغيرة في الفجوات التي تشكلها صفائح الجرافين الأكبر حجماً والملفوفة، بعد التلدين، إلى توفير مسارات للتوصيل، بينما ساعدت الشظايا في تقوية الألياف.[جزء من جملة] أظهرت الألياف الناتجة موصلية حرارية وكهربائية أفضل، بالإضافة إلى قوة ميكانيكية أعلى. وبلغت الموصلية الحرارية 1,290 W/m/K (1,290 واط لكل متر لكل كلفن)، بينما بلغت قوة الشد 1,080 ميجا باسكال (157,000 PSI).[221]
في عام 2016، تم إنتاج ألياف الجرافين المستمرة على نطاق الكيلومتر ذات الخصائص الميكانيكية المتميزة والتوصيل الكهربائي الممتاز من خلال الغزل الرطب عالي الإنتاجية لبلورات أكسيد الجرافين السائلة متبوعًا بالجرافيت من خلال استراتيجية هندسة العيوب التآزرية على نطاق واسع.[222] تعد ألياف الجرافين ذات الأداء الفائق واعدة بتطبيقات واسعة في المنسوجات الوظيفية والمحركات خفيفة الوزن والأجهزة الإلكترونية الدقيقة وما إلى ذلك.
تزعم جامعة تسينغهوا في بكين، بقيادة وي فاي من قسم الهندسة الكيميائية، أنها قادرة على إنتاج ألياف أنابيب الكربون النانوية التي تتمتع بقوة شد تبلغ 80 المعدل التراكمي (12,000,000 PSI).[223]
في عام 2013، ثلاثي الأبعاد انخرب تم تسمية الكربون المرتب بشكل سداسي بالجرافين ثلاثي الأبعاد، كما تم إنتاج الجرافين ثلاثي الأبعاد ذاتي الدعم.[224] يمكن تصنيع الهياكل ثلاثية الأبعاد للجرافين باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار أو الطرق القائمة على المحاليل. وقد قدمت مراجعة أجراها خرم وشو وآخرون عام 2016 ملخصًا لأحدث التقنيات آنذاك لتصنيع الهياكل ثلاثية الأبعاد للجرافين والمواد ثنائية الأبعاد الأخرى ذات الصلة.[225] في عام 2013، أبلغ باحثون في جامعة ستوني بروك عن طريقة جديدة للربط المتقاطع تبدأ بالجذور الحرة لتصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد مسامية قائمة بذاتها من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية باستخدام المواد النانوية كعناصر بناء دون أي مصفوفة بوليمرية كدعامة.[226] تُستخدم هذه الهياكل/الرغوات ثلاثية الأبعاد المصنوعة من الجرافين (الكربون بالكامل) في العديد من المجالات مثل تخزين الطاقة، والترشيح، والإدارة الحرارية، والأجهزة الطبية الحيوية والغرسات.[225][227]
الجرافين ذو الشكل الصندوقي (BSG) البنية النانوية يظهر بعد الانقسام الميكانيكي لـ الجرافيت الانحلال الحراري تم الإبلاغ عن ذلك في عام 2016.[228] البنية النانوية المكتشفة عبارة عن نظام متعدد الطبقات من قنوات نانوية مجوفة متوازية تقع على طول السطح ولها مقطع عرضي رباعي الأضلاع. يبلغ سمك جدران القناة حوالي 1 نانومتر. تشمل المجالات المحتملة لتطبيقات BSG: الحساسية الفائقة كشفخلايا تحفيزية عالية الأداء، وقنوات نانوية لـ الحمض النووي التسلسل والتلاعب، وأسطح تبديد الحرارة عالية الأداء، بطاريات قابلة للشحن لتحسين الأداء، الرنانات النانوية الميكانيكيةقنوات تضاعف الإلكترونات في الانبعاث النانوإلكترونية أجهزة ذات سعة عالية مواد ماصة للأمان تخزين الهيدروجين.
كما تم الإبلاغ عن وجود طبقة ثنائية ثلاثية الأبعاد من الجرافين.[229][230]
الجرافين المدعم هو بنية كربونية هجينة تتكون من مصفوفة موجهة من أنابيب الكربون النانوية المتصلة من طرفيها بصفيحة من الجرافين. وقد وُصف نظريًا لأول مرة من قبل جورج فروداكيس وزملائه في جامعة كريت باليونان عام 2008. لم يُصنّع الجرافين المدعم مخبريًا بعد، ولكن يُعتقد أنه قد يمتلك خصائص إلكترونية مفيدة، أو قد يُستخدم كمادة لتخزين الهيدروجين.
غرافين مدعم بـ أنابيب الكربون قضبان التسليح ("حديد التسليح") أسهل في التعامل معها، مع تحسين الخصائص الكهربائية والميكانيكية لكلا المادتين.[231][232]
تُطلى أنابيب الكربون النانوية أحادية أو متعددة الجدران المُعدّلة وظيفيًا على رقائق نحاسية باستخدام تقنية الطلاء الدوراني، ثم تُسخّن وتُبرّد، باستخدام الأنابيب النانوية نفسها كمصدر للكربون. عند التسخين، تصبح الطبقة الوظيفية مجموعات الكربون تتحلل إلى غرافين، بينما تنقسم الأنابيب النانوية جزئيًا وتتشكل في مستوى واحد سندات تساهمية مع الجرافين، مما يزيد من القوة. تكديس π–π تُضفي المجالات مزيدًا من القوة. يمكن للأنابيب النانوية أن تتداخل، مما يجعل المادة موصلًا أفضل من الجرافين القياسي المُنمّى بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار. تربط الأنابيب النانوية بشكل فعال حدود الحبوب توجد هذه التقنية في الجرافين التقليدي، حيث تزيل آثار الركيزة التي رُسبت عليها الصفائح المفصولة لاحقًا باستخدام الترسيب الطبقي.[231]
تم اقتراح استخدام طبقات قليلة كبديل فعال من حيث التكلفة ومرن من الناحية الفيزيائية لـ أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) المستخدم في الشاشات و الخلايا الضوئية.[231]
في عام 2015 ، باحثون من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين (UIUC) طورت نهجًا جديدًا لتشكيل أشكال ثلاثية الأبعاد من صفائح الجرافين المسطحة ثنائية الأبعاد.[233] وُضِعَ غشاءٌ من الجرافين، مُنَقَّطٌ في مُذيبٍ لجعله ينتفخ ويصبح مرنًا، فوق ركيزةٍ أساسيةٍ تُسمى "المُشكِّل". تَبَخَّرَ المُذيبُ بمرور الوقت، تاركًا وراءه طبقةً من الجرافين اتخذت شكل البنية الأساسية. وبهذه الطريقة، تمكنوا من إنتاج مجموعةٍ من الأشكال الدقيقة ذات البنية المجهرية المعقدة نسبيًا.[234] تتراوح الأبعاد من 3.5 إلى 50 ميكرومتر. وقد تم دمج كل من الجرافين النقي والجرافين المزخرف بالذهب بنجاح مع الركيزة.[235]
An ايروجيل تم قياس كثافة مادة مصنوعة من طبقات الجرافين المفصولة بأنابيب الكربون النانوية عند 0.16 ملليغرام لكل سنتيمتر مكعب. يتم تجفيف محلول الجرافين وأنابيب الكربون النانوية في قالب بالتجميد لإزالة الماء منه، تاركًا الهلام الهوائي. تتميز هذه المادة بمرونة وامتصاص فائقين، إذ يمكنها استعادة شكلها بالكامل بعد ضغط يزيد عن 90%، وامتصاص ما يصل إلى 900 ضعف وزنها من الزيت، بمعدل 68.8 غرام في الثانية.[236]
في عام 2015، تم اكتشاف شكل حلزوني من الجرافين في الكربون الجرافيتي (الفحم). وينتج التأثير الحلزوني عن عيوب في الشبكة السداسية للمادة، مما يجعلها تلتف حلزونياً على طول حافتها، محاكيةً بذلك... سطح ريمانمع وجود سطح الجرافين عموديًا تقريبًا على المحور. عند تطبيق جهد كهربائي على هذا الملف، يتدفق التيار حول اللولب، مما يُنتج مجالًا مغناطيسيًا. تنطبق هذه الظاهرة على اللوالب ذات الأنماط المتعرجة أو ذات النمط المتوازي، وإن كانت بتوزيعات تيار مختلفة. أشارت المحاكاة الحاسوبية إلى إمكانية مطابقة محث لولبي تقليدي بقطر 205 ميكرون بملف نانوي لا يتجاوز عرضه 70 نانومترًا، مع شدة مجال تصل إلى 1 تيسلا.[237]
أظهرت دراسة أجراها ياكوبسون وفريقه أن الملفات النانوية اللولبية، التي تم تحليلها باستخدام نماذج حاسوبية في جامعة رايس، قادرة على توليد مجالات مغناطيسية قوية تبلغ حوالي 1 تسلا، أي ما يعادل تقريبًا قوة المجال المغناطيسي في الملفات الموجودة في مكبرات الصوت التقليدية، وقوة المجال المغناطيسي في بعض أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. وقد وجدوا أن المجال المغناطيسي سيكون في أقوى حالاته داخل التجويف النانوي الموجود في مركز الملف اللولبي.[237]
A الملف اللولبي يتصرف الملف المصنوع بهذه الطريقة كموصل كمي يتغير فيه توزيع التيار بين اللب والسطح الخارجي بتغير الجهد المطبق، مما ينتج عنه سلوك غير خطي. الحث.[238]
في 2016، جامعة براون قدّم الباحثون طريقةً لـ"تجعيد" الجرافين، بإضافة تجاعيد إلى المادة على المستوى النانوي. وقد تحقق ذلك بترسيب طبقات من أكسيد الجرافين على غشاء قابل للانكماش، ثم تقليصه، مع إذابة الغشاء قبل تقليصه مرة أخرى على طبقة أخرى من الغشاء. أصبح الجرافين المجعد خارقة للماءوعند استخدام المادة كقطب كهربائي للبطارية، تبين أنها تتمتع بزيادة تصل إلى 400% في الكهروكيميائية كثافة التيار.[239][240]
تم تطوير قائمة متزايدة بسرعة من تقنيات الإنتاج لتمكين استخدام الجرافين في التطبيقات التجارية.[241]
لا يمكن، من حيث المبدأ، تنمية البلورات ثنائية الأبعاد المعزولة عن طريق التخليق الكيميائي إلى أحجام أكبر من الصغيرة، وذلك بسبب النمو السريع لـ فونون تؤدي الكثافة المتزايدة مع ازدياد الحجم الجانبي إلى انحناء البلورات ثنائية الأبعاد نحو البعد الثالث. وفي جميع الحالات، يجب أن يرتبط الجرافين بركيزة ليحافظ على شكله ثنائي الأبعاد.[19]
يمكن إنتاج هياكل الجرافين الصغيرة، مثل النقاط الكمومية والأشرطة النانوية، باستخدام طرق "البناء من الأسفل إلى الأعلى" التي تُركّب الشبكة من جزيئات عضوية أحادية (مثل حمض الستريك والجلوكوز). أما طرق "البناء من الأعلى إلى الأسفل"، فتعتمد على قطع مواد الجرافيت والجرافين الصلبة باستخدام مواد كيميائية قوية (مثل الأحماض المختلطة).
استخدم جيم ونوفوسيلوف في البداية شريط لاصق لفصل صفائح الجرافين عن الجرافيت. يتطلب الحصول على طبقات أحادية عادةً عدة خطوات تقشير. بعد التقشير، تُرسّب الرقائق على رقاقة سيليكون. ويمكن الحصول على بلورات أكبر من 1 مم ومرئية بالعين المجردة.[242]
اعتبارًا من عام 2014، أنتجت عملية التقشير الجرافين بأقل عدد من العيوب وأعلى قدرة على تحريك الإلكترونات.[243]
بدلا من ذلك أ إسفين ماسي حاد أحادي البلورة يخترق مصدر الجرافيت لفصل الطبقات.[244]
في عام 2014، تم تصنيع سوائل خالية من العيوب وغير مؤكسدة تحتوي على الجرافين من الجرافيت باستخدام خلاطات تنتج معدلات قص محلية أكبر من 10 × 104.[245][246]
يُعدّ التقشير القصي طريقة أخرى، وباستخدام خلاط الدوار الثابت، أصبح من الممكن إنتاج الجرافين الخالي من العيوب على نطاق واسع [247] لقد ثبت أنه، كما الاضطراب ليس ضرورياً للتقشير الميكانيكي،[248] سرعة منخفضة طحن الكرة وقد ثبتت فعاليته في إنتاج الجرافين عالي الإنتاجية والقابل للذوبان في الماء.
يمكن إنتاج الجرافين عن طريق تشتيت الجرافيت في وسط سائل. صوتنة تليها الطرد المركزي,[249][250] إنتاج تراكيز 2.1 مجم / مل in N- ميثيل بيروليدون.[251] استخدام مناسب سائل أيوني حيث أن الوسط السائل المشتت ينتج تركيزات من 5.33 مجم / مل.[252] إعادة الترتيب مشكلة في هذه التقنية.
إضافة التوتر السطحي إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي إلى مذيب قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمنع إعادة تكدس الجرافين عن طريق امتصاصها على سطحه. ينتج عن ذلك تركيز أعلى للجرافين، لكن إزالة هذه المادة تتطلب معالجات كيميائية.[بحاجة لمصدر]
معالجة الجرافيت بالموجات فوق الصوتية عند السطح البيني بين اثنين غير قابل للأمتزاج السوائل، وخاصة هيبتان تم إنتاج أغشية غرافين ذات حجم كبير باستخدام الماء. تلتصق صفائح الغرافين بالسطح البيني عالي الطاقة بين المواد، مما يمنعها من إعادة التراص. تتميز هذه الصفائح بشفافية تصل إلى 95% وتوصيل كهربائي.[253]
مع وجود معايير انقسام محددة، فإن الجرافين ذو الشكل الصندوقي (BSG) البنية النانوية يمكن تحضيرها في الجرافيت كريستال.[228]
يمكن إنشاء الجرافين عن طريق الفتح أنابيب الكربون النانوية عن طريق القطع أو الحفر.[254] في إحدى هذه الطرق الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران تُفتح في المحلول بفعل برمنجنات البوتاسيوم و حمض الكبريتيك.[255][256]
في عام 2014، تم تصنيع الجرافين المدعم بأنابيب الكربون النانوية عن طريق الطلاء الدوراني والتلدين لأنابيب الكربون النانوية الوظيفية.[231]
وهناك طريقة أخرى تعتمد على الرش كرات بكي بسرعة تفوق سرعة الصوت على سطح ما. انكسرت الكرات عند الاصطدام، ثم ارتبطت الأقفاص المفتوحة الناتجة معًا لتشكيل طبقة من الجرافين.[257]
أفاد بي. بوهم بإنتاج رقائق أحادية الطبقة من أكسيد الجرافين المختزل في عام 1962.[258][259] يؤدي التسخين السريع لأكسيد الجرافيت والتقشير إلى إنتاج مسحوق كربون عالي التشتت مع نسبة قليلة من رقائق الجرافين.
وهناك طريقة أخرى تتمثل في اختزال أغشية أكسيد الجرافيت أحادية الطبقة، على سبيل المثال عن طريق الهيدرازين مع الصلب in الأرجون/الهدرجة بهيكل كربوني شبه سليم يسمح بإزالة فعالة للمجموعات الوظيفية. تم قياسه شركة الشحن تجاوزت الحركة 1000 سم/فولت.ثانية (10 م/فولت.ثانية).[260]
حرق طبقة من أكسيد الجرافيت دي في دي تم إنتاج غشاء غرافين موصل (1738 سيمنز لكل متر) ومساحة سطحية محددة (1520 متر مربع لكل غرام) كانت مقاومة وقابلة للتشكيل بدرجة عالية.[261]
تم تحضير معلق أكسيد الجرافين المختزل المشتت في الماء باستخدام طريقة التجفيف الحراري المائي دون استخدام أي مواد خافضة للتوتر السطحي. تتميز هذه الطريقة بسهولتها، وقابليتها للتطبيق الصناعي، ومراعاتها للبيئة، وفعاليتها من حيث التكلفة. وأكدت قياسات اللزوجة أن معلق الجرافين الغرواني (سائل الجرافين النانوي) يُظهر سلوكًا نيوتونيًا، حيث تتشابه لزوجته بشكل كبير مع لزوجة الماء.[262]
يمكن أن تتآكل جزيئات الجرافيت في الأملاح المنصهرة لتشكيل مجموعة متنوعة من الهياكل النانوية الكربونية بما في ذلك الجرافين.[263] يمكن تفريغ كاتيونات الهيدروجين المذابة في كلوريد الليثيوم المنصهر على قضبان الجرافيت المستقطبة كاثوديًا، والتي بدورها تتخلل صفائح الجرافين وتقشرها. وقد أظهرت صفائح الجرافين النانوية الناتجة بنية أحادية البلورة بحجم جانبي يبلغ عدة مئات من النانومترات، ودرجة عالية من التبلور والاستقرار الحراري.[264]
يمكن استخدام التخليق الكهروكيميائي لتقشير الجرافين. ويتحكم تغيير الجهد النبضي في سمك الجرافين ومساحة رقائقه وعدد عيوبه، كما يؤثر على خصائصه. تبدأ العملية بغمر الجرافيت في مذيب لعملية التداخل. ويمكن تتبع العملية من خلال مراقبة شفافية المحلول باستخدام مصباح LED وثنائي ضوئي. [265][266]
تم تحضير الجرافين باستخدام السكر (مثل جلوكوز, من السكر, سكر الفاكهةإلخ.) يُعدّ هذا التخليق "من الأسفل إلى الأعلى" الخالي من الركيزة أكثر أمانًا وبساطة وصديقًا للبيئة من التقشير. وتتيح هذه الطريقة التحكم في السُمك، بدءًا من طبقة أحادية وحتى طبقات متعددة، وهو ما يُعرف باسم "طريقة تانغ لاو".[267][268][269][270]
تم إنتاج كميات بالجرام من خلال تفاعل الإيثانول مع صوديوم المعدن، متبوعًا الانحلال الحراري والغسل بالماء.[271]
في عام 2012، تم الإبلاغ عن استخدام طاقة الميكروويف لتصنيع الجرافين مباشرة في خطوة واحدة.[272] تتجنب هذه الطريقة استخدام برمنجنات البوتاسيوم في مزيج التفاعل. كما ورد أنه بمساعدة الإشعاع الميكروي، يمكن تصنيع أكسيد الجرافين، سواءً كان مثقوبًا أم لا، عن طريق التحكم في مدة التسخين بالميكروويف.[273] يمكن للتسخين بالميكروويف أن يقلل بشكل كبير من وقت التفاعل من أيام إلى ثوانٍ.
يمكن أيضًا صنع الجرافين بواسطة الميكروويف التحلل الحراري المائي بمساعدة المعالج.[204][205]
تدفئة أرضية كربيد السيليكون (SiC) إلى درجات حرارة عالية (1100 درجة مئوية) تحت ضغوط منخفضة (حوالي 10-6 تور، أو 10-4 (Pa) يحوّله إلى غرافين.[88][89][90][91][92][274]
نمو الجرافين المتناحي على كربيد السيليكون هي تقنية على مستوى الرقاقة لإنتاج الجرافين. فوقي يمكن ربط الجرافين بالأسطح بشكل ضعيف بما فيه الكفاية (بواسطة قوات فان دير فال) للحفاظ على البعدين بنية النطاق الإلكتروني من الجرافين المعزول.[275]
عادي رقاقة السيليكون مغطى بطبقة من الجرمانيوم (Ge) مغموس في محلول مخفف حمض الهيدروفلوريك يزيل التشكل الطبيعي أكسيد الجرمانيوم تُنتج مجموعات من الجرمانيوم المُنهى بالهيدروجين. ويمكن لتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) أن تُغطي ذلك بالجرافين.[276][277]
التخليق المباشر للجرافين على عازل TiO2 مع ثابت عزل كهربائي عالٍ (κ عالي). وقد ثبت أن عملية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) المكونة من خطوتين تُنمي الجرافين مباشرة على ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂).2 بلورات أو رقائق ثاني أكسيد التيتانيوم2 صفائح نانوية بدون استخدام أي محفز معدني.[278]
يمكن تنمية الجرافين بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار على ركائز معدنية بما في ذلك الروثينيوم،[279] الإيريديوم،[280] النيكل[281] والنحاس.[282][283]
في عام 2014، تم الإعلان عن عملية تصنيع من خطوتين بتقنية اللفائف. تُنتج الخطوة الأولى من هذه العملية الجرافين عبر الترسيب الكيميائي للبخار. أما الخطوة الثانية فتربط الجرافين بالركيزة.[284][285]
وقد زُعم أن إنتاج الجرافين في نظام الترسيب الكيميائي للبخار ذي الجدار البارد المقاوم للتسخين الصناعي ينتج الجرافين أسرع بمئة مرة من أنظمة الترسيب الكيميائي للبخار التقليدية، ويقلل التكاليف بنسبة 99%، وينتج مواد ذات خصائص إلكترونية محسنة.[286][287]
يتميز الجرافين المُنتج بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) بإمكانية التوسع، وقد تم إنتاجه على طبقة رقيقة من النحاس المترسب كعامل حفاز على أغشية السيليكون/ثاني أكسيد السيليكون القياسية بقياس 100 إلى 300 مم2 رقائق[288][289][290] باستخدام نظام Axitron Black Magic. تم تحقيق تغطية أحادية الطبقة من الجرافين بنسبة تزيد عن 95% على ركائز رقائق السيليكون التي يتراوح قطرها من 100 إلى 300 مم مع عيوب ضئيلة، وهو ما تم تأكيده من خلال رسم خرائط رامان المكثفة.[289][290]
يحترق تفاعل شديد الحرارة المغنيسيوم في تفاعل أكسدة واختزال مع ثاني أكسيد الكربون، ينتج جزيئات نانوية كربونية تشمل الجرافين و الفوليرين.[291]
تسارع قطرات الماء فوق صوتية عبر فوهة لافال استُخدمت هذه التقنية لترسيب أكسيد الجرافين المختزل على سطح ما. تعمل طاقة الاصطدام على إعادة ترتيب ذرات الكربون لتكوين جرافين نقي.[292][293]
في 2014، إلى CO
2 ليزر الأشعة تحت الحمراء استُخدمت هذه التقنية لإنتاج شبكات أغشية غرافين مسامية ثلاثية الأبعاد مُنمّطة بتقنية الليزر (LIG) من أغشية بوليمرية تجارية. تتميز المادة الناتجة بموصلية كهربائية عالية ومساحة سطحية كبيرة. تتوافق عملية الحث الليزري مع عمليات التصنيع المتواصلة.[294] تم الإبلاغ عن مادة مماثلة، وهي ألياف الجرافين المحفزة بالليزر (LIGF)، في عام 2018.[295]
في عام 2019، تم اكتشاف التسخين الوميضي لجول (التسخين الكهروحراري العابر بدرجة حرارة عالية) كطريقة لتصنيع الجرافين التوربوستراتي على شكل مسحوق. تتضمن هذه الطريقة التحويل الكهروحراري لمصادر كربونية مختلفة، مثل الكربون الأسود والفحم ومخلفات الطعام، إلى رقائق جرافين بحجم الميكرون.[195][296] أظهرت أعمال حديثة أخرى استخدام النفايات البلاستيكية المختلطة، وإطارات المطاط المستعملة، ورماد التحلل الحراري كمواد أولية للكربون.[297][298][299] يتم التحكم في عملية الجرافين حركيًا، ويتم اختيار جرعة الطاقة للحفاظ على الكربون في حالته الجرافينية (يؤدي إدخال الطاقة المفرط إلى الجرافيتة اللاحقة من خلال التلدين).
تسريع أيونات الكربون داخل مجال كهربائي إلى شبه موصل مصنوع من أغشية رقيقة من النيكل على ركيزة من SiO2/Si، يقوم بإنشاء طبقة من الجرافين خالية من التجاعيد/التمزق/البقايا على مستوى الرقاقة (4 بوصات (100 مم)) عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبلغ 500 درجة مئوية.[300][301]
دمج الجرافين في المواد المستخدمة على نطاق واسع عملية تصنيع CMOS يتطلب تركيبه المباشر الخالي من النقل عازل الركائز عند درجات حرارة أقل من 500 درجة مئوية. عند آي دي إم في عام 2018، قام باحثون من جامعة كاليفورنيا في سانتا بارباراتم عرض عملية جديدة لتصنيع الجرافين متوافقة مع تقنية CMOS عند درجة حرارة 300 درجة مئوية، وهي مناسبة للاستخدام في نهاية خط الإنتاج (beol) التطبيقات.[302][303][304] تتضمن العملية الحالة الصلبة بمساعدة الضغط إذاعة of كربون من خلال رقيقة من المحفز المعدني. وقد أظهرت أغشية الجرافين المصنعة ذات المساحة الكبيرة جودة عالية (عبر رامان التوصيف وما شابه المقاومة النوعية القيم عند مقارنتها بأغشية الجرافين المصنعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار عند درجات حرارة عالية والتي لها نفس المقطع العرضي وصولاً إلى عرض 20 nm.
إلى جانب البحث التجريبي في الجرافين والأجهزة القائمة عليه، يُعدّ نمذجة هذه المواد ومحاكاتها العددية موضوعًا بحثيًا هامًا. توفر صيغة كوبو تعبيرًا تحليليًا لموصلية الجرافين، وتُبيّن أنها دالة لعدة عوامل فيزيائية، بما في ذلك الطول الموجي ودرجة الحرارة والجهد الكيميائي.[305] علاوة على ذلك، تم اقتراح نموذج للتوصيل السطحي يصف الجرافين كطبقة رقيقة للغاية (ذات وجهين) ذات توصيل موضعي ومتجانس. يسمح هذا النموذج باشتقاق تعابير تحليلية للمجال الكهرومغناطيسي في وجود طبقة من الجرافين بدلالة دالة غرين ثنائية (ممثلة باستخدام تكاملات سومرفيلد) وتيار كهربائي مثير.[306] على الرغم من أن هذه النماذج والأساليب التحليلية قادرة على توفير نتائج للعديد من المسائل المعيارية لأغراض التقييم، إلا أن العديد من المسائل العملية المتعلقة بالجرافين، مثل تصميم الأجهزة الكهرومغناطيسية ذات الأشكال المختلفة، يصعب حلها تحليليًا. مع التطورات الحديثة في مجال الكهرومغناطيسية الحاسوبية، أصبحت العديد من الطرق العددية الدقيقة والفعالة متاحة لتحليل تفاعلات المجال/الموجة الكهرومغناطيسية على صفائح الجرافين و/أو الأجهزة القائمة على الجرافين. ويُقترح هنا ملخص شامل للأدوات الحاسوبية المُطوَّرة لتحليل الأجهزة/الأنظمة القائمة على الجرافين.[307]
نظائر الجرافين[308] (يُشار إليها أيضًا باسم "الجرافين الاصطناعي") هي أنظمة ثنائية الأبعاد تُظهر خصائص مشابهة للجرافين. تُدرس نظائر الجرافين بشكل مكثف منذ اكتشاف الجرافين في عام 2004. يسعى الباحثون إلى تطوير أنظمة يسهل فيها رصد خصائصها الفيزيائية والتحكم بها مقارنةً بالجرافين. في هذه الأنظمة، لا تُستخدم الإلكترونات دائمًا كجسيمات، بل قد تُستخدم الفوتونات الضوئية.[309] فوتونات الميكروويف،[310] البلازمونات،[311] بولاريتونات التجويف الدقيق،[312] أو حتى الذرات.[313] كذلك، قد يكون التركيب الشبيه بقرص العسل الذي تتطور فيه تلك الجسيمات ذا طبيعة مختلفة عن ذرات الكربون في الجرافين. ويمكن أن يكون، على التوالي، البلورة الضوئية، مجموعة من قضبان معدنية, النانوية المعدنية، شبكة من تجاويف دقيقة متصلة، أو شعرية بصرية.
الجرافين موصل شفاف ومرن يحمل في طياته إمكانات كبيرة لتطبيقات المواد/الأجهزة المختلفة، بما في ذلك الخلايا الشمسية.[314] الثنائيات الباعثة للضوء (LED)، ولوحات اللمس، والنوافذ أو الهواتف الذكية.[315] تتوفر بالفعل في الأسواق منتجات الهواتف الذكية المزودة بشاشات لمس من الجرافين.
في عام 2013، أعلنت شركة هيد عن مجموعتها الجديدة من مضارب التنس المصنوعة من الجرافين.[316]
اعتبارًا من عام 2015، يوجد منتج واحد متاح للاستخدام التجاري: مسحوق طابعة مشبع بالجرافين.[317] تم اقتراح العديد من الاستخدامات الأخرى للجرافين أو هي قيد التطوير، في مجالات تشمل الإلكترونيات. الهندسة البيولوجية, تصفيةخفيف الوزن/قوي المواد المركبة, الخلايا الكهروضوئية و تخزين الطاقة.[225][318] يُنتج الجرافين عادةً على شكل مسحوق أو على شكل معلق في مصفوفة بوليمرية. ويُفترض أن هذا المعلق مناسب للمواد المركبة المتقدمة.[319][320] الدهانات والطلاءات، ومواد التشحيم، والزيوت والسوائل الوظيفية، والمكثفات والبطاريات، وتطبيقات إدارة الحرارة، ومواد العرض والتغليف، والخلايا الشمسية، والأحبار ومواد الطابعات ثلاثية الأبعاد، والحواجز والأغشية.[321]
في أغسطس 2 ، 2016 ، BACيقال إن طراز Mono الجديد مصنوع من الجرافين، وهو الأول من نوعه في كل من سيارات السباق المخصصة للطرق العامة وسيارات الإنتاج.[322]
في يناير 2018، حلزون قائم على الجرافين لفائف استغلال الحث الحركي تم إثبات ذلك لأول مرة في درجة حرارة الغرفة في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربارا بقيادة كاوستاف بانيرجيكان من المتوقع أن تسمح هذه المحاثات بتصغير كبير في موجة تردد الراديو دورة موحدة التطبيقات.[323][324][325]
لقد برزت إمكانات الجرافين المُرَسَّب على كربيد السيليكون في مجال القياس منذ عام ٢٠١٠، حيث أظهرت دقةً في قياس مقاومة هول الكمومية تصل إلى ثلاثة أجزاء في المليار في طبقة أحادية من الجرافين المُرَسَّب. وعلى مر السنين، تم إثبات دقة تصل إلى أجزاء في التريليون في قياس مقاومة هول، بالإضافة إلى مستويات عالية جدًا من مقاومة هول الكمومية. وقد أدت التطورات في تغليف وتطعيم الجرافين المُرَسَّب إلى تسويق معايير مقاومة هول الكمومية المُرَسَّبة على الجرافين.[326]
في عام 2021، تم إثبات أن مسحوق الجرافين المضاف إليه مواد خافضة للتوتر السطحي، عند إضافته إلى الخرسانة، يحسن من قوة الضغط والشد والانحناء.[327]
تلخص إحدى المراجعات حول سمية الجرافين، التي نشرها لالواني وآخرون عام 2016، ما يلي: المختبر, بإختبارin vivo، التأثيرات المضادة للميكروبات والبيئية، ويسلط الضوء على الآليات المختلفة لسمية الجرافين.[328] ركزت مراجعة أخرى نُشرت عام 2016 من قِبل أو وآخرون على المواد النانوية من عائلة الجرافين (GFNs) وكشفت عن العديد من الآليات النموذجية مثل التدمير الفيزيائي والإجهاد التأكسدي، الحمض النووي الضرر، الاستجابة الالتهابية، موت الخلايا المبرمج, الالتهام الذاتيو التنخر.[329]
أظهرت دراسة أجريت عام 2020 أن سمية الجرافين تعتمد على عدة عوامل مثل الشكل والحجم والنقاء وخطوات المعالجة بعد الإنتاج وحالة الأكسدة والمجموعات الوظيفية وحالة التشتت وطرق التخليق وطريقة وجرعة الإعطاء وأوقات التعرض.[330]
أظهرت الأبحاث التي أجريت في جامعة ستوني بروك عام 2014 أن نانو شرائط الجرافينتُعدّ صفائح الجرافين النانوية وجزيئات الجرافين النانوية البصلية غير سامة بتركيزات تصل إلى 50 ميكروغرام/مل. ولا تُغيّر هذه الجسيمات النانوية من تمايز الخلايا الجذعية لنخاع العظم البشري نحو الخلايا العظمية (العظمية) أو الخلايا الدهنية (الدهون)، مما يُشير إلى أن جسيمات الجرافين النانوية آمنة للاستخدام في التطبيقات الطبية الحيوية عند استخدامها بجرعات منخفضة.[331] في عام 2013، كشف بحثٌ أُجري في جامعة براون أن رقائق الجرافين قليلة الطبقات، التي يبلغ قطرها 10 ميكرومتر، قادرة على اختراق أغشية الخلايا في المحلول. وقد لوحظ أنها تدخل في البداية عبر نقاط حادة ومسننة، مما يسمح للجرافين بالاندماج داخل الخلية. ولا تزال الآثار الفيزيولوجية لهذا الأمر غير معروفة، ويُعدّ هذا المجال غير مستكشف بشكل كافٍ.
المصدر الجرافين - ويكيبيديا
[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]
منذ 1992، Applied Physics تُعدّ شركتنا من الشركات الرائدة عالميًا في مجال توفير معايير دقيقة للتحكم في التلوث وعلم القياس. نتخصص في تصوير تدفق الهواء، ومعايير حجم الجسيمات، وحلول تطهير غرف الأبحاث في البيئات الحساسة.
