الجرافين - ويكيبيديا

الجرافين (/ˈɡræfفيn/^[1]) هو تآصل الكربون تتكون من طبقة واحدة من الذرات مرتبة في ثنائي الأبعاد قرص العسل شعرية^[2][3] النانو.^[4] الاسم مشتق من "الجرافيت" واللاحقة -يني، مما يعكس حقيقة أن الجرافيت يحتوي متآصل الكربون على العديد من الروابط المزدوجة.

كل ذرة في ورقة الجرافين متصلة بأقرب ثلاثة جيران لها بواسطة a σ السنداتويساهم بواحد الإلكترون ل نطاق التوصيل الذي يمتد على الورقة بأكملها. هذا هو نفس نوع الترابط الذي شوهد في أنابيب الكربون النانوية و هيدروكربونات أروماتية متعددة الحلقاتو (جزئيًا) في الفوليرين و الكربون الزجاجي.^[5][6] هذه العصابات التوصيلية تجعل الجرافين أ نصف معدني مع غير عادي الخصائص الإلكترونية هي أفضل ما توصفه نظريات الجسيمات النسبية عديمة الكتلة.^[2] تظهر ناقلات الشحنة في الجرافين اعتمادًا خطيًا ، وليس تربيعيًا ، للطاقة على الزخم ، ويمكن صنع ترانزستورات التأثير الميداني مع الجرافين التي تُظهر التوصيل ثنائي القطب. نقل المسؤول هو البالستية لمسافات طويلة المعروضات المادية كبيرة التذبذبات الكمومية وكبيرة وغير خطية النفاذية المغناطيسية.^[7] يقوم الجرافين بتوصيل الحرارة والكهرباء بكفاءة عالية على طول مستواه. تمتص المادة بقوة الضوء من جميع الأطوال الموجية المرئية ،^[8][9] الذي يمثل اللون الأسود للجرافيت ؛ ومع ذلك ، فإن ورقة الجرافين الواحدة شبه شفافة بسبب نحافتها الشديدة. كما أن المادة أقوى بنحو 100 مرة من أقوى فولاذ بنفس السماكة.^[10][11]

وضع العلماء نظرية للوجود المحتمل وإنتاج الجرافين لعقود. من المحتمل أنه تم إنتاجه بكميات صغيرة دون قصد لعدة قرون ، من خلال استخدام أقلام الرصاص وغيرها من التطبيقات المماثلة للجرافيت. لوحظ في الأصل في المجاهر الإلكترونية في عام 1962 ، ولكن تمت دراستها فقط أثناء الدعم على الأسطح المعدنية.^[12]

في عام 2004 ، تم اكتشاف المواد وعزلها والتحقيق فيها في جامعة مانشستر,^[13][14] by أندريه جيم و كونستانتين نوفوسيلوف. في عام 2010 ، تم منح جيم ونوفوسيلوف جائزة جائزة نوبل في الفيزياء عن "تجاربهم الرائدة فيما يتعلق بالغرافين المادي ثنائي الأبعاد".^[15] أثبت الجرافين عالي الجودة أنه من السهل عزله بشكل مدهش.

أصبح الجرافين قيمة ومفيدة المواد متناهية الصغر نظرًا لقوة الشد العالية بشكل استثنائي ، والتوصيل الكهربائي ، والشفافية ، وكونها أنحف مادة ثنائية الأبعاد في العالم.^[4] بلغ السوق العالمي للجرافين 9 ملايين دولار في عام 2012 ،^[16] مع معظم الطلب من البحث والتطوير في مجال أشباه الموصلات والإلكترونيات ، البطاريات الكهربائية,^[17] و المركبة.

• IUPAC (الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية) يوصي باستخدام اسم "الجرافيت" للمادة ثلاثية الأبعاد ، و "الجرافين" فقط عند مناقشة التفاعلات أو العلاقات الهيكلية أو الخصائص الأخرى للطبقات الفردية.^[18] يتطلب التعريف الأضيق لـ "الجرافين المعزول أو المستقل" أن تكون الطبقة معزولة بشكل كافٍ عن بيئتها ،^[19] ولكنها قد تتضمن طبقات معلقة أو منقولة إلى ثاني أكسيد السيليكون or كربيد السيليكون.^[20]

تاريخ التنمية

هيكل الجرافيت ومركبات الإقحام الخاصة به

في 1859 بنيامين برودي لاحظ للغاية رقائقي هيكل مختزل حراريا أكسيد الجرافيت.^[21][22] في 1916، بيتر ديبيج و P. شيرير تحديد هيكل الجرافيت من قبل حيود مسحوق الأشعة السينية.^[23][24][25] تمت دراسة الهيكل بمزيد من التفصيل بواسطة V. ورق أكسيد الجرافيت.^[26] تم تحديد هيكلها من بلورة واحدة الانعراج عام 1924.^[27][28]

تم استكشاف نظرية الجرافين لأول مرة بواسطة بي آر والاس في عام 1947 كنقطة انطلاق لفهم الخصائص الإلكترونية للجرافيت ثلاثي الأبعاد. عديم الكتلة الناشئة معادلة ديراك تم الإشارة إليه لأول مرة في عام 1984 بشكل منفصل بواسطة جوردون والتر سيمينوف,^[29] وديفيد ب. ديفينسينزو ويوجين جيه ميلي.^[30] أكد سيمينوف حدوثه في مجال مغناطيسي إلكتروني مستوى لانداو على وجه التحديد في نقطة ديراك. هذا المستوى مسؤول عن العدد الصحيح الشاذ تأثير القاعة الكمومية.^[31][32][33]

ملاحظات طبقات الجرافيت الرقيقة والهياكل ذات الصلة

المجهر الإلكتروني للإرسال تم نشر صور (TEM) لعينات رقيقة من الجرافيت تتكون من بضع طبقات من الجرافين بواسطة G. Ruess و F. Vogt في عام 1948.^[34] في النهاية ، لوحظت أيضًا طبقات مفردة مباشرة.^[35] كما لوحظت طبقات مفردة من الجرافيت بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ داخل المواد السائبة ، ولا سيما داخل السخام الناتج عن المواد الكيميائية تقشير.^[6]

في 1961-1962 ، هانس بيتر بوم نشر دراسة عن رقائق الجرافيت الرقيقة للغاية ، وصاغ مصطلح "الجرافين" للبنية الافتراضية أحادية الطبقة.^[36] تشير هذه الورقة إلى رقائق الجرافيت التي تعطي تباينًا إضافيًا مكافئًا يصل إلى ~ 0.4 nm أو 3 طبقات ذرية من الكربون غير المتبلور. كان هذا أفضل حل ممكن لـ 1960s TEMs. ومع ذلك ، لا يمكن في ذلك الوقت ولا اليوم مناقشة عدد الطبقات الموجودة في تلك الرقائق. نحن نعلم الآن أن تباين الغرافين TEM يعتمد بشدة على ظروف التركيز.^[35] على سبيل المثال ، من المستحيل التمييز بين الجرافين أحادي الطبقة المعلق ومتعدد الطبقات من خلال تباينات TEM ، والطريقة الوحيدة المعروفة هي تحليل الشدة النسبية لبقع الانعراج المختلفة. من المحتمل أن يتم تقديم أول ملاحظات موثوقة لـ TEM للطبقات الأحادية في المراجع. 24 و 26 من مراجعة عام 2007 لجيم ونوفوسيلوف.^[2]

بدءًا من 1970s ، سي أوشيما ووصف آخرون طبقات مفردة من ذرات الكربون التي نمت فوق المحاور فوق المواد الأخرى.^[37][38] يتكون هذا "الجرافين الفوقي" من شبكة سداسية سداسية بسمك ذرة واحدة من sp²ذرات الكربون المترابطة ، كما هو الحال في الجرافين القائم بذاته. ومع ذلك ، يوجد نقل شحنة كبير بين المادتين ، وفي بعض الحالات ، تهجين بين مدارات د ذرات الركيزة و π مدارات الجرافين ؛ الذي يغير بشكل كبير الهيكل الإلكتروني مقارنة بهيكل الجرافين القائم بذاته.

تم استخدام مصطلح "الجرافين" مرة أخرى في عام 1987 لوصف صفائح مفردة من الجرافيت كمكوِّن لـ مركبات تقاطع الجرافيت,^[39] والتي يمكن رؤيتها على أنها أملاح بلورية من المواد المتقاربة والجرافين. كما تم استخدامه في أوصاف أنابيب الكربون النانوية by ر. سايتو و ميلدريد و جين دريسيلهاوس في عام 1992، وجد ^[40] والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات في عام 2000 قبل اس وانغ وغيرها.^[41]

بدأت الجهود المبذولة لصنع أغشية رقيقة من الجرافيت بالتقشير الميكانيكي في عام 1990.^[42] استخدمت المحاولات الأولية تقنيات تقشير مشابهة لطريقة الرسم. تم الحصول على عينات متعددة الطبقات حتى سمك 10 نانومتر.^[2]

في 2002، روبرت ب. راذرفورد و ريتشارد ل دودمان قدم ل براءة الإختراع في الولايات المتحدة على طريقة لإنتاج الجرافين عن طريق تقشير الطبقات بشكل متكرر من شريحة الجرافيت الملتصقة بالركيزة ، مما يحقق سمك الجرافيت 0.00001 بوصة (2.5 × 10^-7 متر). كان مفتاح النجاح هو التعرف البصري عالي الإنتاجية للجرافين على ركيزة مختارة بشكل صحيح ، مما يوفر تباينًا بصريًا صغيرًا ولكن ملحوظًا.^[43]

تم تسجيل براءة اختراع أمريكية أخرى في نفس العام من قبل بور زد جانغ و ون سي هوانغ لطريقة لإنتاج الجرافين على أساس التقشير متبوعًا بالاستنزاف.^[44]

العزلة الكاملة والتوصيف

تم عزل الجرافين بشكل صحيح وتمييزه في عام 2004 بواسطة أندريه جيم و كونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر.^[13][14] قاموا بسحب طبقات الجرافين من الجرافيت مع مشترك شريط لاصق في عملية تسمى إما الانقسام الميكروميكانيكي أو شريط لاصق من نوع سكوتش تقنية.^[45] ثم تم نقل رقائق الجرافين إلى رقيقة ثاني أكسيد السيليكون (السيليكا) على طبقة السيليكون لوحة ("رقاقة"). عزلت السيليكا الجرافين كهربائيًا وتفاعلت معها بشكل ضعيف ، مما وفر طبقات من الجرافين شبه محايدة الشحنة. السيليكون الموجود أسفل شافي
₂ يمكن استخدام قطب "البوابة الخلفية" لتغيير كثافة الشحنة في الجرافين على مدى واسع.

نتج عن هذا العمل فوز الاثنين في جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 "للتجارب الرائدة فيما يتعلق بالغرافين المادي ثنائي الأبعاد."^[46][47][45] أثار نشرهم ، وطريقة التحضير السهلة المدهشة التي وصفوها ، "اندفاع الذهب الجرافين". توسع البحث وانقسم إلى العديد من الحقول الفرعية المختلفة ، واستكشف الخصائص الاستثنائية المختلفة للمادة - ميكانيكا الكم ، والكهربائية ، والكيميائية ، والميكانيكية ، والبصرية ، والمغناطيسية ، إلخ.

استكشاف التطبيقات التجارية

منذ أوائل القرن الحادي والعشرين ، عمل عدد من الشركات والمختبرات البحثية على تطوير تطبيقات تجارية للجرافين. في 2000 أ معهد الجرافين الوطني لهذا الغرض في جامعة مانشستر ، بمبلغ 60 مليون GBP التمويل الأولي.^[48] In شمال شرق انجلترا اثنين من الشركات المصنعة التجارية ، مواد الجرافين التطبيقية^[49] و توماس سوان المحدودة^[50][51] بدأت التصنيع. نظم نانومتر كامبريدج^[52] هي منشأة لإنتاج مسحوق الجرافين على نطاق واسع في إيست أنجليا.

الهيكلية

الرابطة

ثلاثة من الأربعة الخارجية-قذيفة تحتل إلكترونات كل ذرة في ورقة الجرافين ثلاثة س² المدارات الهجينة - مزيج من المدارات ق ، ص_x وص_y - التي يتم مشاركتها مع أقرب ثلاث ذرات ، مكونة سندات σ. طول هذه قيود حوالي 0.142 نانومتر.^[53][54]

يشغل الإلكترون ذو الغلاف الخارجي المتبقي ap_z المداري الموجه عموديًا على المستوى. تتهجين هذه المدارات معًا لتشكل نصفين ممتلئين العصابات من الإلكترونات حرة الحركة ، π و π ∗ ، وهما المسؤولتان عن معظم الخصائص الإلكترونية البارزة للجرافين.^[53] التقديرات الكمية الحديثة للاستقرار العطري والحجم المحدد المشتق من المحتوى الحراري للهدرجة (ΔH_{المائية}) تتفق جيدًا مع التقارير الأدبية.^[55]

تكدس أوراق الجرافين لتشكيل الجرافيت مع تباعد بين الكواكب 0.335 nm (3.35 Å).

تظهر أوراق الجرافين في شكل صلب عادةً دليلاً على الانعراج لطبقات الجرافيت (002). هذا صحيح بالنسبة لبعض الهياكل النانوية أحادية الجدار.^[56] ومع ذلك ، تم العثور على الجرافين الخالي من الطبقات مع حلقات (hk0) فقط في قلب بريسولار بصل الجرافيت.^[57] تظهر دراسات TEM وجود أوجه عيوب في أوراق الجرافين المسطحة^[58] وتقترح دور التبلور ثنائي الأبعاد من الذوبان.

علم الهندسة

الشبكة السداسية بناء من الجرافين المعزول أحادي الطبقة يمكن رؤيته مباشرة باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) لألواح الجرافين المعلقة بين قضبان شبكة معدنية^[35] أظهرت بعض هذه الصور "تموجًا" للصفيحة المسطحة ، بسعة تبلغ حوالي نانومتر واحد. قد تكون هذه التموجات متأصلة في المادة نتيجة عدم استقرار البلورات ثنائية الأبعاد ،^[2][59][60] أو قد ينشأ من الأوساخ المنتشرة في كل صور TEM للجرافين. مقاوم للضوء البقايا ، التي يجب إزالتها للحصول على صور ذات دقة ذرية ، قد تكون "كثف"لوحظ في صور TEM ، وقد يفسر التموج الملحوظ.^{[بحاجة لمصدر]}

يظهر الهيكل السداسي أيضًا في مجهر مسح نفقي (STM) صور الجرافين مدعومة على ركائز ثاني أكسيد السيليكون^[61] إن التموج الذي نراه في هذه الصور ناتج عن تشكّل الجرافين في شبكة المادة المترسبة ، وهو ليس جوهريًا.^[61]

استقرار

حسابات أب بادئ الأمر أظهر أن ورقة الجرافين غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية إذا كان حجمها أقل من حوالي 20 نانومتر وتصبح الأكثر استقرارًا الفوليرين (كما هو الحال في الجرافيت) فقط للجزيئات الأكبر من 24,000 ذرة.^[62]

عقارات

إلكتروني

الجرافين عبارة عن فجوة صفرية أشباه الموصلات، لأنه التوصيل و عصابات التكافؤ يجتمع في نقاط ديراك. نقاط ديراك هي ستة مواقع في مساحة الزخمعلى حافة ال منطقة بريلوين، مقسمة إلى مجموعتين غير متكافئتين من ثلاث نقاط. تم تسمية المجموعتين K و K '. تعطي المجموعات الجرافين انحطاط الوادي gv = 2. على النقيض من ذلك ، بالنسبة لأشباه الموصلات التقليدية ، فإن نقطة الاهتمام الأساسية بشكل عام هي ، حيث يكون الزخم صفرًا.^[53] أربع خواص إلكترونية تفصله عن الآخر المادة المكثفة الأنظمة.

ومع ذلك ، إذا لم يعد الاتجاه داخل الطائرة لانهائيًا ، ولكنه محصور ، فإن هيكله الإلكتروني سيتغير. يشار إليها باسم نانو شرائط الجرافين. إذا كان "zig-zag" ، فإن فجوة الحزمة ستظل صفراً. إذا كان "كرسي بذراعين" ، فإن فجوة الحزمة ستكون غير صفرية.

يمكن اعتبار الشبكة السداسية للجرافين على أنها شبكتان مثلثتان متداخلتان. تم استخدام هذا المنظور بنجاح لحساب بنية النطاق لطبقة جرافيت واحدة باستخدام تقريب ملزم محكم.^[53]

الطيف الإلكتروني

تفقد الإلكترونات التي تنتشر عبر شبكة قرص العسل في الجرافين كتلتها بشكل فعال وتنتج شبه الجسيمات التي تم وصفها بواسطة نظير ثنائي الأبعاد لـ معادلة ديراك بدلا من معادلة شرودنجر للدوران-1/2 الجسيمات.^[63][64]

علاقة التشتت

لعب وسائل الإعلام

أدت تقنية الانقسام مباشرة إلى الملاحظة الأولى لتأثير هول الكمي الشاذ في الجرافين في عام 2005 ، بواسطة مجموعة جايم وبواسطة فيليب كيم و يوانبو تشانغ. قدم هذا التأثير دليلًا مباشرًا على توقع الجرافين نظريًا مرحلة بيري من عديم الكتلة فرميون ديراك وأول دليل على طبيعة ديراك فيرميون للإلكترونات.^[31][33] وقد لوحظت هذه الآثار في كتلة الجرافيت بواسطة ياكوف كوبيليفيتش, إيغور أ.لوكيانتشوكوغيرها في 2003-2004.^[65][66]

عندما يتم وضع الذرات على شبكة سداسية الجرافين ، فإن التداخل بين p_z(π) المدارات و s أو ال p_x و p_y المدارات تساوي صفرًا بالتناظر. ال p_z وبالتالي يمكن معالجة الإلكترونات التي تشكل النطاقات π في الجرافين بشكل مستقل. ضمن هذا النطاق التقريبي ، باستخدام تقليدي ضيق ملزم نموذج علاقة التشتت (يقتصر على تفاعلات أقرب الجيران فقط) التي تنتج طاقة الإلكترونات مع متجه الموجة k is^[29][67]

E (kx، ky) = ± γ 0 1 + 4 cos 2 ⁡ 1 2 akx + 4 cos ⁡ 1 2 akx ⋅ cos ⁡ 3 2 aky {displaystyle E (k_ {x}، k_ {y}) = pm، gamma _ {0} {sqrt {1 + 4cos ^ {2} {{tfrac {1} {2}} ak_ {x}} + 4cos {{tfrac {1} {2}} ak_ {x}} cdot cos {{ tfrac {sqrt {3}} {2}} ak_ {y}}}} 

مع طاقة القفز الأقرب (المدارات) γ₀ ≈ 2.8 فولت و ثابت شعرية a 2.46 Å. التوصيل و عصابات التكافؤ، على التوالي ، تتوافق مع علامات مختلفة. مع واحد p_z الإلكترون لكل ذرة في هذا النموذج ، يكون نطاق التكافؤ مشغولاً بالكامل ، بينما يكون نطاق التوصيل شاغرًا. يتلامس الشريطان مع زوايا المنطقة ( K نقطة في منطقة Brillouin) ، حيث توجد كثافة صفرية للحالات ولكن لا توجد فجوة في النطاق. تعرض ورقة الجرافين بالتالي طابعًا شبه معدني (أو شبه موصل ذي فجوة صفرية) ، على الرغم من أنه لا يمكن قول الشيء نفسه عن ورقة الجرافين الملفوفة في أنابيب الكربونبسبب انحناءه. اثنتان من نقاط ديراك الست مستقلة ، في حين أن الباقي متكافئ بالتناظر. على مقربة من K-نقاط الطاقة تعتمد خطيا على متجه الموجة ، على غرار الجسيم النسبي.^[29][68] نظرًا لأن الخلية الأولية للشبكة لها أساس من ذرتين ، فإن وظيفة الموجة له تأثير 2-هيكل سبينور.

نتيجة لذلك ، في الطاقات المنخفضة ، حتى مع إهمال الدوران الحقيقي ، يمكن وصف الإلكترونات بمعادلة تكافئ رسميًا الكتلة عديمة الكتلة معادلة ديراك. ومن ثم ، فإن الإلكترونات والثقوب تسمى ديراك الفرميونات.^[29] هذا الوصف النسبي الزائف يقتصر على حد مراوان، أي لتلاشي بقية الكتلة M₀، مما يؤدي إلى ميزات إضافية مثيرة للاهتمام:^[29][69]

v F σ → ⋅ ∇ ψ (r) = E ψ (r). {displaystyle v_ {F}، {vec {sigma}} cdot nabla psi (mathbf {r})، =، Epsi (mathbf {r}).} 

هنا v_F ~ 10⁶ الآنسة (.003 ج) هو امتداد 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 {r})}  هي دالة الموجة المكونة من عنصرين للإلكترونات ، و E هي طاقتهم.^[63]

المعادلة التي تصف علاقة التشتت الخطي للإلكترونات هي

E (q) = ℏ v F q {displaystyle E (q) = hbar v_ {F} q} 

حيث الموجة q يقاس من منطقة رأس منطقة Brillouin K ، ف = | ك - ك | {displaystyle q = left | mathbf {k} -mathrm {K} right |} ، ويتم تعيين صفر الطاقة ليتزامن مع نقطة ديراك. تستخدم المعادلة صيغة مصفوفة pseudospin التي تصف شبكتين فرعيتين لشبكة قرص العسل.^[68]

انتشار موجة ذرة واحدة

تنتشر موجات الإلكترون في الجرافين داخل طبقة ذرة واحدة ، مما يجعلها حساسة لقرب المواد الأخرى مثل عوازل عالية, الموصلات الفائقة و المغناطيسية الحديدية.

الإلكترون ثنائي القطب ونقل الفتحة

يعرض الجرافين بشكل ملحوظ تنقل الإلكترون في درجة حرارة الغرفة ، مع القيم المبلغ عنها التي تزيد عن 15000 سم²⋅V^-1⋅s^-1.^[2] قابلية التنقل بين الفتحات والإلكترون متماثلة تقريبًا.^[64] التنقل مستقل عن درجة الحرارة بين 10 ك و 100 ك,^[31][70][71] ويظهر تغيرًا طفيفًا حتى في درجة حرارة الغرفة (300 كلفن) ،^[2] مما يعني أن آلية الانتثار السائدة هي نثر العيب. تشتت بواسطة صوت الجرافين الفونونات جوهريًا يحد من التنقل في درجة حرارة الغرفة في الجرافين القائم بذاته إلى 200000 سم²⋅V^-1⋅s^-1 بكثافة حاملة تبلغ 10¹² cm^-2.^[71][72]

المناظرة المقاومة النوعية سيكون من أوراق الجرافين 10^-6 سم. هذا هو أقل من المقاومة فضي، وهي أدنى نسبة معروفة في درجة حرارة الغرفة.^[73] ومع ذلك ، على شافي
₂ الركائز ، تشتت الإلكترونات بواسطة الفونونات الضوئية للركيزة تأثير أكبر من التشتت بفونونات الجرافين الخاصة. هذا يحد من التنقل إلى 40000 سم²⋅V^-1⋅s^-1.^[71]

نقل الشحنات له مخاوف كبيرة بسبب امتزاز الملوثات مثل جزيئات الماء والأكسجين. هذا يؤدي إلى خصائص التباطؤ الرابع غير المتكررة وكبيرة. يجب على الباحثين إجراء القياسات الكهربائية في الفراغ. حماية سطح الجرافين بطلاء بمواد مثل SiN ، PMMA، h-BN ، وما إلى ذلك ، تمت مناقشتها من قبل الباحثين. في يناير 2015 ، تم الإبلاغ عن أول عملية مستقرة لجهاز الجرافين في الهواء على مدى عدة أسابيع ، للجرافين الذي كان سطحه محميًا أكسيد الألمونيوم.^[74][75] في 2015 الليثيوم- الجرافين المطلي المعروض الموصلية الفائقة، وهو الأول من نوعه في الجرافين.^[76]

المقاومة الكهربائية بعرض 40 نانومتر شرائط النانو من التغييرات فوق الجرافين فوق المحور في خطوات منفصلة. تفوق تصرفات الشرائط التوقعات بمعامل 10 أدلة الموجات الضوئية or النقاط الكمومية، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق بسلاسة على طول حواف الشريط. في النحاس ، تزداد المقاومة بما يتناسب مع الطول حيث تواجه الإلكترونات الشوائب.^[77][78]

يسيطر على النقل وضعان. أحدهما باليستي ومستقل عن درجة الحرارة ، والآخر ينشط حرارياً. تشبه الإلكترونات الباليستية تلك الموجودة في الأسطوانية أنابيب الكربون النانوية. في درجة حرارة الغرفة ، تزداد المقاومة بشكل مفاجئ بطول معين - الوضع الباليستي عند 16 ميكرومتر والآخر عند 160 نانومتر (1٪ من الطول السابق).^[77]

يمكن لإلكترونات الجرافين أن تغطي مسافات ميكرومتر دون تشتت ، حتى في درجة حرارة الغرفة.^[63]

على الرغم من كثافة الناقل الصفرية بالقرب من نقاط ديراك ، إلا أن الجرافين يعرض الحد الأدنى الموصلية بأمر من 4 هـ 2 / ساعة {displaystyle 4e ^ {2} / h} . أصل هذا الحد الأدنى من الموصلية لا يزال غير واضح. ومع ذلك ، فإن تموج ورقة الجرافين أو الشوائب المتأينة في شافي
₂ قد تؤدي الركيزة إلى برك محلية من الناقلات التي تسمح بالتوصيل.^[64] تشير العديد من النظريات إلى أن الحد الأدنى من الموصلية يجب أن يكون 4 هـ 2 / (π ساعة) {displaystyle 4e ^ {2} / {(pi} h)} ؛ ومع ذلك ، فإن معظم القياسات مرتبة 4 هـ 2 / ساعة {displaystyle 4e ^ {2} / h}  أو أكبر^[2] وتعتمد على تركيز النجاسة.^[79]

يُظهر الجرافين ذو الكثافة الحاملة القريبة من الصفر موصلية ضوئية موجبة وناقلية ضوئية سلبية بكثافة حاملة عالية. يخضع هذا للتفاعل بين التغييرات الضوئية لكل من الوزن الثقيل ومعدل تشتت الناقل.^[80]

يمكن إرجاع الجرافين المخدر بأنواع غازية مختلفة (متقبلات ومتبرعات) إلى حالة غير مملوءة عن طريق التسخين اللطيف في الفراغ.^[79][81] حتى ل إشابة تركيزات تزيد عن 10¹² cm^-2 لا يظهر تنقل الناقل أي تغيير يمكن ملاحظته.^[81] مخدر الجرافين بوتاسيوم in فراغ فائق في درجات حرارة منخفضة يمكن أن تقلل من التنقل 20 ضعفًا.^[79][82] يمكن عكس تقليل الحركة عند تسخين الجرافين لإزالة البوتاسيوم.

بسبب بعدي الجرافين ، تجزئة الشحنة (حيث تكون الشحنة الظاهرة للجسيمات الكاذبة الفردية في الأنظمة منخفضة الأبعاد أقل من كمية واحدة^[83]) يعتقد أنه يحدث. لذلك قد تكون مادة مناسبة للبناء أجهزة الكمبيوتر الكم^[84] استخدام أنيونيك الدوائر.^[85]

تأثير هول الكمي ذو نصف عدد صحيح

• تأثير القاعة الكمومية هي نسخة ميكانيكية الكم من تأثير القاعة، وهو إنتاج الموصلية المستعرضة (العمودية على التيار الرئيسي) في وجود أ المجال المغنطيسي. تكميم تأثير القاعة σ xy {displaystyle sigma _ {xy}}  في مضاعفات عدد صحيح ("مستوى لانداو") من الكمية الأساسية ه 2 / ساعة {displaystyle e ^ {2} / h}  (أين e هي الشحنة الكهربائية الأولية و h is ثابت بلانك). عادة ما يمكن ملاحظته فقط في حالة النظافة الشديدة السيليكون or مركب الزرنيخ المواد الصلبة في درجات حرارة حول 3 K ومجالات مغناطيسية عالية جدًا.

يُظهر الجرافين تأثير هول الكمي فيما يتعلق بتكميم الموصلية: التأثير غير عادي حيث يتم تغيير تسلسل الخطوات بمقدار 1/2 فيما يتعلق بالتسلسل القياسي ومع عامل إضافي 4. موصلية قاعة الجرافين هي σ xy = ± 4 ⋅ (N + 1/2) e 2 / h {displaystyle sigma _ {xy} = pm {4cdot left (N + 1/2 right) e ^ {2}} / h} ، حيث N هل مستوى لانداو والوادي المزدوج وانحطاط الدوران المزدوج يعطي العامل 4.^[2] هذه الحالات الشاذة موجودة ليس فقط في درجات الحرارة المنخفضة للغاية ولكن أيضًا في درجة حرارة الغرفة ، أي عند حوالي 20 درجة مئوية (293 كلفن).^[31]

هذا السلوك هو نتيجة مباشرة لإلكترونات ديراك اللولبية عديمة الكتلة في الجرافين.^[2][86] في المجال المغناطيسي ، طيفهم له مستوى لانداو مع الطاقة على وجه التحديد عند نقطة ديراك. هذا المستوى هو نتيجة نظرية عطية - سنجر ونصف مملوء بالجرافين المحايد ،^[29] مما يؤدي إلى التوصيل "+1/2" في القاعة.^[32] طبقة الجرافين يُظهر أيضًا تأثير القاعة الكمومية ، ولكن مع حالة واحدة فقط من الشذوذ (أي σ xy = ± 4 ⋅ N ⋅ e 2 / h {displaystyle sigma _ {xy} = pm {4cdot Ncdot e ^ {2}} / h} ). في الشذوذ الثاني ، الهضبة الأولى عند N = 0 غائب ، مما يشير إلى أن الجرافين ثنائي الطبقة يبقى معدنيًا عند نقطة الحياد.^[2]

على عكس المعادن العادية ، تُظهر المقاومة الطولية للجرافين الحد الأقصى بدلاً من الحد الأدنى للقيم المتكاملة لعامل تعبئة Landau في قياسات تذبذبات شوبنيكوف دي هاس، حيث المصطلح متكامل تأثير القاعة الكمومية. تظهر هذه التذبذبات تحول طور لـ π ، والمعروف باسم مرحلة بيري.^[31][64] ينشأ طور بيري بسبب التشرد أو الاعتماد (قفل) الرقم الكمومي للفوسبان الكاذب على زخم الإلكترونات منخفضة الطاقة بالقرب من نقاط ديراك.^[33] يكشف اعتماد التذبذبات على درجة الحرارة عن أن الحاملات لها كتلة سيكلوترون غير صفرية ، على الرغم من كتلتها الفعالة الصفرية في شكلية ديراك فيرميون.^[31]

تم تحضير عينات الجرافين على أغشية نيكل ، وعلى وجه السليكون والوجه الكربوني كربيد السيليكون، إظهار التأثير الشاذ مباشرة في القياسات الكهربائية.^{[87][88][89][90][91][92]} تظهر طبقات الجرافيت على وجه الكربون لكربيد السيليكون واضحة طيف ديراك in زاوية الانبعاث الضوئي التجارب ، ولوحظ التأثير في تجارب الرنين السيكلوتروني وتجارب الأنفاق.^[93]

المجالات المغناطيسية القوية

في المجالات المغناطيسية فوق 10 تيسلا أو حتى الهضاب الإضافية للقاعة الموصلية في σ_xy = ه²/h دوامة ν = 0، ± 1، ± 4 لوحظ.^[94] هضبة في ν = 3^[95] و تأثير هول الكم الكسري at ν = 1/3 تم الإبلاغ عنها أيضًا.^[95][96]

هذه الملاحظات مع ν = 0 ، ± 1 ، ± 3 ، ± 4 تشير إلى أن الانحلال الرباعي (درجتان من الحرية لوادي ودرجتان من الحرية) لمستويات طاقة لانداو قد تم رفعه جزئيًا أو كليًا.

تأثير كازيمير

• تأثير كازيمير هو تفاعل بين الأجسام المحايدة المنفصلة الناتجة عن تقلبات الفراغ الكهروديناميكي. رياضيا يمكن تفسيرها من خلال النظر في الأنماط العادية للحقول الكهرومغناطيسية ، والتي تعتمد صراحة على الحدود (أو المطابقة) على أسطح الأجسام المتفاعلة. نظرًا لأن تفاعل الجرافين / المجال الكهرومغناطيسي قوي بالنسبة لمادة بسماكة ذرة واحدة ، فإن تأثير كازيمير له أهمية متزايدة.^[97][98]

قوة فان دير فال

• قوة فان دير فال (أو قوة التشتت) هي أيضًا غير عادية ، حيث تخضع لمكعب عكسي ، مقارب قوة القانون على النقيض من المعكوس الرباعي المعتاد.^[99]

إلكترونات "ضخمة"

تحتوي خلية وحدة الجرافين على ذرتين متطابقتين من الكربون وحالتين من الطاقة الصفرية: واحدة حيث يقيم الإلكترون على الذرة A ، والأخرى حيث يقيم الإلكترون على الذرة B. ومع ذلك ، إذا كانت الذرتان في خلية الوحدة غير متطابقتين ، يتغير الوضع. هانت وآخرون تظهر ذلك المكان نيتريد البورون سداسي (h-BN) عند التلامس مع الجرافين يمكن أن يغير الإحساس المحتمل عند الذرة A مقابل الذرة B بدرجة كافية بحيث تطور الإلكترونات كتلة وفجوة نطاق مصاحبة تبلغ حوالي 30 ميغا بايت [0.03 إلكترون فولت (eV)].^[100]

يمكن أن تكون الكتلة موجبة أو سلبية. الترتيب الذي يرفع طاقة الإلكترون قليلاً على الذرة A بالنسبة للذرة B يعطيها كتلة موجبة ، بينما الترتيب الذي يرفع طاقة الذرة B ينتج عنه كتلة إلكترون سالبة. الإصداران يتصرفان على حد سواء ولا يمكن تمييزهما عبر التحليل الطيفي البصري. يجب على الإلكترون الذي ينتقل من منطقة كتلة موجبة إلى منطقة كتلة سالبة أن يعبر منطقة وسيطة حيث تصبح كتلته صفراً مرة أخرى. هذه المنطقة خالية من الفجوات وبالتالي فهي معدنية. تعد الأنماط المعدنية التي تحيط بمناطق شبه موصلة ذات كتلة إشارة معاكسة سمة مميزة لمرحلة طوبولوجية وتعرض إلى حد كبير نفس الفيزياء مثل العوازل الطوبولوجية.^[100]

إذا كان من الممكن التحكم في كتلة الجرافين ، فيمكن حصر الإلكترونات في مناطق عديمة الكتلة عن طريق إحاطة مناطق ضخمة بها ، مما يسمح بنمذجة النقاط الكموميةوالأسلاك والتركيبات الأخرى. كما أنها تنتج موصلات أحادية البعد على طول الحدود. هذه الأسلاك ستكون محمية ضد تشتت خلفي ويمكن أن تحمل التيارات دون تبديد.^[100]

السماحية

الجرافين السماحية يختلف مع التردد. على مدى نطاق من الموجات الميكروية إلى ترددات الموجات المليمترية ، يكون حوالي 3.3.^[101] هذه السماحية ، جنبًا إلى جنب مع القدرة على تكوين كل من الموصلات والعوازل ، تعني من الناحية النظرية أنها مضغوطة المكثفات مصنوع من الجرافين يمكنه تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية.

بصري

تنتج الخصائص البصرية الفريدة للجرافين ارتفاعًا غير متوقع غموض لطبقة أحادية ذرية في الفراغ ، ماصة بنسلفانيا ≈ 2.3٪ of ضوء، من المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء.^[8][9][102] هنا، α هل ثابت الهيكل الدقيق. هذا هو نتيجة "الهيكل الإلكتروني منخفض الطاقة غير العادي للجرافين أحادي الطبقة الذي يتميز بالإلكترون والثقب العصابات المخروطية لقاء بعضهم البعض في نقطة ديراك... [الذي] يختلف نوعياً عن الأكثر شيوعًا عصابات ضخمة من الدرجة الثانية".^[8] استنادًا إلى نموذج نطاق Slonczewski – Weiss – McClure (SWMcC) للجرافيت ، يتم إلغاء المسافة بين الذرات وقيمة التنقل والتردد عند حساب التوصيل البصري باستخدام معادلات فرينل في حد الأغشية الرقيقة.

على الرغم من تأكيده تجريبيًا ، إلا أن القياس ليس دقيقًا بدرجة كافية لتحسين التقنيات الأخرى لتحديد ثابت الهيكل الدقيق.^[103]

رنين البلازمون السطحي متعدد المعلمات تم استخدامه لتوصيف كل من السماكة ومعامل الانكسار لأغشية الجرافين النضرة بالبخار الكيميائي (CVD). تم قياس معامل الانكسار وقيم معامل الانقراض عند 670 nm (6.7 × 10^-7 m) الطول الموجي 3.135 و 0.897 على التوالي. تم تحديد السماكة على أنها 3.7 من منطقة 0.5 مم ، والتي توافق مع 3.35 المبلغ عنها لمسافة ذرة الكربون من طبقة إلى طبقة من بلورات الجرافيت.^[104] يمكن استخدام هذه الطريقة أيضًا في تفاعلات الجرافين الخالية من الملصقات في الوقت الفعلي مع المواد العضوية وغير العضوية. علاوة على ذلك ، تم إثبات وجود بلازمونات سطحية أحادية الاتجاه في واجهات الدوران غير التبادلية القائمة على الجرافين نظريًا. من خلال التحكم الفعال في الإمكانات الكيميائية للجرافين ، يمكن ضبط تردد العمل أحادي الاتجاه باستمرار من THz إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة وحتى مرئيًا.^[105] على وجه الخصوص ، يمكن أن يكون عرض النطاق الترددي أحادي الاتجاه أكبر من 1-2 مرات من حيث الحجم في المعدن تحت نفس المجال المغناطيسي ، والذي ينشأ من تفوق كتلة الإلكترون الفعالة الصغيرة للغاية في الجرافين.

الجرافين فجوة الفرقة يمكن ضبطها من 0 إلى 0.25 فولت (حوالي 5 ميكرومتر من الطول الموجي) عن طريق تطبيق الجهد على بوابة مزدوجة طبقة ثنائية الجرافين حقل التأثير الترانزستور (FET) في درجة حرارة الغرفة.^[106] الاستجابة البصرية لـ نانو شرائط الجرافين قابل للضبط في تيراهيرتز النظام بواسطة مجال مغناطيسي مطبق.^[107] تعرض أنظمة الجرافين / أكسيد الجرافين السلوك الكهربائي، مما يسمح بضبط كل من الخصائص البصرية الخطية وفائقة السرعة.^[108]

أساسه الجرافين صريف براج (أحادي البعد البلورة الضوئية) وقد تم تصنيعها وإثبات قدرتها على إثارة الموجات الكهرومغناطيسية السطحية في الهيكل الدوري باستخدام 633 nm (6.33 × 10^-7 m) هو ليزر ني كمصدر للضوء.^[109]

امتصاص مشبع

يمكن أن يصبح هذا الامتصاص الفريد مشبعًا عندما تكون الكثافة الضوئية للإدخال أعلى من قيمة العتبة. يسمى هذا السلوك البصري غير الخطي امتصاص قابل للإشباع وقيمة العتبة تسمى فلوينت التشبع. يمكن تشبع الجرافين بسهولة تحت إثارة قوية فوق المرئي بالقرب من الأشعة تحت الحمراء المنطقة ، بسبب الامتصاص البصري الشامل وفجوة النطاق الصفرية. هذا له صلة بوضع قفل ليزر الألياف، حيث تم تحقيق قفل وضع النطاق الكامل بواسطة جهاز امتصاص قابل للتشبع يعتمد على الجرافين. نظرًا لهذه الخاصية الخاصة ، يتمتع الجرافين بتطبيق واسع في السرعة الفائقة الضوئيات. علاوة على ذلك ، يمكن ضبط الاستجابة الضوئية لطبقات أكسيد الجرافين / الجرافين كهربائيًا.^{[108][110][111][112][113][114]}

يمكن أن يحدث الامتصاص المشبع في الجرافين في نطاق الموجات الدقيقة وتيراهيرتز ، نظرًا لخاصية الامتصاص البصري عريض النطاق. يوضح الامتصاص القابل للتشبع بالميكروويف في الجرافين إمكانية استخدام ميكروويف الجرافين وأجهزة التيراهيرتز الضوئية ، مثل جهاز امتصاص الميكروويف القابل للإشباع ، والمُحدد ، والمستقطب ، ومعالجة إشارات الميكروويف ، وشبكات الوصول اللاسلكية واسعة النطاق.^[115]

تأثير كير غير الخطي

في ظل إضاءة الليزر الأكثر كثافة ، يمكن أن يمتلك الجرافين أيضًا تحول طور غير خطي بسبب البصري اللاخطي تأثير كير. بناءً على قياس المسح z النموذجي للفتحة المفتوحة والمغلقة ، يمتلك الجرافين معامل كير غير خطي عملاق يبلغ 10^-7 cm²⋅ دبليو^-1، ما يقرب من تسعة أوامر من حيث الحجم أكبر من العوازل السائبة.^[116] يشير هذا إلى أن الجرافين قد يكون وسيط كير غير خطي قويًا ، مع إمكانية ملاحظة مجموعة متنوعة من التأثيرات غير الخطية ، وأهمها سوليتون.^[117]

مثير

يتم إجراء حسابات المبدأ الأول مع تصحيحات شبه الجسيمات وتأثيرات الأجسام المتعددة لدراسة الخصائص الإلكترونية والبصرية للمواد القائمة على الجرافين. يتم وصف النهج على أنه ثلاث مراحل.^[118] مع حساب GW ، يتم فحص خصائص المواد القائمة على الجرافين بدقة ، بما في ذلك الجرافين السائب ،^[119] شرائط النانو,^[120] حافة وكرسي ذو أذرع وظيفية السطح ،^[121] شرائط كرسي بذراعين مشبعة بالهيدروجين،^[122] تأثير جوزيفسون في تقاطعات الجرافين SNS مع عيب موضعي واحد^[123] وخصائص تحجيم شريط الكرسي.^[124]

النقل تدور

يُزعم أن الجرافين مادة مثالية لـ سبنترونيكس بسبب صغر حجمها تفاعل تدور - مدار والغياب القريب لحظات مغناطيسية نووية في الكربون (وكذلك ضعيف تفاعل فائق الدقة). الكهرباء تدور الحالي تم إثبات الحقن والكشف حتى درجة حرارة الغرفة.^{[125][126][127]} لوحظ طول تماسك الدوران فوق 1 ميكرومتر في درجة حرارة الغرفة ،^[125] ولوحظ التحكم في قطبية تيار الدوران باستخدام بوابة كهربائية عند درجة حرارة منخفضة.^[126]

الخواص المغناطيسية

المجالات المغناطيسية القوية

تأثير قاعة الكم للجرافين في المجالات المغناطيسية فوق 10 Teslas أو نحو ذلك يكشف عن ميزات إضافية مثيرة للاهتمام. الهضاب الإضافية لموصلية القاعة في σ xy = ν e 2 / h {displaystyle sigma _ {xy} = nu e ^ {2} / h}  دوامة ν = 0، ± 1، ± 4 {displaystyle nu = 0، pm {1}، pm {4}}  لوحظ.^[94] أيضا ، رصد هضبة في ν = 3 {displaystyle nu = 3} ^[95] وتأثير هول الكم الكسري في 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 إلى أن الانحلال الرباعي (درجتان من الحرية لوادي ودرجتان من الحرية) لمستويات طاقة لانداو قد تم رفعه جزئيًا أو كليًا. فرضية واحدة هي أن الحفز المغناطيسي of كسر التماثل هو المسؤول عن رفع الانحطاط.^{[بحاجة لمصدر]}

يمكن أن توجد الخواص المغناطيسية والمغناطيسية في الجرافين في وقت واحد.^[128] تُظهر الشبكات النانوية للجرافين منخفضة العيب المصنعة باستخدام طريقة غير ليثوغرافية سعة كبيرة من المغناطيسية الحديدية حتى في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على تأثير ضخ الدوران للحقول المطبقة بالتوازي مع مستويات الشبكات النانوية المغناطيسية ذات الطبقات القليلة ، بينما لوحظت حلقة التباطؤ المغناطيسية تحت الحقول العمودية.

ركائز مغناطيسية

في عام 2014 ، قام الباحثون بمغناطيس الجرافين عن طريق وضعه على طبقة مغناطيسية ملساء ذريًا الإيتريوم عقيق الحديد. لم تتأثر الخصائص الإلكترونية للجرافين. تضمنت الأساليب السابقة تعاطي المنشطات مع الجرافين بمواد أخرى.^[129] أثر وجود المنشطات سلبًا على خصائصها الإلكترونية.^[130]

الموصلية الحرارية

يعد النقل الحراري في الجرافين مجالًا نشطًا للبحث ، وقد جذب الانتباه بسبب إمكانية تطبيقات الإدارة الحرارية. متابعة التنبؤات للجرافين وما يتصل به أنابيب الكربون النانوية,^[131] القياسات المبكرة الموصلية الحرارية أبلغ من الجرافين المعلق عن موصلية حرارية كبيرة بشكل استثنائي تصل إلى 5300 واط^-1ك^-1,^[132] بالمقارنة مع التوصيل الحراري للتحلل الحراري الجرافيت ما يقرب من 2000 واط^-1ك^-1 في درجة حرارة الغرفة.^[133] ومع ذلك ، فإن الدراسات اللاحقة في المقام الأول على الجرافين الأكثر قابلية للتطوير ولكن الأكثر تشوهًا والمشتق من ترسيب البخار الكيميائي لم تتمكن من إعادة إنتاج قياسات الموصلية الحرارية العالية ، مما ينتج عنه مجموعة واسعة من الموصلات الحرارية بين 1500 - 2500 واط^-1ك^-1 للجرافين طبقة واحدة معلقة.^{[134][135][136][137]} يمكن أن يكون النطاق الكبير في التوصيل الحراري المبلغ عنه ناتجًا عن شكوك كبيرة في القياس بالإضافة إلى الاختلافات في جودة الجرافين وظروف المعالجة. بالإضافة إلى ذلك ، من المعروف أنه عندما يتم دعم طبقة واحدة من الجرافين على مادة غير متبلورة ، يتم تقليل الموصلية الحرارية إلى حوالي 500 - 600 واط^-1ك^-1 في درجة حرارة الغرفة نتيجة تشتت موجات الجرافين الشبكية بواسطة الركيزة ،^[138][139] ويمكن أن يكون أقل بالنسبة لبضعة طبقات من الجرافين المغطى بأكسيد غير متبلور.^[140] وبالمثل ، يمكن أن تساهم المخلفات البوليمرية في انخفاض مماثل في التوصيل الحراري للجرافين المعلق إلى ما يقرب من 500 - 600 واط^-1ك^-1 للجرافين ثنائي الطبقة.^[141]

وقد اقترح أن التركيب النظيري ، ونسبة ¹²C إلى ¹³C، له تأثير كبير على التوصيل الحراري. على سبيل المثال ، نقي نظريا ¹²يحتوي الجرافين C على موصلية حرارية أعلى من النسبة النظيرية 50:50 أو النسبة الطبيعية 99: 1.^[142] يمكن عرضها باستخدام ملف قانون فيدمان-فرانز، أن التوصيل الحراري فونونيهيمن عليها.^[132] ومع ذلك ، بالنسبة لشريط الجرافين المسور ، يتسبب انحياز البوابة المطبق في حدوث أ طاقة فيرمي تحول أكبر بكثير من k_BT يمكن أن يتسبب في زيادة المساهمة الإلكترونية والسيطرة عليها فونون المساهمة في درجات حرارة منخفضة. الموصلية الحرارية الباليستية للجرافين متناحية الخواص.^[143][144]

يمكن رؤية احتمالية حدوث هذه الموصلية العالية من خلال النظر في الجرافيت ، وهو نسخة ثلاثية الأبعاد من الجرافين الطائرة القاعدية الموصلية الحرارية من أكثر من 1000 واط^-1ك^-1 (يمكن مقارنته بـ الماس). في الجرافيت ، تكون الموصلية الحرارية للمحور c (خارج المستوى) أكثر من عامل ~ 100 أصغر بسبب قوى الربط الضعيفة بين المستويات القاعدية وكذلك الأكبر تباعد شعرية.^[145] بالإضافة إلى ذلك ، يظهر أن التوصيل الحراري الباليستي للجرافين يعطي الحد الأدنى من الموصلات الحرارية الباليستية ، لكل وحدة محيط ، وطول الأنابيب النانوية الكربونية.^[146]

على الرغم من طبيعته ثنائية الأبعاد ، يحتوي الجرافين على 2 فونون صوتي أساليب. الوضعان في الطائرة (LA ، TA) لهما خطي علاقة التشتت، في حين أن الوضع خارج الطائرة (ZA) له علاقة تشتت من الدرجة الثانية. نتيجة لهذا ، فإن T² يهيمن T على مساهمة الموصلية الحرارية المعتمدة للأنماط الخطية عند درجات الحرارة المنخفضة^1.5 مساهمة وضع خارج الطائرة.^[146] بعض نطاقات الجرافين فونون تظهر سلبية معلمات Grüneisen.^[147] في درجات الحرارة المنخفضة (حيث لا تزال غير متحمسة لمعظم الأوضاع البصرية ذات معلمات Grüneisen الإيجابية) ، ستكون المساهمة من معلمات Grüneisen السلبية هي المهيمنة و معامل التمدد الحراري (التي تتناسب طرديا مع معاملات Grüneisen) سلبية. تتوافق أدنى معلمات Grüneisen السلبية مع أقل أوضاع ZA الصوتية المستعرضة. تزداد ترددات الفونون لمثل هذه الأوضاع مع زيادة المستوى الداخلي معلمة شعرية لأن الذرات في الطبقة عند التمدد ستكون أقل حرية في التحرك في اتجاه z. هذا مشابه لسلوك الوتر ، والذي عند شده سيكون له اهتزازات ذات سعة أصغر وتردد أعلى. هذه الظاهرة ، المسماة "تأثير الغشاء" ، تنبأ بها ليفشيتز في 1952.^[148]

ميكانيكا

تبلغ كثافة الجرافين (ثنائية الأبعاد) 0.763 مجم 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 تمثيلية ~ 50-60 جيجا باسكال لتمديد الجرافين القائم بذاته لمساحة كبيرة) و معامل يونج (صلابة) قريبة من 1 TPa (150,000,000 PSI). أوضح إعلان نوبل ذلك بالقول إن أرجوحة من الجرافين بمساحة 1 متر مربع ستدعم أرجوحة 4 كجم قطة ولكن يزن فقط بقدر ما يزن أحد شعيرات القط ، عند 0.77 مجم (حوالي 0.001٪ من وزن 1،XNUMX م² من الورق).^[149]

تم تحقيق أحادي الطبقة أحادية الطبقة من الجرافين بزاوية كبيرة مع إجهاد ضئيل ، مما يدل على القوة الميكانيكية لهيكل الكربون النانوي ثنائي الأبعاد. حتى مع التشوه الشديد ، يمكن الحفاظ على قابلية تنقل ممتازة للحامل في الجرافين أحادي الطبقة.^[150]

• ثابت الربيع من صفائح الجرافين المعلقة باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). تم تعليق أوراق الجرافين شافي
₂ التجاويف حيث تم استخدام طرف AFM لتطبيق ضغط على الورقة لاختبار خصائصها الميكانيكية. كان ثابت الربيع في حدود 1-5 نيوتن / م وكانت الصلابة 0.5 تيرا باسكال، والذي يختلف عن ذلك الموجود في الجرافيت السائب. يمكن أن تؤدي هذه الخصائص الجوهرية إلى تطبيقات مثل NEMS كمستشعرات ضغط ورنانات.^[151] نظرًا لطاقة سطحها الكبيرة وخروجها من ليونة مستوية ، فإن صفائح الجرافين المسطحة غير مستقرة فيما يتعلق بالتمرير ، أي الانحناء إلى شكل أسطواني ، وهو حالة الطاقة المنخفضة.^[152]

كما هو الحال مع جميع المواد ، تخضع مناطق الجرافين للتقلبات الحرارية والكمية في الإزاحة النسبية. على الرغم من أن سعة هذه التقلبات محدودة في الهياكل ثلاثية الأبعاد (حتى في حدود الحجم اللانهائي) ، نظرية ميرمين-واجنر يوضح أن سعة تقلبات الأطوال الموجية الطويلة تنمو لوغاريتميًا بمقياس بنية ثنائية الأبعاد ، وبالتالي ستكون غير محدودة في الهياكل ذات الحجم اللامتناهي. يتأثر التشوه المحلي والإجهاد المرن بشكل إهمال بهذا الاختلاف طويل المدى في الإزاحة النسبية. يُعتقد أن الهيكل ثنائي الأبعاد الكبير بدرجة كافية ، في حالة عدم وجود توتر جانبي مطبق ، سوف ينحني ويتجعد ليشكل بنية ثلاثية الأبعاد متقلبة. لاحظ الباحثون تموجات في طبقات معلقة من الجرافين ،^[35] وقد اقترح أن التموجات ناتجة عن التقلبات الحرارية في المادة. كنتيجة لهذه التشوهات الديناميكية ، فإنه من الممكن مناقشة ما إذا كان الجرافين هو بالفعل هيكل ثنائي الأبعاد.^{[2][59][60][153][154]} لقد ثبت مؤخرًا أن هذه التموجات ، إذا تم تضخيمها من خلال إدخال عيوب في الوظائف الشاغرة ، يمكن أن تنقل نتائج سلبية نسبة بواسون إلى الجرافين ، مما يؤدي إلى نحافة مساعد المواد المعروفة حتى الآن.^[155]

تم دمج صفائح الجرافين النانوية في مصفوفة ني من خلال عملية طلاء لتشكيل مركبات ني-جرافين على ركيزة مستهدفة. يُعزى التحسن في الخواص الميكانيكية للمركبات إلى التفاعل العالي بين النيكل والجرافين ومنع الانزلاق في مصفوفة النيكل بواسطة الجرافين.^[156]

كسر صلابة

في عام 2014 ، والباحثين من جامعة رايس و معهد جورجيا للتكنولوجيا أشار إلى أنه على الرغم من قوته ، فإن الجرافين هش نسبيًا أيضًا ، حيث تبلغ صلابة الكسر حوالي 4 ميغا باسكال.^[157] يشير هذا إلى أنه من المحتمل أن يتشقق الجرافين غير الكامل بطريقة هشة مثل مواد خزفية، على عكس العديد من المواد المعدنية التي تميل إلى أن تكون صلابة الكسر في نطاق 15-50 ميغا باسكال. في وقت لاحق من عام 2014 ، أعلن فريق رايس أن الجرافين أظهر قدرة أكبر على توزيع القوة الناتجة عن الاصطدام أكثر من أي مادة معروفة ، أي عشرة أضعاف قوة الفولاذ لكل وحدة وزن.^[158] تم نقل القوة بسرعة 22.2 كيلومترًا في الثانية (13.8 ميل / ثانية).^[159]

الجرافين متعدد البلورات

طرق مختلفة - أبرزها ، ترسيب الأبخرة الكيميائية (CVD) ، كما تمت مناقشته في القسم أدناه - تم تطويره لإنتاج الجرافين على نطاق واسع اللازم لتطبيقات الجهاز. غالبًا ما تصنع مثل هذه الطرق الجرافين متعدد البلورات.^[160] تتأثر الخواص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات بطبيعة العيوب ، مثل حدود الحبوب (GB) و الوظائف الشاغرةالموجودة في النظام ومتوسط ​​حجم الحبوب. كيفية تغير الخواص الميكانيكية مع مثل هذه العيوب تم التحقيق فيها من قبل الباحثين نظريًا وتجريبيًا.^{[161][160][162][163]}

تحتوي حدود حبيبات الجرافين عادةً على أزواج سباعية وخماسية. يعتمد ترتيب هذه العيوب على ما إذا كان GB في اتجاه متعرج أو كرسي بذراعين. يعتمد ذلك أيضًا على زاوية إمالة GB.^[164] في عام 2010 ، توقع باحثون من جامعة براون حسابيًا أنه مع زيادة زاوية الميل ، تزداد قوة حدود الحبوب أيضًا. لقد أظهروا أن الحلقة الأضعف في حدود الحبوب هي الروابط الحرجة للحلقات السباعية. مع زيادة زاوية حدود الحبوب ، يقل الضغط في حلقات سباعي الأضلاع هذه ، مما يتسبب في أن تكون حدود الحبوب أقوى من GBs ذات الزاوية السفلية. اقترحوا أنه ، في الواقع ، بالنسبة للزاوية الكبيرة بما فيه الكفاية GB ، فإن قوة GB تشبه الجرافين الأصلي.^[165] في عام 2012 ، تبين أيضًا أن القوة يمكن أن تزيد أو تنقص ، اعتمادًا على الترتيبات التفصيلية للعيوب.^[166] منذ ذلك الحين تم دعم هذه التنبؤات من خلال الأدلة التجريبية. في دراسة أجريت عام 2013 بقيادة مجموعة جيمس هون ، قام الباحثون بفحص المرونة صلابة و قوة من الجرافين المزروع بأمراض القلب والأوعية الدموية من خلال الجمع بين المسافة البادئة النانوية والدقة العالية TEM. وجدوا أن الصلابة المرنة متطابقة وأن القوة أقل قليلاً من تلك الموجودة في الجرافين الأصلي.^[167] في نفس العام ، فحص باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس الجرافين ثنائي البلورات باستخدام TEM و AFM. ووجدوا أن قوة حدود الحبيبات تميل بالفعل إلى الزيادة مع زاوية الميل.^[168]

في حين أن وجود الوظائف الشاغرة ليس سائدًا فقط في الجرافين متعدد البلورات ، يمكن أن يكون للوظائف الشاغرة تأثيرات كبيرة على قوة الجرافين. الإجماع العام هو أن القوة تتناقص مع زيادة كثافة الوظائف الشاغرة. في الواقع ، أظهرت العديد من الدراسات أنه بالنسبة للجرافين مع كثافة منخفضة بدرجة كافية للوظائف الشاغرة ، لا تختلف القوة بشكل كبير عن قوة الجرافين الأصلي. من ناحية أخرى ، يمكن للكثافة العالية للوظائف الشاغرة أن تقلل بشدة من قوة الجرافين.^[162]

بالمقارنة مع الطبيعة المفهومة جيدًا لتأثير حدود الحبوب والوظائف الشاغرة على الخصائص الميكانيكية للجرافين ، لا يوجد إجماع واضح على التأثير العام لمتوسط ​​حجم الحبوب على قوة الجرافين متعدد الكريستالات.^{[161][162][163]} في الواقع ، أدت ثلاث دراسات نظرية / حسابية ملحوظة حول هذا الموضوع إلى ثلاثة استنتاجات مختلفة.^{[169][170][171]} أولاً ، في عام 2012 ، درس Kotakoski و Myer الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد الكريستالات باستخدام "نموذج ذري واقعي" ، باستخدام الديناميات الجزيئية محاكاة (MD). لمحاكاة آلية نمو الأمراض القلبية الوعائية ، تم اختيارهم عشوائيًا أولاً تنوي المواقع التي تم اختيارها على الأقل 5A (بشكل تعسفي) بصرف النظر عن المواقع الأخرى. تم إنشاء الجرافين متعدد البلورات من مواقع التنوي هذه وتم تلدينها لاحقًا عند 3000 كلفن ، ثم إخمادها. بناءً على هذا النموذج ، وجدوا أن الشقوق تبدأ عند تقاطعات حدود الحبيبات ، لكن حجم الحبيبات لا يؤثر بشكل كبير على القوة.^[169] ثانيًا ، في عام 2013 ، Z. Song et al. استخدمت محاكاة MD لدراسة الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد الكريستالات مع حبيبات سداسية الحجم موحدة الحجم. كانت الحبوب السداسية موجهة في اتجاهات شعرية مختلفة وتتكون GBs من حلقات كربون سباعية وخماسية وحلقة سداسية. كان الدافع وراء هذا النموذج هو أن أنظمة مماثلة قد لوحظت تجريبياً في رقائق الجرافين المزروعة على سطح النحاس السائل. بينما لاحظوا أيضًا أن الكراك يبدأ عادةً عند التقاطعات الثلاثية ، وجدوا أنه مع انخفاض حجم الحبوب ، تزداد قوة إنتاج الجرافين. بناءً على هذه النتيجة ، اقترحوا أن الكريستالات يتبع الزائفة علاقة هول-بيتش.^[170] ثالثًا ، في عام 2013 ، زد دي شا وآخرون. درس تأثير حجم الحبيبات على خواص الجرافين متعدد البلورات عن طريق نمذجة رقع الحبوب باستخدام البناء فورونوي. تتألف GBs في هذا النموذج من سباعي ، وخماسي ، ومسدس ، بالإضافة إلى مربعات وثمانيات وشواغر. من خلال محاكاة MD ، على عكس الدراسة المذكورة سابقًا ، وجدوا علاقة عكسية بين Hall-Petch ، حيث تزداد قوة الجرافين مع زيادة حجم الحبوب.^[171] كما أعطت الملاحظات التجريبية والتنبؤات النظرية الأخرى استنتاجات مختلفة ، مماثلة لتلك الثلاثة المذكورة أعلاه.^[163] توضح هذه التناقضات مدى تعقيد التأثيرات التي تحدثها حجم الحبيبات وترتيبات العيوب وطبيعة العيوب على الخواص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات.

مادة كيميائية

الجرافين نظري مساحة محددة (SSA) من 2630 m²/g. هذا أكبر بكثير مما تم الإبلاغ عنه حتى الآن بالنسبة لأسود الكربون (عادةً ما يكون أصغر من 900 m²/g) أو للأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) ، من -100 إلى 1000 m²/g و يشبه كربون مفعل.^[172] الجرافين هو الشكل الوحيد للكربون (أو المادة الصلبة) حيث تتوفر كل ذرة للتفاعل الكيميائي من جانبين (بسبب الهيكل ثنائي الأبعاد). الذرات الموجودة على حواف ورقة الجرافين لها تفاعل كيميائي خاص. يحتوي الجرافين على أعلى نسبة من ذرات الحواف من أي نوع التآزر. تزيد العيوب داخل الصفيحة من تفاعلها الكيميائي.^[173] درجة حرارة بداية التفاعل بين المستوى الأساسي للجرافين أحادي الطبقة وغاز الأكسجين أقل من 260 درجة مئوية (530 كلفن).^[174] يحترق الجرافين عند درجة حرارة منخفضة جدًا (على سبيل المثال ، 350 درجة مئوية (620 كلفن)).^[175] يتم تعديل الجرافين بشكل شائع بمجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين والنيتروجين ويتم تحليله بواسطة التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والتحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية. ومع ذلك ، فإن تحديد هياكل الجرافين بالأكسجين-^[176] والنيتروجين-^[177] تتطلب المجموعات الوظيفية التحكم في الهياكل بشكل جيد.

في 2013، جامعة ستانفورد أفاد الفيزيائيون أن الجرافين أحادي الطبقة أكثر تفاعلًا كيميائيًا بمئات المرات من الألواح متعددة الطبقات السميكة.^[178]

يمكن للجرافين إصلاح الثقوب في صفائحه ذاتيًا ، عند تعرضه لجزيئات تحتوي على الكربون ، مثل الهيدروكربونات. تم قصفها بذرات كربون نقية ، الذرات تتماشى تمامًا مع السداسيات، تملأ الثقوب بالكامل.^[179][180]

بيولوجي

على الرغم من النتائج الواعدة في دراسات الخلايا المختلفة وإثبات دراسات المفاهيم ، لا يزال هناك فهم غير كامل للتوافق الحيوي الكامل للمواد القائمة على الجرافين.^[181] تتفاعل سلالات الخلايا المختلفة بشكل مختلف عند تعرضها للجرافين ، وقد ثبت أن الحجم الجانبي لرقائق الجرافين والشكل وكيمياء السطح يمكن أن تثير استجابات بيولوجية مختلفة على نفس خط الخلية.^[182]

هناك دلائل تشير إلى أن الجرافين واعد كمواد مفيدة للتفاعل مع الخلايا العصبية. تظهر الدراسات على الخلايا العصبية المستنبتة نجاحًا محدودًا.^[183][184]

يحتوي الجرافين أيضًا على بعض الفوائد في علم تكوين العظام. اكتشف الباحثون في مركز أبحاث الجرافين في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) في عام 2011 قدرة الجرافين على تسريع التمايز العظمي للإنسان. الخلايا الجذعية الوسيطة دون استخدام محفزات الكيمياء الحيوية.^[185]

يمكن استخدام الجرافين في أجهزة الاستشعار الحيوية ؛ في عام 2015 ، أظهر الباحثون أنه يمكن استخدام جهاز استشعار يعتمد على الجرافين لاكتشاف العلامات الحيوية لمخاطر الإصابة بالسرطان. على وجه الخصوص ، باستخدام الجرافين فوق المحور على كربيد السيليكون ، تمكنوا بشكل متكرر من اكتشاف 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG) ، وهو مرقم حيوي لتلف الحمض النووي.^[186]

الركيزة الداعمة

يمكن أن تتأثر خاصية إلكترونيات الجرافين بشكل كبير بالركيزة الداعمة. تم إجراء دراسات لطبقات الجرافين الأحادية على أسطح السيليكون النظيف والهيدروجين (H) (100) (Si (100) / H).^[187] لا يزعج سطح Si (100) / H الخصائص الإلكترونية للجرافين ، في حين أن التفاعل بين سطح Si النظيف (100) والجرافين يغير الحالات الإلكترونية للجرافين بشكل كبير. ينتج هذا التأثير عن الترابط التساهمي بين ذرات C و Si السطحية ، مما يؤدي إلى تعديل الشبكة المدارية لطبقة الجرافين. تُظهر الكثافة المحلية للحالات أن حالات سطح C و Si المرتبطة مضطربة للغاية بالقرب من طاقة Fermi.

استمارات

صفائح أحادية الطبقة

في عام 2013 ، قدمت مجموعة من العلماء البولنديين وحدة إنتاج تسمح بتصنيع ألواح أحادية الطبقة المستمرة.^[188] تعتمد العملية على نمو الجرافين على مصفوفة فلزية سائلة.^[189] تم استدعاء منتج هذه العملية الجرافين المعدني عالي القوة. في دراسة جديدة نُشرت في دورية Nature ، استخدم الباحثون قطبًا كهربيًا واحدًا من الجرافين وتقنية مطيافية غير خطية حساسة للسطح لاستكشاف الطبقة المائية الأعلى على السطح المشحون كهربيًا. وجدوا أن استجابة المياه السطحية للمجال الكهربائي المطبق غير متماثلة فيما يتعلق بطبيعة المجال المطبق.^[190]

طبقة الجرافين

يعرض الجرافين ثنائي الطبقات تأثير هول الكم الشاذ، قابل للضبط فجوة الفرقة^[191] وإمكانات التكثيف الاستثنائي^[192] - جعلها مرشحاً واعداً لها الكتروضوئي و النانو الكترونيك التطبيقات. يمكن العثور على الجرافين ثنائي الطبقات عادةً إما بتنسيق الملتوية تكوينات حيث يتم تدوير الطبقتين بالنسبة لبعضهما البعض أو تكوينات برنال الجرافيتية المكدسة حيث تقع نصف الذرات في طبقة واحدة فوق نصف الذرات في 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 مكدس Bernal.^[193]

لقد ثبت أن طبقتين من الجرافين يمكنهما تحمل ضغط مهم أو عدم تطابق المنشطات^[194] مما يؤدي في النهاية إلى تقشيرها.

الجرافين التوربيني

يُظهر الجرافين التوربيني التوربيني اقترانًا ضعيفًا للطبقات البينية ، ويزداد التباعد فيما يتعلق بالجرافين متعدد الطبقات المكدس من Bernal. يحافظ الاختلال الدوراني على الهيكل الإلكتروني ثنائي الأبعاد ، كما أكد مطياف رامان. ذروة D ضعيفة للغاية ، في حين أن القمتين 2D و G تظل بارزة. ميزة غريبة إلى حد ما هي أن أنا_2D/I_G يمكن أن تتجاوز النسبة 10. ومع ذلك ، الأهم من ذلك ، أن الذروة M ، التي تنشأ من التكديس AB ، غائبة ، في حين أن TS₁ و TS₂ أوضاع مرئية في طيف رامان.^[195][196] تتشكل المادة من خلال تحويل الكربون غير الجرافيني إلى كربون الجرافين دون توفير طاقة كافية للسماح بإعادة التنظيم من خلال تلدين طبقات الجرافين المجاورة إلى هياكل جرافيت بلورية.

شبكات الجرافين الفائقة

يوفر الجرافين المتراكم بشكل دوري وتماثله العازل عنصرًا هيكليًا رائعًا في تنفيذ شبكات فائقة الأداء عالية الوظائف على المستوى الذري ، مما يوفر إمكانيات في تصميم الأجهزة الإلكترونية النانوية والفوتونية. يمكن الحصول على أنواع مختلفة من الشبكات الفائقة عن طريق تكديس الجرافين والأشكال المرتبطة به.^[197] تم العثور على نطاق الطاقة في الشبكات الفائقة المكدسة الطبقات أكثر حساسية لعرض الحاجز من تلك الموجودة في الشبكات الفائقة من أشباه الموصلات التقليدية III-V. عند إضافة أكثر من طبقة ذرية إلى الحاجز في كل فترة ، يمكن تقليل اقتران الوظائف الموجية الإلكترونية في الآبار المحتملة المجاورة بشكل كبير ، مما يؤدي إلى تدهور النطاقات الفرعية المستمرة إلى مستويات طاقة كمية. عند تغيير عرض البئر ، تتصرف مستويات الطاقة في الآبار المحتملة على طول اتجاه LM بشكل متميز عن تلك الموجودة على طول اتجاه KH.

تتوافق الشبكة الفائقة مع الترتيب الدوري أو شبه الدوري للمواد المختلفة ، ويمكن وصفها بفترة الشبكة الفائقة التي تمنح تناظرًا انتقاليًا جديدًا للنظام ، مما يؤثر على تشتت الفونون وبالتالي خصائص النقل الحراري. في الآونة الأخيرة ، تم تصنيع هياكل أحادية الطبقة موحدة من الجرافين- hBN بنجاح عبر نقش الطباعة الحجرية المقترنة بترسيب البخار الكيميائي (CVD).^[198] علاوة على ذلك ، تعد الشبكات الفائقة من الجرافين- hBN أنظمة نموذجية مثالية لتحقيق وفهم النقل الحراري للفونون المتماسك (الشبيه بالموجة) وغير المتماسك (الشبيه بالجسيمات).^{[199][200][201][202][203]}

نانو شرائط الجرافين

نانو شرائط الجرافين ("الشرائط النانوية" في الاتجاه "المتعرج" / "المتعرج") ، عند درجات الحرارة المنخفضة ، تُظهر تيارات حافة معدنية مستقطبة بالدوران ، والتي تقترح أيضًا تطبيقات في مجال جديد سبنترونيكس. (في اتجاه "الكرسي بذراعين" ، تتصرف الحواف مثل أشباه الموصلات.^[63])

نقاط الجرافين الكمومية

A نقطة الكم الجرافين (GQD) عبارة عن جزء من الجرافين بحجم أقل من 100 نانومتر. تختلف خصائص GQDs عن الجرافين "السائب" نظرًا لتأثيرات الحبس الكمومي التي لا تظهر إلا عندما يكون الحجم أصغر من 100 نانومتر.^{[204][205][206]}

أكسيد الجرافين

ينتج أكسيد الجرافين عادة من خلال التقشير الكيميائي للجرافيت. تقنية شائعة بشكل خاص هي طريقة هامر المحسنة.^[207] باستخدام تقنيات صنع الورق على الجرافيت المشتت والمؤكسد والمعالج كيميائيًا في الماء ، تشكل رقائق أحادية الطبقة ورقة واحدة وتخلق روابط قوية. هذه الأوراق ، ودعا ورق أكسيد الجرافين، يكون لها قياس معامل الشد من 32 المعدل التراكمي.^[208] ترتبط الخاصية الكيميائية لأكسيد الجرافيت بالمجموعات الوظيفية المرتبطة بأوراق الجرافين. هذه يمكن أن تغير مسار البلمرة والعمليات الكيميائية المماثلة.^[209] تعرض رقائق أكسيد الجرافين في البوليمرات خصائص محسنة للتوصيل الضوئي.^[210] عادةً ما يكون الجرافين كارهًا للماء وغير منفذ لجميع الغازات والسوائل (محكم التفريغ). ومع ذلك ، عند تشكيله في غشاء شعري قائم على أكسيد الجرافين ، يتدفق كل من الماء السائل وبخار الماء بسرعة كما لو لم يكن الغشاء موجودًا.^[211]

التعديل الكيميائي

يمكن تحضير أجزاء قابلة للذوبان من الجرافين في المختبر^[212] من خلال التعديل الكيميائي للجرافيت. أولاً ، يتم معالجة الجرافيت الجريزوفولفين بمزيج حمضي من حامض الكبريتيك و حمض النيتريك. سلسلة من خطوات الأكسدة والتقشير تنتج ألواح جرافين صغيرة بها كربوكسيل مجموعات في حوافها. يتم تحويل هذه إلى كلوريد الحمض مجموعات حسب العلاج مع كلوريد الثيونيل؛ بعد ذلك ، يتم تحويلها إلى الجرافين المقابل الأميد عن طريق العلاج بأوكتاديسيل أمين. المادة الناتجة (طبقات الجرافين الدائرية من 5.3 Å أو 5.3 × 10^-10 m سمك) قابل للذوبان في رباعي هيدرو الفوران, رباعي كلور الميثان و ثنائي كلورو الإيثان.

إعادة تدفق أكسيد الجرافين أحادي الطبقة (SLGO) في المذيبات يؤدي إلى تقليل حجم الأوراق الفردية وطيها بالإضافة إلى فقدان وظائف المجموعة الكربوكسيلية ، بنسبة تصل إلى 20٪ ، مما يشير إلى عدم الاستقرار الحراري لألواح SLGO التي تعتمد على منهجية تحضيرها. عند استخدام كلوريد الثيونيل ، كلوريد الأسيل ينتج عن المجموعات ، والتي يمكن أن تشكل بعد ذلك أميدات أليفاتية وعطرية مع تحويل تفاعلي بحوالي 70-80٪.

الهيدرازين يستخدم الارتجاع بشكل شائع لتقليل SLGO إلى SLG (R) ، ولكن المعايرة أظهر أن حوالي 20-30٪ فقط من المجموعات الكربوكسيلية تُفقد ، مما يترك عددًا كبيرًا متاحًا للتعلق الكيميائي. يكشف تحليل SLG (R) الناتج عن هذا المسار أن النظام غير مستقر وأن استخدام درجة حرارة الغرفة مع التحريك HCl (<1.0 M) يؤدي إلى فقدان حوالي 60 ٪ من وظائف COOH. معالجة درجة حرارة الغرفة من SLGO مع الكربوديميدات يؤدي إلى انهيار الصفائح الفردية إلى عناقيد شبيهة بالنجوم والتي أظهرت تفاعلًا لاحقًا ضعيفًا مع الأمينات (حوالي 3-5٪ تحويل الوسيط إلى الأميد النهائي).^[213] من الواضح أن المعالجة الكيميائية التقليدية للمجموعات الكربوكسيلية على SLGO تولد تغيرات مورفولوجية للصفائح الفردية التي تؤدي إلى انخفاض في التفاعل الكيميائي ، مما قد يحد من استخدامها في التخليق المركب. لذلك ، تم استكشاف أنواع التفاعلات الكيميائية. تم تطعيم SLGO أيضًا بـ بولي أمين، متشابكة من خلال الايبوكسي مجموعات. عند ترشيحها في ورق أكسيد الجرافين ، تظهر هذه المركبات صلابة وقوة متزايدة مقارنة بورق أكسيد الجرافين غير المعدل.^[214]

كامل الهدرجة من كلا الجانبين من نتائج ورقة الجرافين الجرافان، ولكن الهدرجة الجزئية تؤدي إلى الجرافين المهدرج.^[215] وبالمثل ، فإن فلورة الجرافين على الجانبين (أو التقشير الكيميائي والميكانيكي لفلوريد الجرافيت) تؤدي إلى الفلوروجرافين (فلوريد الجرافين) ،^[216] بينما توفر الفلورة الجزئية (الهالوجين بشكل عام) الجرافين المفلور (المهلجن).

يجند الجرافين / المركب

يمكن أن يكون الجرافين ملف يجند لتنسيق المعادن وأيونات المعادن عن طريق إدخال مجموعات وظيفية. تتشابه هياكل روابط الجرافين مع المعادن على سبيل المثالالبورفيرين مركب معدنيفثالوسيانين معقدة ومعدنيةالفينانثرولين مركب. يمكن تنسيق أيونات النحاس والنيكل مع روابط الجرافين.^[217][218]

ألياف الجرافين

في عام 2011 ، أبلغ الباحثون عن نهج جديد ولكنه بسيط لتصنيع ألياف الجرافين من ترسيب البخار الكيميائي لأفلام الجرافين المزروعة.^[219] كانت الطريقة قابلة للتطوير والتحكم ، مما يوفر شكلًا قابلًا للانضباط وبنية مسامية من خلال التحكم في تبخر المذيبات بتوتر سطحي مناسب. تم عرض المكثفات الفائقة المرنة ذات الحالة الصلبة بناءً على ألياف الجرافين هذه في عام 2013.^[220]

في عام 2015 ، تم إقحام شظايا الجرافين الصغيرة في الفجوات المكونة من صفائح جرافين ملفوفة أكبر حجمًا ، بعد التلدين بمسارات للتوصيل ، بينما ساعدت الأجزاء على تقوية الألياف.^{[جزء الجملة]} قدمت الألياف الناتجة موصلية حرارية وكهربائية وقوة ميكانيكية أفضل. بلغت الموصلية الحرارية 1,290 W/m/K (1,290،1,080 وات لكل متر لكل كلفن) ، بينما وصلت قوة الشد إلى XNUMX،XNUMX ميجا باسكال (157,000 PSI).^[221]

في عام 2016 ، تم إنتاج ألياف الجرافين المستمرة بمقياس كيلومتر مع الخصائص الميكانيكية المتميزة والتوصيل الكهربائي الممتاز عن طريق الدوران الرطب عالي الإنتاجية لبلورات أكسيد الجرافين السائلة متبوعة بالرسم البياني من خلال استراتيجية هندسة عيوب تآزرية واسعة النطاق.^[222] تعد ألياف الجرافين ذات الأداء المتفوق بتطبيقات واسعة في المنسوجات الوظيفية ، والمحركات خفيفة الوزن ، والأجهزة الإلكترونية الدقيقة ، وما إلى ذلك.

تزعم جامعة Tsinghua في بكين ، بقيادة Wei Fei من قسم الهندسة الكيميائية ، أنها قادرة على إنشاء ألياف الكربون النانوية التي تتمتع بقوة شد تبلغ 80 المعدل التراكمي (12,000,000 PSI).^[223]

3D الجرافين

في عام 2013 ، ثلاثي الأبعاد انخرب من الكربون المرتب سداسي الأضلاع كان يسمى الجرافين ثلاثي الأبعاد ، كما تم إنتاج الجرافين ثلاثي الأبعاد ذاتي الدعم.^[224] يمكن تصنيع الهياكل ثلاثية الأبعاد من الجرافين باستخدام الطرق القائمة على CVD أو المحلول. مراجعة عام 3 بواسطة Khurram and Xu et al. قدم ملخصًا لأحدث التقنيات لتصنيع الهيكل ثلاثي الأبعاد للجرافين والمواد ثنائية الأبعاد الأخرى ذات الصلة.^[225] في عام 2013 ، أفاد باحثون في جامعة ستوني بروك عن طريقة جديدة للربط المتشابك بدأت جذريًا لتصنيع هياكل مسامية ثلاثية الأبعاد قائمة بذاتها من الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية باستخدام المواد النانوية كوحدات بناء دون أي مصفوفة بوليمر كدعم.^[226] هذه السقالات / الرغاوى ثلاثية الأبعاد من الجرافين (الكربون بالكامل) لها تطبيقات في عدة مجالات مثل تخزين الطاقة ، والترشيح ، والإدارة الحرارية ، والأجهزة الطبية الحيوية والغرسات.^[225][227]

الجرافين على شكل صندوق (BSG) النانو تظهر بعد انقسام ميكانيكي الجرافيت الانحلال الحراري تم الإبلاغ عنه 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 الزوايا. سمك جدران القناة يساوي تقريبا 1 نانومتر. تشمل المجالات المحتملة لتطبيق BSG ما يلي: فائقة الحساسية كشف، وخلايا تحفيزية عالية الأداء ، وقنوات نانوية الحمض النووي التسلسل والتلاعب ، أسطح امتصاص الحرارة عالية الأداء ، بطاريات قابلة للشحن من الأداء المحسن ، الرنانات النانوية الميكانيكية، قنوات مضاعفة الإلكترون في البث النانو الكترونيك أجهزة عالية السعة مواد ماصة للأمان تخزين الهيدروجين.

كما تم الإبلاغ عن الجرافين ثنائي الطبقات ثلاثي الأبعاد.^[229][230]

عمود الجرافين

عمود الجرافين عبارة عن كربون هجين ، وهو هيكل يتكون من مجموعة موجهة من الأنابيب النانوية الكربونية المتصلة في كل طرف بورقة من الجرافين. تم وصفه لأول مرة من الناحية النظرية من قبل جورج فروداكيس وزملاؤه من جامعة كريت في اليونان في عام 2008. لم يتم تصنيع الجرافين بيلارد بعد في المختبر ، ولكن تم اقتراح أنه قد يكون له خصائص إلكترونية مفيدة ، أو كمادة لتخزين الهيدروجين .

عزز الجرافين

عزز الجرافين مع جزءا لا يتجزأ أنابيب الكربون قضبان التسليح ("حديد التسليح") أسهل في التلاعب ، مع تحسين الصفات الكهربائية والميكانيكية لكلا المادتين.^[231][232]

الأنابيب النانوية الكربونية الوظيفية أحادية أو متعددة الجدران مغلفة بالدوران على رقائق نحاسية ثم يتم تسخينها وتبريدها باستخدام الأنابيب النانوية نفسها كمصدر للكربون. تحت التدفئة وظيفية مجموعات الكربون تتحلل إلى جرافين ، بينما تنقسم الأنابيب النانوية جزئيًا وتتشكل داخل المستوى سندات تساهمية مع الجرافين ، إضافة القوة. π – π التراص المجالات تضيف المزيد من القوة. يمكن أن تتداخل الأنابيب النانوية ، مما يجعل المادة موصلًا أفضل من الجرافين القياسي المزروع بأمراض القلب والأوعية الدموية. تعمل الأنابيب النانوية بشكل فعال على سد حدود الحبوب وجدت في الجرافين التقليدي. تقضي هذه التقنية على آثار الركيزة التي ترسبت عليها الأوراق المفصولة لاحقًا باستخدام epitaxy.^[231]

تم اقتراح أكوام من طبقات قليلة كبديل مرن ماديًا وفعال من حيث التكلفة لـ أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) المستخدمة في شاشات العرض و الخلايا الضوئية.^[231]

الجرافين مصبوب

في عام 2015 ، باحثون من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين (UIUC) طورت طريقة جديدة لتشكيل أشكال ثلاثية الأبعاد من صفائح مسطحة ثنائية الأبعاد من الجرافين.^[233] تم وضع فيلم من الجرافين الذي تم نقعه في مذيب لجعله ينتفخ ويصبح مرنًا على ركيزة أساسية "سابقة". تبخر المذيب بمرور الوقت ، تاركًا وراءه طبقة من الجرافين اتخذت شكل الهيكل الأساسي. وبهذه الطريقة تمكنوا من إنتاج مجموعة من الأشكال الدقيقة المعقدة نسبيًا.^[234] تختلف الميزات من 3.5 إلى 50 ميكرومتر. تم دمج كل من الجرافين النقي والجرافين المزخرف بالذهب بنجاح مع الركيزة.^[235]

ايروجيل الجرافين

An ايروجيل مصنوعة من طبقات الجرافين المفصولة بأنابيب كربونية نانوية تم قياسها عند 0.16 ملليجرام لكل سنتيمتر مكعب. يتم تجفيف محلول من الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية في قالب بالتجميد لتجفيف المحلول ، تاركًا الهلام الهوائي. المواد لديها مرونة فائقة وامتصاص. يمكن أن يتعافى تمامًا بعد ضغط أكثر من 90٪ ، ويمتص ما يصل إلى 900 ضعف وزنه في الزيت ، بمعدل 68.8 جرامًا في الثانية.^[236]

نانوكويل الجرافين

في عام 2015 ، تم اكتشاف شكل ملفوف من الجرافين في كربون الجرافيت (الفحم). ينتج التأثير اللولبي عن طريق عيوب في الشبكة السداسية للمادة التي تؤدي إلى دورانها على طول حافتها ، محاكية سطح ريمان، مع سطح الجرافين عموديًا تقريبًا على المحور. عندما يتم تطبيق الجهد على مثل هذا الملف ، يتدفق التيار حول اللولب ، مما ينتج عنه مجال مغناطيسي. تنطبق هذه الظاهرة على الحلزونات ذات الأنماط المتعرجة أو الكراسي بذراعين ، على الرغم من اختلاف التوزيعات الحالية. أشارت عمليات المحاكاة الحاسوبية إلى أن محث لولبي تقليدي يبلغ قطره 205 ميكرون يمكن أن يقابله ملف نانوي بعرض 70 نانومتر فقط ، مع شدة مجال تصل إلى 1 تيسلا.^[237]

يجب أن تكون الملفات اللولبية النانوية التي تم تحليلها من خلال نماذج الكمبيوتر في رايس قادرة على إنتاج مجالات مغناطيسية قوية تبلغ حوالي 1 تسلا ، تقريبًا مثل الملفات الموجودة في مكبرات الصوت النموذجية ، وفقًا لما ذكره ياكوبسون وفريقه - ونفس قوة المجال تقريبًا مثل بعض أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الآلات. ووجدوا أن المجال المغناطيسي سيكون أقوى في التجويف المجوف بعرض نانومتر في مركز اللولب.^[237]

A الملف اللولبي المصنوع بمثل هذا الملف يتصرف كموصل كمي يختلف توزيعه الحالي بين النواة والخارجية مع الجهد المطبق ، مما يؤدي إلى عدم الخطية الحث.^[238]

الجرافين المجعد

في 2016، جامعة براون قدم طريقة لـ "تجعد" الجرافين ، وإضافة التجاعيد إلى المادة على مقياس نانوي. تم تحقيق ذلك عن طريق ترسيب طبقات من أكسيد الجرافين على فيلم يتقلص ، ثم يتقلص ، مع إذابة الفيلم قبل تقليصه مرة أخرى على ورقة أخرى من الفيلم. أصبح الجرافين المجعد خارقة للماء، وعند استخدامها كقطب كهربائي للبطارية ، تبين أن المادة تحتوي على زيادة بنسبة 400٪ في الكهروكيميائية كثافة التيار.^[239][240]

الإنتــاج

تم تطوير قائمة متزايدة بسرعة من تقنيات الإنتاج لتمكين استخدام الجرافين في التطبيقات التجارية.^[241]

لا يمكن زراعة البلورات ثنائية الأبعاد المعزولة عن طريق التخليق الكيميائي بما يتجاوز الأحجام الصغيرة حتى من حيث المبدأ ، وذلك بسبب النمو السريع لـ فونون الكثافة مع زيادة الحجم الجانبي تجبر البلورات ثنائية الأبعاد على الانحناء في البعد الثالث. في جميع الحالات ، يجب أن يرتبط الجرافين بركيزة للحفاظ على شكلها ثنائي الأبعاد.^[19]

يمكن إنتاج هياكل الجرافين الصغيرة ، مثل النقاط الكمومية للجرافين والأشرطة النانوية ، من خلال طرق "من أسفل إلى أعلى" التي تجمع الشبكة من مونومرات الجزيء العضوي (مثل حمض الستريك والجلوكوز). من ناحية أخرى ، تقطع الطرق "من أعلى إلى أسفل" مواد الجرافيت والجرافين السائبة بمواد كيميائية قوية (مثل الأحماض المختلطة).

ميكانيكا

تقشير ميكانيكي

تم استخدام Geim و Novoselov في البداية شريط لاصق لسحب أوراق الجرافين بعيدًا عن الجرافيت. يتطلب تحقيق طبقات مفردة عادةً خطوات تقشير متعددة. بعد التقشير ، يتم ترسيب الرقائق على رقاقة سيليكون. يمكن الحصول على بلورات أكبر من 1 مم ويمكن رؤيتها بالعين المجردة.^[242]

اعتبارًا من عام 2014 ، أنتج التقشير الجرافين بأقل عدد من العيوب وأعلى حركة للإلكترون.^[243]

بدلا من ذلك أ إسفين الماس أحادي الكريستال حاد تخترق مصدر الجرافيت لتشق الطبقات.^[244]

في عام 2014 ، تم تصنيع السوائل المحتوية على الجرافين الخالية من العيوب وغير المؤكسدة من الجرافيت باستخدام الخلاطات التي تنتج معدلات قص موضعية أكبر من 10 × 10⁴.^[245][246]

تقشير القص هو طريقة أخرى والتي باستخدام خلاط الدوار الثابت ، أصبح الإنتاج القابل للتطوير من الجرافين الخالي من العيوب ممكنًا ^[247] لقد ثبت أن ، مثل الاضطراب  ليس ضروريًا للتقشير الميكانيكي ،^[248] سرعة منخفضة طحن الكرة ثبتت فعاليته في إنتاج الجرافين عالي الغلة والذوبان في الماء.

التقشير بالموجات فوق الصوتية

يمكن أن يؤدي نثر الجرافيت في وسط سائل إلى إنتاج الجرافين بواسطة صوتنة تليها الطرد المركزي,^[249][250] إنتاج تركيزات 2.1 مجم / مل in N- ميثيل بيروليدون.^[251] باستخدام مناسبة سائل أيوني كوسط سائل مشتت ينتج تركيزات من 5.33 مجم / مل.^[252] إعادة تجميع مشكلة في هذه التقنية.

إضافة التوتر السطحي إلى مذيب قبل صوتنة يمنع إعادة التعبئة عن طريق الامتصاص على سطح الجرافين. ينتج عن هذا تركيز أعلى من الجرافين ، لكن إزالة الفاعل بالسطح يتطلب علاجات كيميائية.^{[بحاجة لمصدر]}

سونيكاتينج الجرافيت في واجهة اثنين غير قابل للأمتزاج السوائل ، وعلى الأخص هيبتان والمياه ، وأنتجت أفلام الجرافين على نطاق واسع. يتم كثف ألواح الجرافين على السطح البيني عالي الطاقة بين المواد ويتم منعها من إعادة التعبئة. الأوراق شفافة وموصلة بنسبة تصل إلى 95٪.^[253]

مع معلمات الانقسام المحددة ، فإن الجرافين على شكل صندوق (BSG) النانو يمكن تحضيرها على الجرافيت كريستال.^[228]

تقسيم الكربون أحادي الطبقة

تقطيع الأنابيب النانوية

يمكن إنشاء الجرافين عن طريق الفتح أنابيب الكربون النانوية عن طريق القطع أو الحفر.^[254] في طريقة واحدة من هذا القبيل الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران يتم قطع الحل في حل من خلال عمل برمنجنات البوتاسيوم و حمض الكبريتيك.^[255][256]

في عام 2014 ، تم تصنيع الجرافين المقوى بأنابيب الكربون النانوية عن طريق طلاء الدوران وتصلب الأنابيب النانوية الكربونية الوظيفية.^[231]

تقسيم الفوليرين

رش نهج آخر كرات بكي بسرعات تفوق سرعة الصوت على ركيزة. تنفتح الكرات عند الاصطدام ، ثم تترابط الأقفاص الناتجة غير المضغوطة معًا لتشكيل طبقة من الجرافين.^[257]

مادة كيميائية

تقليل أكسيد الجرافيت

أفاد P. Boehm عن إنتاج رقائق أحادية الطبقة من أكسيد الجرافين المختزل في عام 1962.^[258][259] ينتج عن التسخين السريع لأكسيد الجرافيت والتقشير مسحوق كربون شديد التشتت مع نسبة قليلة من رقائق الجرافين.

طريقة أخرى هي تقليل أفلام أحادي الطبقة من أكسيد الجرافيت ، على سبيل المثال بواسطة الهيدرازين دوامة الصلب in الأرجون/الهدرجة بإطار كربوني سليم تقريبًا يسمح بالإزالة الفعالة للمجموعات الوظيفية. تقاس حامل الشحنة تجاوزت الحركة 1000 سم / مقابل (10 م / ث).^[260]

حرق أكسيد الجرافيت المطلي دي في دي أنتجت فيلمًا موصلًا للجرافين (1738 سيمينز لكل متر) ومساحة سطح محددة (1520 مترًا مربعًا لكل جرام) والتي كانت شديدة المقاومة وقابلة للطرق.^[261]

تم تصنيع معلق مشتت من أكسيد الجرافين المختزل في الماء بطريقة التجفيف الحراري المائي بدون استخدام أي مادة خافضة للتوتر السطحي. هذا النهج سهل وقابل للتطبيق صناعيًا وصديق للبيئة وفعال من حيث التكلفة. أكدت قياسات اللزوجة أن معلق الجرافين الغروي (مائع الجرافين النانوي) يُظهر سلوكًا نيوتونيًا ، حيث تُظهر اللزوجة تشابهًا وثيقًا مع الماء.^[262]

الأملاح المنصهرة

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 المصهور ، على قضبان الجرافيت المستقطبة كاثوديًا ، والتي تقوم بعد ذلك بتقشير وتقشير صفائح الجرافين. أظهرت صفائح الجرافين النانوية التي تم إنتاجها بنية بلورية مفردة ذات حجم جانبي يبلغ عدة مئات من النانومترات ودرجة عالية من التبلور والاستقرار الحراري.^[264]

التوليف الكهروكيميائي

يمكن للتخليق الكهروكيميائي أن يقشر الجرافين. يتحكم تباين الجهد النبضي في السماكة ومنطقة التقشر وعدد العيوب ويؤثر على خصائصها. تبدأ العملية بغسل الجرافيت في مذيب من أجل الإقحام. يمكن تتبع العملية من خلال مراقبة شفافية الحل بمصباح LED وصمام ثنائي ضوئي. ^[265][266]

التجميع الذاتي المائي الحراري

تم تحضير الجرافين باستخدام السكر (على سبيل المثال جلوكوز, السكر, سكر الفاكهة، إلخ.) يعتبر هذا التركيب "التصاعدي" الخالي من الركيزة أكثر أمانًا وأبسط وأكثر ملاءمة للبيئة من التقشير. يمكن لهذه الطريقة التحكم في السماكة ، بدءًا من الطبقة الأحادية إلى الطبقات المتعددة ، والتي تُعرف باسم "طريقة Tang-Lau".^{[267][268][269][270]}

الانحلال الحراري لإيثوكسيد الصوديوم

تم إنتاج كميات الجرام عن طريق تفاعل الإيثانول دوامة صوديوم المعدن ، تليها الانحلال الحراري والغسيل بالماء.^[271]

الأكسدة بمساعدة الميكروويف

في عام 2012 ، تم الإبلاغ عن طاقة الميكروويف لتخليق الجرافين مباشرة في خطوة واحدة.^[272] يتجنب هذا الأسلوب استخدام برمنجنات البوتاسيوم في خليط التفاعل. تم الإبلاغ أيضًا أنه من خلال المساعدة في إشعاع الميكروويف ، يمكن تصنيع أكسيد الجرافين مع أو بدون ثقوب عن طريق التحكم في وقت الميكروويف.^[273] يمكن أن يؤدي تسخين الميكروويف إلى تقصير وقت رد الفعل بشكل كبير من أيام إلى ثوان.

يمكن أيضًا صنع الجرافين بواسطة الميكروويف بمساعدة الانحلال الحراري المائي الحراري.^[204][205]

التحلل الحراري لكربيد السيليكون

تدفئة أرضية كربيد السيليكون (SiC) إلى درجات حرارة عالية (1100 درجة مئوية) تحت ضغوط منخفضة (ج .10^-6 torr ، أو 10^-4 Pa) يقلله إلى الجرافين.^{[88][89][90][91][92][274]}

ترسيب الأبخرة الكيميائية

تنضيد

نمو الجرافين فوق المحور فوق كربيد السيليكون هي تقنية على نطاق الرقاقة لإنتاج الجرافين. فوقي قد يقترن الجرافين بالأسطح بشكل ضعيف بدرجة كافية (بواسطة قوات فان دير فال) للاحتفاظ بالبعدين هيكل النطاق الإلكتروني من الجرافين المعزول.^[275]

عادي رقاقة السيليكون مغلفة بطبقة من الجرمانيوم (Ge) مغموسة في المخفف حمض الهيدروفلوريك يزيل التكوين الطبيعي أكسيد الجرمانيوم مجموعات ، وخلق الجرمانيوم المنتهي بالهيدروجين. يمكن للأمراض القلبية الوعائية أن تغطي ذلك بالجرافين.^[276][277]

التوليف المباشر للجرافين على عازل TiOXNUMX₂ مع ثابت عازل عالي (عالي κ). تظهر عملية CVD المكونة من خطوتين لتنمية الجرافين مباشرة على TiOXNUMX₂ بلورات أو تيو مقشر₂ صفائح نانوية بدون استخدام أي محفز معدني.^[278]

ركائز معدنية

يمكن زراعة الجرافين CVD على ركائز معدنية بما في ذلك الروثينيوم ،^[279] إيريديوم ،^[280] النيكل^[281] والنحاس.^[282][283]

لفة الى لفة

في عام 2014 تم الإعلان عن عملية تصنيع من خطوتين. تنتج الخطوة الأولى من لفة إلى لفة الجرافين عبر ترسيب البخار الكيميائي. تربط الخطوة الثانية الجرافين بالركيزة.^[284][285]

جدار بارد

يُزعم أن نمو الجرافين في نظام CVD للجدار البارد الصناعي المقاوم للتدفئة ينتج الجرافين أسرع 100 مرة من أنظمة CVD التقليدية ، ويخفض التكاليف بنسبة 99 ٪ وينتج مواد ذات جودة إلكترونية محسنة.^[286][287]

رقاقة الجرافين CVD

الجرافين CVD قابل للتطوير وقد تمت زراعته على محفز غشاء رقيق من النحاس المترسب على Si / SiO القياسي 100 إلى 300 مم₂ رقائق^{[288][289][290]} على نظام Axitron Black Magic. يتم تحقيق تغطية الجرافين أحادي الطبقة بنسبة> 95 ٪ على ركائز بسكويت الويفر 100 إلى 300 مم مع عيوب لا تذكر ، أكدها رسم خرائط رامان الشامل.^[289][290]

تقليل ثاني أكسيد الكربون

تفاعل طارد للحرارة يحترق المغنيسيوم في تفاعل الأكسدة والاختزال مع ثاني أكسيد الكربون ، مما ينتج عنه جزيئات الكربون النانوية بما في ذلك الجرافين و الفوليرين.^[291]

رذاذ فوق صوتي

التسارع الأسرع من الصوت للقطرات من خلال أ فوهة لافال تم استخدامه لإيداع أكسيد الجرافين المختزل على ركيزة. تعيد طاقة التأثير ترتيب ذرات الكربون إلى جرافين لا تشوبه شائبة.^[292][293]

الليزر

في 2014، إلى CO
₂ ليزر الأشعة تحت الحمراء تم استخدامه لإنتاج شبكات أفلام الجرافين (LIG) المسامية ثلاثية الأبعاد المستحثة بالليزر من أفلام البوليمر التجارية. تظهر المواد الناتجة موصلية كهربائية عالية ومساحة السطح. تتوافق عملية الحث بالليزر مع عمليات التصنيع الشاملة.^[294] تم الإبلاغ عن مادة مماثلة ، ألياف الجرافين المستحثة بالليزر (LIGF) ، في عام 2018.^[295]

تسخين فلاش جول

في عام 2019 ، تم اكتشاف تسخين فلاش جول (تسخين كهربائي حراري عابر بدرجة حرارة عالية) ليكون وسيلة لتجميع الجرافين التوربيني في شكل مسحوق سائب. تتضمن الطريقة تحويل مصادر الكربون المختلفة كهربيًا حراريًا ، مثل أسود الكربون والفحم ومخلفات الطعام إلى رقائق الجرافين على نطاق ميكرون.^[195][296] أظهرت الأعمال الحديثة استخدام النفايات البلاستيكية المختلطة ونفايات الإطارات المطاطية ورماد الانحلال الحراري كمواد وسيطة للكربون.^{[297][298][299]} يتم التحكم في عملية الجرافين بشكل حركي ، ويتم اختيار جرعة الطاقة للحفاظ على الكربون في حالته الجرافيكية (تؤدي مدخلات الطاقة الزائدة إلى الرسم البياني اللاحق من خلال التلدين).

زرع الأيونات

تسريع أيونات الكربون داخل مجال كهربائي إلى شبه موصل مصنوع من أغشية رقيقة من النيكل على ركيزة من SiO₂/ Si ، يخلق طبقة جرافين خالية من التجاعيد / التمزق / الرواسب (4 بوصات (100 مم)) عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبلغ 500 درجة مئوية.^[300][301]

الجرافين المتوافق مع CMOS

تكامل الجرافين في الاستخدام الواسع عملية تصنيع CMOS يتطلب توليفه المباشر الخالي من النقل على عازل ركائز عند درجات حرارة أقل من 500 درجة مئوية. في ال IEDM 2018 باحثون من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربارا، أظهر عملية تصنيع الجرافين الجديدة المتوافقة مع CMOS عند 300 درجة مئوية مناسبة للخط الخلفي (beol) التطبيقات.^{[302][303][304]} تتضمن العملية الحالة الصلبة بمساعدة الضغط إذاعة of كربون من خلال رقيقة المحفز المعدني. تم عرض أفلام الجرافين المركبة ذات المساحة الكبيرة لعرض جودة عالية (عبر رامان توصيف) وما شابه المقاومة النوعية القيم عند مقارنتها بأفلام الجرافين المركب ذات درجة الحرارة العالية من CVD ذات المقطع العرضي نفسه وصولاً إلى عروض 20 nm.

محاكاة

بالإضافة إلى التحقيق التجريبي في الأجهزة القائمة على الجرافين والجرافين ، كانت النمذجة العددية والمحاكاة موضوعًا بحثيًا مهمًا. توفر صيغة كوبو تعبيرًا تحليليًا لموصلية الجرافين وتوضح أنها دالة لعدة عوامل فيزيائية بما في ذلك الطول الموجي ودرجة الحرارة والجهد الكيميائي.^[305] علاوة على ذلك ، تم اقتراح نموذج الموصلية السطحية ، الذي يصف الجرافين على أنه لوح رفيع متناهٍ في الصغر (ذو وجهين) مع توصيل موضعي ومتناحي. يسمح هذا النموذج باشتقاق التعبيرات التحليلية للمجال الكهرومغناطيسي في وجود ورقة الجرافين بدلالة وظيفة ثنائية اللون الأخضر (ممثلة باستخدام تكاملات سومرفيلد) والتيار الكهربائي المثير.^[306] على الرغم من أن هذه النماذج والطرق التحليلية يمكن أن توفر نتائج للعديد من المشكلات الأساسية لأغراض القياس ، إلا أن العديد من المشكلات العملية التي تنطوي على الجرافين ، مثل تصميم الأجهزة الكهرومغناطيسية ذات الشكل التعسفي ، مستعصية على الحل من الناحية التحليلية. مع التطورات الحديثة في مجال الكهرومغناطيسية الحسابية (CEM) ، أصبحت العديد من الطرق الرقمية الدقيقة والفعالة متاحة لتحليل تفاعلات المجال / الموجة الكهرومغناطيسية على أوراق الجرافين و / أو الأجهزة القائمة على الجرافين. يُقترح ملخص شامل للأدوات الحسابية التي تم تطويرها لتحليل الأجهزة / الأنظمة القائمة على الجرافين.^[307]

نظائر الجرافين

نظائر الجرافين^[308] (يشار إليها أيضًا باسم "الجرافين الاصطناعي") هي أنظمة ثنائية الأبعاد تظهر خصائص مماثلة للجرافين. تمت دراسة نظائر الجرافين بشكل مكثف منذ اكتشاف الجرافين في عام 2004. يحاول الناس تطوير أنظمة يكون فيها الفيزياء أسهل في المراقبة والتعامل مع الجرافين. في هذه الأنظمة ، لا تكون الإلكترونات دائمًا هي الجسيمات المستخدمة. قد تكون فوتونات بصرية ،^[309] فوتونات الميكروويف ،^[310] بلاسمونات^[311] بولاريتون التجويف الصغير ،^[312] أو حتى الذرات.^[313] أيضًا ، يمكن أن تكون بنية قرص العسل التي تتطور فيها هذه الجسيمات ذات طبيعة مختلفة عن ذرات الكربون في الجرافين. يمكن أن يكون ، على التوالي ، أ البلورة الضوئية، مجموعة من قضبان معدنية, النانوية المعدنية، شعرية من فجوات صغيرة مقترنة، أو شعرية بصرية.

التطبيقات

الجرافين هو موصل شفاف ومرن يحمل وعدًا كبيرًا لتطبيقات المواد / الأجهزة المختلفة ، بما في ذلك الخلايا الشمسية ،^[314] الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) ولوحات اللمس والنوافذ أو الهواتف الذكية.^[315] منتجات الهواتف الذكية المزودة بشاشات تعمل باللمس من الجرافين موجودة بالفعل في السوق.

في عام 2013 ، أعلن هيد عن مجموعته الجديدة من مضارب التنس من الجرافين.^[316]

اعتبارًا من عام 2015 ، يتوفر منتج واحد للاستخدام التجاري: مسحوق طابعة مملوء بالجرافين.^[317] تم اقتراح العديد من الاستخدامات الأخرى للجرافين أو هي قيد التطوير ، في مجالات تشمل الإلكترونيات ، الهندسة البيولوجية, تصفيةوخفيفة الوزن / قوية المواد المركبة, الخلايا الكهروضوئية و تخزين الطاقة.^[225][318] غالبًا ما يتم إنتاج الجرافين كمسحوق وكمشتت في مصفوفة بوليمر. من المفترض أن يكون هذا التشتت مناسبًا للمركبات المتقدمة ،^[319][320] الدهانات والطلاءات ومواد التشحيم والزيوت والسوائل الوظيفية والمكثفات والبطاريات وتطبيقات الإدارة الحرارية ومواد العرض والتعبئة والخلايا الشمسية والأحبار ومواد الطابعات ثلاثية الأبعاد والحواجز والأفلام.^[321]

في أغسطس 2 ، 2016 ، BACيُقال إن طراز Mono الجديد مصنوع من الجرافين كأول سيارة من سيارات السباق القانونية وسيارة الإنتاج.^[322]

في يناير 2018 ، حلزوني قائم على الجرافين لفائف استغلال الحث الحركي في درجة حرارة الغرفة لأول مرة في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربارابقيادة كاوستاف بانيرجي. تم توقع هذه المحاثات للسماح بالتصغير الكبير في موجة تردد الراديو دورة موحدة التطبيقات.^{[323][324][325]}

تم عرض إمكانات الجرافين الفوقي على SiC للقياس منذ عام 2010 ، حيث عرض دقة تكميم مقاومة القاعة الكمومية لثلاثة أجزاء في المليار في الجرافين أحادي الطبقة فوق المحور. على مر السنين ، تم إثبات دقة أجزاء لكل تريليون في تكميم مقاومة القاعة وهضاب القاعة الكمومية العملاقة. أدت التطورات في تغليف وتعاطي المنشطات من الجرافين فوق المحور إلى تسويق معايير مقاومة الجرافين الكمومية فوق المحور.^[326]

في عام 2021 ، تم إثبات أن مسحوق الجرافين الفاعل بالسطح وظيفيًا ، عند إضافته إلى الخرسانة ، يحسن قوة الانضغاط والشد والانثناء.^[327]

سمية

تم نشر مراجعة واحدة حول سمية الجرافين في عام 2016 بواسطة Lalwani et al. يلخص المختبر, في الجسم الحيومضادات الميكروبات والتأثيرات البيئية ويسلط الضوء على الآليات المختلفة لسمية الجرافين.^[328] تم نشر مراجعة أخرى في عام 2016 بواسطة Ou et al. تركز على المواد النانوية لعائلة الجرافين (GFNs) وكشفت عن العديد من الآليات النموذجية مثل التدمير المادي 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 معالجة ما بعد الإنتاج والحالة المؤكسدة والمجموعات الوظيفية وحالة التشتت وطرق التوليف وطريق وجرعة الإعطاء وأوقات التعرض.^[330]

في عام 2014 أظهر بحث في جامعة ستوني بروك ذلك نانو شرائط الجرافين، الصفائح الدموية النانوية من الجرافين والبصل النانوي من الجرافين غير سامة بتركيزات تصل إلى 50 ميكروغرام / مل. لا تغير هذه الجسيمات النانوية تمايز الخلايا الجذعية لنخاع العظم البشري تجاه بانيات العظم (العظام) أو الخلايا الدهنية (الدهون) مما يشير إلى أن الجسيمات النانوية من الجرافين عند الجرعات المنخفضة تكون آمنة للتطبيقات الطبية الحيوية.^[331] في عام 2013 ، وجد بحث في جامعة براون أن 10 ميكرومتر من رقائق الجرافين قليلة الطبقات قادرة على اختراق أغشية الخلايا في المحلول. وقد لوحظ أنهم يدخلون في البداية عبر نقاط حادة وخشنة ، مما يسمح باستيعاب الجرافين في الخلية. لا تزال الآثار الفسيولوجية لهذا غير معروفة ، ولا يزال هذا مجالًا غير مستكشف نسبيًا.

المصدر الجرافين - ويكيبيديا