پودر گرافن تک لایه

روش مستقیم سنتز گرافن تک لایه

معروفترین و پرکاربردترین روش مستقیم، رسوبگیری بخار شیمیایی یا CVD است.

۱. سنتز به روش CVD (Chemical Vapor Deposition)

این روش اساساً رشد گرافن بر روی یک بستر فلزی (کاتالیزور) در یک کوره با اتمسفر کنترلشده است.

مراحل کلی کار:

1. آمادهسازی بستر (Substrate): معمولاً از یک ورق فلزی با کیفیت بالا، مانند مس (Cu) یا نیکل (Ni) استفاده میشود. مس به دلیل حلالیت بسیار پایین کربن، محبوبترین انتخاب برای تولید گرافن تک لایه یکنواخت است.

2. گرم کردن و آنیل (Annealing): فلز در داخل کوره تا دمای بسیار بالا (حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) گرم میشود. این کار سطح فلز را صاف و یکنواخت میکند و دانههای آن را بزرگتر میکند که برای رشد گرافن با کیفیت ضروری است.

3. تزریق گازهای پیشماده (Precursors): یک گاز حاوی کربن (معمولاً متان CH₄) به همراه یک گاز حامل (مانند هیدروژن H₂) و گاهی آرگون به داخل کوره تزریق میشود.

   • هیدروژن نقش مهمی در فعال کردن سطح فلز و کمک به تجزیه مولکولهای متان دارد.

4. رشد گرافن (Growth): در دمای بالا، مولکولهای متان روی سطح فلز تجزیه شده و اتمهای کربن آزاد میشوند. این اتمها روی سطح فلز پخش شده و با اتصال به یکدیگر، ساختار ششضلعی عسلمانند گرافن را تشکیل میدهند.

   • روی مس: کربن几乎 در مس حل نمیشود، بنابراین فقط روی سطح رشد میکند و لایههای بسیار یکنواختی تشکیل میدهد.

   • روی نیکل: کربن در نیکل حل میشود و پس از سرد کردن، از داخل فلز خارج شده و روی سطح رسوب میکند. کنترل تعداد لایهها در این روش سختتر است.

5. سرد کردن (Cooling): در نهایت، نمونه به آرامی سرد میشود. سرعت سرد کردن میتواند بر کیفیت نهایی گرافن تأثیر بگذارد.

چالش اصلی پس از سنتز: انتقال (Transfer)
از آنجایی که گرافن روی فلز رشد میکند، برای بسیاری از کاربردها باید به یک بستر دیگر (مانند سیلیکون، شیشه، پلاستیک) منتقل شود. این فرآیند بسیار حساس است و میتواند باعث ایجاد چینخوردگی، پارگی یا آلودگی در گرافن شود. توسعه روشهای انتقال بهتر خود یک حوزه تحقیقاتی فعال است.

سایر روشهای مستقیم (کمتر رایج):

• سنتز روی کاربید سیلیسیم (SiC): با گرم کردن ویفر SiC در خلأ بالا، اتمهای سیلیسیم تبخیر شده و یک لایه گرافن روی سطح باقی میماند. این روش نیازی به انتقال ندارد اما هزینه بسیار بالایی دارد.

• رشد اپیتاکسیال (Epitaxial Growth): مشابه روش CVD اما با کنترل اتمی دقیقتر روی سطوح کریستالی خاص.

کاربردهای گرافن تک لایه

گرافن به دلیل خواص استثنایی خود (مقاومت مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و گرمایی بینظیر، شفافیت نوری و انعطافپذیری) در حوزههای مختلفی تحول ایجاد کرده است.

1. الکترونیک و فوتونیک:

   • ترانزیستورهای فرکانس بالا (RF Transistors): سرعت حرکت حاملهای بار در گرافن بسیار بالاست، که آن را برای ساخت ترانزیستورهای بسیار سریع که در通信 استفاده میشوند، ایدهآل میکند.

   • الکترودهای شفاف (Transparent Electrodes): میتواند جایگزین اکسید قلع ایندیم (ITO) در صفحهنمایشهای لمسی، سلولهای خورشیدی و LEDها شود. گرافن انعطافپذیرتر و مقاومتر از ITO است.

2. حسگرها (Sensors):

   • به دلیل سطح بسیار بزرگ و حساسیت بالا به کوچکترین تغییرات محیط، میتواند برای ساخت حسگرهای فوق حساس به کار رود.

   • حسگرهای گازی: تشخیص حتی یک مولکول گاز خطرناک.

   • حسگرهای زیستی (Biosensors): تشخیص قند خون، DNA، ویروسها و باکتریها با دقت بسیار بالا.

3. ذخیره انرژی:

   • باتریها (باتریهای لیتیوم-یون و پس از لیتیوم): به عنوان افزودنی در آند یا کاتد، ظرفیت، سرعت شارژ و عمر باتری را بهطور چشمگیری افزایش میدهد.

   • ابرخازنها (Supercapacitors): به دلیل سطح ویژه بسیار بالا، میتواند انرژی الکتریکی را بسیار سریع ذخیره و آزاد کند (برای مثال، برای شارژ سریع خودروهای الکتریکی).

4. کامپوزیتها و پوششها:

   • افزودنی به پلیمرها: افزودن حتی مقدار کمی گرافن، استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر حرارت و هدایت الکتریکی پلاستیکها را drastically افزایش میدهد.

   • پوششهای ضد خوردگی: یک لایه نازک گرافن روی فلزات میتواند از خوردگی آنها بهطور موثری جلوگیری کند.

   • پوششهای رسانای شفاف: همانطور که در الکترونیک اشاره شد.

5. تصفیه آب و جداسازی:

   • غشاهای نانومتخلخل: با ایجاد منافذی به اندازه مولکولها در صفحه گرافن، میتوان آن را به یک غشای ایدهآل برای نمکزدایی (Desalination) و تصفیه آب تبدیل کرد که فقط به مولکولهای آب اجازه عبور میدهد و یونهای نمک و ناخالصیها را مسدود میکند.