Arama

Grafen Nedir? Özellikleri ve Kullanım Alanları Hakkında

Güncelleme: 26 Mayıs 2015 Gösterim: 19.414 Cevap: 6

Cevap Yaz

nötrino

Yasaklı

31 Ocak 2012 Mesaj #1

Yasaklı

Grafen Nedir? Nasıl Elde Edilir?

Sponsorlu Bağlantılar

Grafen, kurşun kalemlerin kağıt üzerine yazmasını sağlayan grafitik karbonun ana maddesi olan grafitin, yalnızca bir atom kalınlığında ayrılmış halidir.Birçok özelliği olan grafen, bilinen en kuvvetli materyallerden birisidir. Ayrıca, tek katmanlı grafen yüzeyler güneş hücreleri için elektrotlar oluşturma, lityum pillerde anot ve elektrot malzemesi ve son olarak da yarı iletken şeklinde kullanılma özelliğine sahiptirler.Bunların dısında grafeni esas çekici kılan şey ise grafenin içinde elektronların fotonlar gibi davranabilmeleri yani, saniyede 800 kilometre gibi bir hıza ulaşıp hareket edebiliyor olmalarıdır.

Nasıl Elde Edilir?

Şimdiye kadar elde edilmesi baya zor olan grafen önceden;

1) Çekme Yöntemi
2) İndirgeme Yöntemi

olmak üzere iki şekilde üretilebilmekteydi ve iki yöntemde kendi içinde birçok zorluk içermekteydi. Ancak şimdiyse UCLA ( University of California, Los Angeles ) den yapılan açıklamaya göre artık büyük miktarlarda ve daha da kolay bir yöntem bulunmuş. Yöntem ise kısaca, grafit oksit kağıdını saf hidrazin ( azot ve hidrojenin kimyasal bileşeni ) çözeltisine batırarak grafit oksit kağıdının tek katmanlı hale getirilmesinden oluşuyor.

Kaynak:NTV Bilim Dergisi Özeti

BEĞEN Paylaş Paylaş

Bu mesajı 2 üye beğendi.

Son düzenleyen nötrino; 26 Mayıs 2015 16:13

Cevapla

buz perisi

VIP Lethe

31 Ocak 2012 Mesaj #2

VIP Lethe

GRAFEN

Sponsorlu Bağlantılar

Karbonun yeni şekli olan grafen, geleceğin inanılmaz maddesi olacak. Çok yakında grafen, gelecek nesil mikro elektroniklerde, dokunmatik cihazlarda ve bilgisayarlarda silikonun yerini alacak gibi görünüyor.

BBC Focus dergisinde yer alan habere göre, grafen, kurşun kalemlerin kağıt üzerine yazmasını sağlayan grafitik karbonun ana maddesi olan grafitin, yalnızca bir atom kalınlığında tabakalara ayrılmış şeklidir. Grafen bilinen en güçlü maddelerden biridir. Ayrıca tek katmanlı grafen yüzeyler güneş hücreleri için elektrodlar oluşturma, algılayıcılarda kullanımı, lityum pillerde anod elektrod malzemesi ve etkili sıfır bant aralıklı yarı iletkenler olarak kullanılma olasılığına da sahipler.

Manchester Üniversitesi'nde görevli Andre Geim ve Konstantin Novoselov isimli fizikçiler, 1994 yılında ilk kez grafen isimli maddeyi ürettiler ve bu icatları sayesinde Nobel ödülü kazandılar. Elmastan daha sert yapısı ve süper iletkenliği nedeniyle Grafen'in geleceğin transistör teknolojisi olması bekleniyor.

Grafenin uygulama alanları:

Hesaplama: Transistörler bugünün silikon devrelerinin standart anahtarlarıdır. Yeni elektronik malzemelerin üretilmesi ve farklı malzemelerin oluşturulması gibi birçok pratik uygulamanın hayata geçirilmesi artık mümkün. Grafen tabanlı transistörlerin günümüzün silikon transistörlerinden çok daha verimli olduğu, bunun da daha hızlı bilgisayarların önünü açacağı tahmin ediliyor.

Kumaşlar ve piller: Grafen yapraklarının bir çeşidi, Teksas Üniversitesi'nde görevli Prof. Dr. Rodney Ruoff'un araştırma ekibi tarafından geliştirildi. Grafen oksid oluşturmak için oksijen atomları eklendi. Ortaya çıkan madde çok güçlü, esnek ve sertti. Bunlar akıllı giysiler için kumaş olarak kullanılıyor. Profesör Ruoff, grafenin havacılık ve uzay sanayi ile nakliyatta da etkili olacağını düşünüyor. Araştırma ekibi zaten piller gibi büyük miktarda elektrik şarjını depolayan süper kondansatör yapmışlardı.

Cihazlar: Dokunmatik ekran televizyonlar ve bilgisayarlar, sizin dokunuşlarınıza cevap vermek için elektriksel algılama yöntemini kullanıyor. Bu da tüm ekranın elektriği ileten şeffaf bir maddeyle kaplanmasını gerektiriyor. Bu madde ITO (Indium tin oxide, indiyum kalay oksit ) olarak bilinen, elektriksel iletken ve optik geçirgen bir ince film kaplama çeşididir. Telefonunuzu düşürürseniz ekranın sert ama kolayca kırılabildiğini görürsünüz. Grafen ise daha dayanıklı olmalı. Rice Üniversitesi'nde görevli araştırmacılar, ultra ince, görünmez metal kablolarla bağlanan bir grafen film oluşturmayı başardılar. Bunun yakın zamanda ITO'nun yerini alması bekleniyor.

KAYNAK

BEĞEN Paylaş Paylaş

Bu mesajı 1 üye beğendi.

In science we trust.

Cevapla

ThinkerBeLL

VIP VIP Üye

31 Ocak 2012 Mesaj #3

VIP VIP Üye

Grafen
Vikipedi, özgür ansiklopedi

Grafen, karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından biridir.

Ad: 750px-Graphen.jpg
Gösterim: 2053
Boyut: 75.7 KB

Periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri Karbon atomudur. Karbonun grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özellikle karbon nanotüpler ve C60 (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziğini son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir. Bal peteği kristal yapısında, sp² melezleşmesi yapan; grafitin, nanotübün ve C60'ın ana yapıtaşı olan grafen ise ancak 2004 yılında sentezlenebilmiştir. İngilizce'de "Graphite" ve "ene" kelimelerinden türetilen "graphene" terimi Türkçede grafen olarak karşılık bulmuştur. 2010 Nobel Fizik Ödülü, "iki-boyutlu grafen malzemesine ilişkin çığır açan deneyleri için" Andre Geim ve Konstantin Novoselov'a verilmiştir. [1]

1. Tanım
Karbonun bal peteği örgüsülü yapıları olan grafen, grafit, karbon nanotüp ve fulleren sp² melezleşmesinin ürünüyken elmas ise sp³ melezleşmesi ve dört-yüzlü ağ örgüsü ile öncekilerden farklı bir kategoride değerlendirilir. Grafen, iki boyutlu planar yapıların çok ender örneklerinden birisidir. Karbon atomları 1s ve 2p orbitallerinin birleşimi ile 120 derece açılı sp² melezleşmesi yaparken boşta kalan pz orbitalleri de grafen malzemesine sıradışı özellikler kazandırmaktadır.
Grafen yapısında karbon-karbon bağ uzaklığı yaklaşık olarak 1.42 Angstrom iken grafen tabakalarının üst üste gelmesi ile meydana gelen grafitte iki grafen tabakası arasındaki mesafe yaklaşık 3,35 Angstrom'dur. Grafendeki güçlü karbon bağları ona yeryüzündeki bilinen en sağlam malzemelerden biri olma özelliğini kazandırmıştır. Bununla birlikte grafitteki grafen katmanlar arasındaki bağlar oldukça zayıftır. Kurşun kalemi kağıda sürtünce bu zayıf bağlar kırılmakta ve kağıda yayılan grafen ve grafit tabakalar yazı izlerini oluşturmaktadır.
Karbon nanotüpler, C60 molekülleri ancak yapay yollarla sentezlenebilirken elmas ve grafit doğada serbest olarak bulunabilmektedir. Termodinamiksel hesaplamalara göre karbonun grafit fazı elmastan dahi daha kararlıdır. Fakat bunlara rağmen grafitin tek katmanlı hali olan grafen malzemesin sentezlenmesi 2004 yılına kadar gerçekleşememiştir. Hatta L. D. Landau ve R. Peierls gibi önemli fizikçiler grafen gibi iki boyutlu malzemelerin teorik olarak kararlı olamayacaklarını; bu kararsızlığın düşük sıcaklıklarda bile malzemenin dağılmasına yol açacağını öngörmüşlerdir. Grafenin kararlı yapısının altında yatan sebebin yüzeye dik termal dalgalanmalar olduğu düşünülmektedir.

2. Sentezlenmesi
2004 yılında şaşırtıcı bir şekilde bilimadamları iki boyutlu grafen kristallerini ayırmayı başardılar. Andre Geim, Kostya Novoselov ve proje arkadaşları sıradan bir yapışkan selobantı grafit üzerine tekrar tekrar yapıştırıp kaldırarak tekil grafen katmanını ayırmayı başardılar ve izole ettikleri grafen katmanını basit bir optik mikroskop ile gözlemlediler [2]. Bu olay ilk başlarda pek dikkat çekmedi. Fakat daha sonraları grafende keşfedilen kütlesiz Dirac fermiyonları [3], anormal kuvantum hall etkisi [4], oda sıcaklığında balistik taşınma [2], Klein paradoksu [5], gibi yeni olgular grafende deneysel olarak gözlendi. Bunlar sonucunda grafene olan ilgi son derece arttı ve artmaya da devam etmekte.
Grafen yaygın olarak şu yöntemler ile elde edilmektedir:

Kaydırma yöntemi
Epitaksiyel Büyütme
Silisyum-Karbon yöntemi
Kimyasal ayrıştırma yöntemi

2.1. Kaydırma Yöntemi
Grafit tabakası bir yüzey üzerine kaydırılarak grafen katmanlarının ayrışması sağlanır. Grafitin selobant ile katmanlarını ayrıştırılması da bu metod içerisinde değerlendirlir. Grafenin ilk kez sentezlenmesi Manchester grubu tarafından bu yöntem kullanılarak gerçekleştrilmiştir [2]. 100 mikrometre büyüklükte grafen parçacıkları bu metod ile sentezlenebilmektedir.

2.2. Epitaksiyel Büyütme
Bir alttaş üzerinde grafenin büyütülmesidir. Grafenin büyütüldüğü alttaş grafen ile etkileşebilmektedir.

2.3. Silisyum-Karbon Yöntemi
Silisyum-karbonun yaklaşık 1100 dereceye kadar ısıtılması ve silisyum atomlarının buharlaşması sonucu kalan karbon atomlarının kendi aralarında grafen oluşturması metodudur. Oluşan grafen parçacıkları diğer metodlar ile karşılaştırıldığında küçük kalmaktadır.

2.4. Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi
Grafit tabakalarının arasına sitrik asit gibi kimyasallların katılması ve ile grafen tabakalarının ayrıştırılması sağlanabilmektedir.

3. Atomik Yapı
Grafenin kristal yapısı Raman ve Rayleigh gibi yüksek çözünürlüklü mikroskopi yöntemleri ile incelenmiş ve bal peteği şeklindeki ağ örgüsü ıspatlanmıştır. Grafenin kristal yapısı Bravais örgüden değildir. Daha çok birim hücresinde 2 carbon atomu bulunduran üçgensel örgü kullanılarak ifade edilebilir. Ağ örgü vektörleri şöyle seçilebilir.

Burada a

Ad: 27b0b4ad5bab9a8a326aae5fbb1161d1.png
Gösterim: 1766
Boyut: 371 Byte

karbon-karbon mesafesidir. Ters ağ örgü vektörleri ise şöyle gösterilebilir.

Brillouin bölgesindeki iki K ve K' noktaları grafen için çok önemlidir. Bu noktaların koordinatları şöyle ifade edilebilir:

4. Elektronik Yapı
Her ne kadar grafenin sentezlenebilmesi oldukça geç olsa da grafenin elektronik özelliklerinin araştırılmaya başlanması 1946'lara kadar uzanmaktadır. İlk grafen çalışmalarından birini P. R. Wallace yapmıştır. Wallace grafen kelimesini kullanmayıp yerine "tek katmanlı yapı" dediği çalışmasında grafenin enerji-bant yapısını incelemiş ve bu çalışmasını 3 boyutlu grafitin elektronik özelliklerini anlamaya çalışmakta kullanmıştır. Grafendeki yük taşıyıcıları adeta kütleleri yokmuş gibi davranabilmektedirler. Bilinen tight-binding yöntemi ile dalga numarası k olan grafen elektronlarının enerjisi şu formül ile modellenebilir.

Burada

Ad: 00f0a6e4163e2f58ad22aef7022809d9.png
Gösterim: 1743
Boyut: 586 Byte

en yakın hoplama parametresi enerjisini temsil etmektedir. + ve − işaretleri ise sırasıyla π * ve π enerji bantlarına tekabül etmektedir. Figür ~4-a tek katman grafenin bant yapısını göstermektedir. Enerji K noktasında momentum ile lineer olarak değişmektedir. Kütlesiz relativistik parçacıkların da uyduğu bu enerji ilişkisi şöyle ifade edilebilir:

Burada ışık hızının ( Ad: eb1fedca7236863227a53940ab0f5553.png
Gösterim: 1736
Boyut: 441 Byte

) yerine fermi hızı Ad: b9362365267f68fdc2c5d82f0dbcd8e4.png
Gösterim: 1704
Boyut: 557 Byte

gelmektedir. Böyle bir enerji-momentum bağımlılığı sadece grafen için geçerlidir. Diğer sıradan malzemelerde (metal, yarı iletken) enerji momentuma ikinci dereceden bağımlıdır. 2 katmanlı grafende dahi (~4-b) lineer enerji bağımlılığı yok olmaktadır. Elmas yapıda ise tamamen farklı olarak sistem elektriksel-yalıtkan olarak davranmaktadır.
Grafenin kendine has bir özelliği de oda sıcaklığında elektronların herhangi bir çarpışma olmadan oldukça uzun mesafeleri (ballistic transport) kat edebildiği bir malzeme olmasıdır. Karbon atomlarının bağ yapmak için dört elektronları vardır. İki boyutlu olan grafende üç bağ yaptıklarından, dördüncü elektron kristalde serbestçe dolaşır ve grafene yüksek iletkenlik kazandırır. Sıradan metallerde, elektron saçılması enerji kaybına ve ısı ortaya çıkmasına sebep olur. Binanaleyh, grafen geleceğin elektronik aygıtları için umut vericidir.

5. Grafen Nanoşeritler
Kusursuz grafen iki yönde sonsuza kadar uzanan bir örtü gibidir. Gerçekçi grafen ise girinti ve çıkıntılardan oluşan kenarlara sahiptir. Bu girinti ve çıkıntılar grafen kristali yeterince büyük ise etkisiz olmaktadır. Sentezlenen grafen parçaları sonlu olsa da sergiledikleri fiziksel özellikler sonsuz grafene benzerdir. Çok küçük grafen şeritlerinde kenarların etkileri ortaya çıkar ve grafen nanoşeritler grafenden ayrı olarak incelenmeyi hak etmektedirler.
Grafen şeritler sahip oldukları kalınlığa ve kenarlarının tipine göre göre farklı özellikler sergilemektedirler. Normal grafen kristallerinin yasak enerji aralığı sıfır iken, kalınlığı 1 nanometre civarında olan n = 14 armchair grafen nanoşeridin 1.5 eV civarında bir yasak enerji aralığına sahip olduğu teorik çalışmalarda gösterilmiştir. Yasak enerji aralığı şeritlerin kalınlığına bağlı olarak da değişiklikler göstermektedir. Belirli yönde kesilen grafen şeritlerden bazıları manyetik karakter sergilemektedir. Hatta Berkeley deki araştırmacılar bu manyetik şeritlerin uygulanan elektrik alan altında yarı-metal özellik gösterdiklerini de keşfetmişlerdir. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı ve grubu ise grafen nanoşeritlerin kalınlık modifikasyonu neticesinde çoklu kuvantum kutu yapıları (MQW) oluşturdugunu, bu yapıların parçacık durumlarını şeridin belirli yerlerinde hapsedebildiklerini, daha da ilginci belirli şeritlerin parçacık spinlerini dahi hapsedebildiklerini göstermişlerdir. Parçacık durumlarının hapsolduğu bu nano yapıların geleceğin kuvantum-bilgisayarlarında kullanılabilecekleri hale getirilme çalışmaları da bilim adamlarınca yürütülmektedir.
Stanford üniversitesinden H. Dai önderliğindeki araştırma grubu 10 nm kadar dar grafen şeritlerin sentezlenmesini başarmıştır. Daha dar şeritlerin sentezi ve mevcut şeritlerin kullanılması ile ilginç ve sıradışı özellikli nanoteknoloji uygulamalarının ortaya çıkacağı beklenmektedir.

6. Kullanım alanları
Grafen bilinen ilk iki boyutlu malzemedir ve bu özelliğiyle teknolojik uygulamalar hususunda oldukça ilgi çekmektedir. Grafenin rulo haline gelmiş formu olan karbon nanotüpler ile alakalı günümüze kadar elektronikten sağlığa kadar birçok alanda binlerce kullanım alanı düşünülmüştür. Grafenin de karbon nanotüpler için ön görülen alanlarda adapte edilmesi mümkündür. Nanotüpler için edinilmiş deneyimlerden yararlanılması sayesinde grafen teknolojisinin önümüzdeki yıllarda büyük bir atılım gerçekleştirmesi ümit edilmektedir. Grafenin nanotüplere oranla daha basit olan elde ediliş teknikleri ve bu tekniklerin nanotüplere göre daha kontrol edilebilir olması grafenin nanotüp teknolojisi üzerine hakimiyet kurmasını da beraberinde getirebilir.
Her ne kadar grafenin ilk sentezlenişi 2004 yılında gerçekleşmiş olsa da yapılan araştırmalar neticesinde gerçekçi kullanım alanları ortaya cıkarılabilmiştir. Örnek vermek gerekirse şunlar gösterebiliriz.

6.1. Grafen Transistor
Grafenin akla gelen ilk uygulama alanı grafen kullanılarak elde edilmiş olan tranistörlerdir. Manchester University The School of Physics and Astronomy'de Prof.Andre Geim ve Dr.Kostya Novoselov bir atom kalınlığında ve en fazla elli atom genişliğinde grafen transistörü geliştirdiler. Grafen dik yöndeki elektrik alana verdiği tepkiden dolayı FET yapımına uygundur. Bu transistör oda sıcaklığında çalıştığından elektronik aygıtlar için oldukça önemlidir. Bu aygıtların başında quantum noktaları,devreler arası bağlaç aygıtlar ve mantık kapıları gelmektedir. Günümüzdeki silisyum tabanlı elektronik teknolojisi gün geçtikçe sınırlarına yaklaşmaktadır. Çünkü silisyum çok küçük ölçeklerde kararlılığını kaybetmekte ve daha başka problemler ortaya çıkmaktadır. Yarı iletken endüstrisinin elektronik bileşenlerin küçültülmesi konusunda gelecek yirmi yıl içinde karşı karşıya kalması beklenen en büyük sorunlardan biri olan alt sınıra ulaşılması grafen sayesinde aşılabilecek gibi duruyor. Silikon tabanlı teknoloji alt sınıra ulaştığı zaman sadece tek bir atom kalınlığındaki grafen, bu soruna bir alternatif oluşturabilecek. Bu sebebten INTEL ve IBM gibi dev teknoloji şirketleri grafen ile alakalı araştırmaları etkin bir biçimde desteklemektedirler.

6.2. Grafen ve pil teknolojisi
Grafen, sağlam olduğu kadar iyi de elektrik tutmakta ve bu özelliğinin pil teknolojisinde devrim yaratması beklenmektedir. Elmas keskilerine dayanacak kadar güçlü bir karbon tabakası olan grafenin, yongaların bileşiminde silikonun yerini alabilecek olmanın yanı sıra şarj ömrünü de inanılmaz uzatabileceği düşünülmektedi.
Amerika'da bulunan Teksas Üniversitesi'nin araştırmacıları, normal pillerden daha güçlü elektrik depoları olan ultrakapasitörleri grafen tabanlı olarak imal etmeyi başardılar. Sonuç, normalin iki katı kapasiteye sahip olan ultrakapasitörler oldu. Bu gelişme hayata geçirilirse, şarjlı pille çalışan cihazlar yanında, rüzgarsız veya güneşsiz günler için büyük miktarda enerji depolama yöntemleri arayan yenilenebilir enerji endüstrisi için de çok faydalı olacak.

6.3. Grafen Sensörler
Grafenin sensör teknolojisinde kullanılması da bi diğer kaydedeğer gelişmelerdendir. Yine Andre Geim ve grup elamanları grafeni kullanarak azot di oksit moleküllerinin grafen yüzeyine yapışma ve ayrılmasını moleküler hassasiyette tespit etmeyi başardılar. Grafen kullanarak NEMS sistemleri yapmak da mümkündür. Cornell Üniversitesinden araştırmacılar grafeni son derce hassas elektromekanik rezonatör yapımında kullanmışlardır.

6.4. Grafen ve Hidrojen Depolama
Pil teknolojisinde olduğu gibi hidrojen depolamada da grafen malzemesi oldukça önemli roller üstlenebilir. Artan küresel ısınma ve fosil yakıtların gün geçtikçe azalması araştırmacıları yeni arayışlara itmektedir. Hidrojenin verimli bir şekilde depolanıp elektrik enerjisi gereken yerlerde kullanılması için oldukça yoğun araştırmalar yürütülmektedir. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı ve grubunun yaptığı teorik modellemeler neticesinde Lityum atomlarının grafen üzerine yapışması sonucu oluşan yapının ağırlığının % 12'si kadar hidrojeni depolayabileceği öngörülmüştür.

6.5. Grafen ve Spintronik
Spintronik teknolojisi de günümüzde oldukça önem kazanmaya başlamıştır. Elektronların yüküne ek olarak sahip oldukları spinlerini de kullanmaya çalışan bu teknoloji günümüz bilgi depolama sistemlerinde hayati öneme sahip bulunmaktadır. Grafen nanoşeritlerin de sahip oldukları manyetik özellikler sayesinde spintronikte kullanım alanları doğmaktadır. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı'nın spin durumlarının grafen şeritlerinde hapsolmasını öngören çalışmasına ek olarak Tuğrul Senger'in Hasan Şahin ile yaptığı çalışma Türk bilim adamlarının bu konudaki katkılarına örnek gösterilebilir. Ayrıca grafen nanoşeritleri Demir ve Titanyum atomları katkılanarak yarı-metal özellik kazanabilmektedir. Belirli spin yönününde akım geçirip diğer yönde yalıtkan olan yarı-metal malzemeler de spintronik teknolojisinde önemli yere sahiptir.

6.6. Yapısı ve kullanım alanları
Grafen, grafit yapısının tek katmanıdır. İki boyutlu bu yapı iletkendir. Belli düzenlerle kesilip yuvarlanırsa karbon nanotüpler elde edilebilir.
Kusursuz grafenler tamamıyla altıgen hücrelerden oluşurlar; beşgen ve yedigen hücreler yüzey üzerindeki hatalar olarak varsayılır. Eğer izole edilmiş bir beşgen hücre varsa bu zamanla konik bir şekil alır. Aynı şekilde yedigen bir hücre de semer şekilli bir yapıya dönüşür. Beşgen ve yedigen hücrelerin kontrollü birleşimleri ile değişik şekiller elde edilebilir.
Tek duvarlı karbon nanotüpler grafen silindirleri olarak düşünülebilir, bazı nanotüplerde iki uçta altıgen hücreden kapaklar bulunur. Grafen son zamanlarda teknoloji geliştiricilerinin dikkatini çekmiştir. Georgia Tech araştırmacıları Mart 2006'da grafenlerden oluşan alan-efekti transistörleri ve kuantum girişim aygıtları üretmeyi başarmıştır.

6.7. Şerit Grafen
Şerit grafenler kenar yapısına göre düz ya da zigzag olarak ayrılırlar. Şerit grafenler spin bağımlı özellikleri ile dikkat çekerler. Yapılan deneyler ve kuramsal hesaplar, zigzag grafen şeritlerin kernar bölgelerinde yerelleşmiş elektronların zıt spin özelliğine sahip olduklarını göstermiştir. Fakat düz kenarlı grafit şeritlerde bu durum gözlenmemektedir. Zıt spin yapılarının her iki tarafta Fermi seviyesine yakın bulunmaları, şerit grafenleri potansiyel spin ayracı konumuna getirmektedir. [6]

6.8. Kimyasal düzenleme
Grafenin çözünebilir parçaları laboratuvar koşullarında grafite bazı kimyasal işlemler uygulanarak elde edilebilir. Öncelikle, mikrokristal yapıdaki grafite güçlü bir Sülfürik asit ve nitrik asit karışımı uygulanır. Ardından uygulanacak olan oksidasyon ve eksfolyasyon işlemleri ile uçlarına karboksil grupları bağlanmış grafen tabakaları elde edilir. Thinoil klorid kullanılarak bu yapılar asit klorid gruplarına çevrilir. Sonrasında oktadesilamin ile bu yapılar da grafen amidlere çevrilir. Oluşan 5.3 Angstrom kalınlığındaki dairesel grafen katmanları tetrahidrofuran, tetraklorometan ve dikloroetan tarafından çözülebilir.

7. Özellikler

7.1. Elektron taşıma
Elektronlar Fermi-Dirac istatistiğiyle betimlenen parçacıklardır ve katı hal fiziğinin sınırları içerisinde genellikle göreceli olmayan parçacıklar kategorisinde değerlendirilirler. Zira eletronun katı haldeki madde içerisindeki hızları ışık hızından oldukça düşüktür ve göreceli olmayan parçacık denklemi (Schrödinger denklemi) elektronların katılardaki davranışlarını oldukça iyi bir şeklide izah eder. Fakat grafen için durum oldukça farklıdır. Grafendeki elektronların hızları da ışık hızına göre oldukça küçüktür, ancak Schrödinger denklemi yerine ışık hızına sahip fermiyonları betimleyen Dirac denklemine uyarlar. Grafen elektronları için yazılan denklemle gerçekten göreceli parçacıklar için yazılan denklem arasındaki tek fark denklemdeki ışık hızının değeridir. Ayrıca grafendeki elektronların etkin kütleleri sıfırdır. Bu yüzden grafen elektronlarına kütlesiz Dirac fermiyonları da denmektedir.
Temel denklemdeki bu farklılık kuvantum taşınım probleminde kendini gösterir. Klein paradoksu olarak adlandırılan, olağandışı tünelleme olayı grafende gözlenmiştir.

*****
Kaynaklar
[1] Nobel Foundation announcement
[2] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Yiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov (2004). "Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds". Science 306: 666.
[3] Novoselov, K. S. et al. (2005). "Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene". Nature 438 (7065): 197–200. doi:10.1038/nature04233. PMID 16281030.
[4] Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., and Kim, P. (2005). "Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene". Nature 438: 201–204. doi:10.1038/nature04235.
[5] Andrea F. Young, Philip Kim (2009). "Quantum interference and Klein tunnelling in graphene heterojunctions". Nature Physics 5: 222.
[6] Bilim ve Teknik, Ocak 2008, s. 58-60

BEĞEN Paylaş Paylaş

Bu mesajı 3 üye beğendi.

Tanrı varsa eğer, ruhumu kutsasın... Ruhum varsa eğer!

Cevapla

nötrino

Yasaklı

7 Mayıs 2012 Mesaj #4

Yasaklı

Grafen, “Islak” Kimyayı Mikroskop Altına Gönderiyor

Grafen için dikkat çeken uygulama alanlarının listesi iyice kabarıyor. Bu sefer, ABD ve Kore'den bilim adamları tek atom kalınlığında karbon yarı geçirgen zarının bir elektron mikroskobu için bir kap olarak kullanılabileceği ve başarılması herkes tarafından bilindiği gibi çok zor olan ıslak kimyanın atom çözünürlüğünde gözlenebileceğini ortaya çıkardılar.Grafen kabı, araştırmacılara sıvı hal kimyasını çok daha büyük bir ayrıntı ile izleme olanağı veriyor. Araştırmacılar, platin nanokristallerin çözeltiden nasıl oluştuğunu araştırmak istediler. ABD'deki Berkeley, Kaliforniya Üniversitesi'nden grup üyesi Alex Zettl, “Atomik çözünürlükte kristallerin oluştuğunu görmek, kesin gelişme prosesini anlamak ve bu sebeple kullanmaya izin veriyor” şeklinde konuştu.

Ancak, geçirgenlik elektron mikroskopisi ile sıvı faz proseslerin iyi çözünürlükte görüntülenmesi, gerekli olan yüksek vakum şartlarında sıvı tür için gerçekçi koşulları sağlayabilmenin zorluğu ile güç durumda kalıyor. Bunu gerçekleştirmenin bir yolu, örneği silikon nitrür veya silikadan yapılmış bir pencere içinde, kapalı bir hücre şekline getirmek oluyor. Ancak, lensin nispeten kalın olması gerekiyor ve bu yüzden elektronların geçişini engelliyor ve elde edilebilecek çözünürlük azalıyor.Zettl ve meslektaşları, grafenin iyi bir sıvı hücresi olabileceğini farkettiler. Zettl, “Grafen deliksiz ve sürekli bir yapıya sahip, çok esnek ve çok kuvvetli; en iyisi de yalnızca bir atom kalınlığında ve elektron demetine karşı son derece geçirgen” açıklamasını yapıyor.

Araştırma ekibi iki grafen tabakası oluşturuyor ve bunların arasına bir platin iyonu çözeltisi sıkıştırıyor, böylece çözeltiyi kapatan bir grafen kabarcığı üretilmiş oluyor. Mikroskopta, çarpan elektronlar platin iyonlarını metale indirgiyor ve nanokristaller oluşuyor. Grafen sıvı hücresi, araştırmacılara daha önce mümkün olmayan bir ayrıntı seviyesinde kristal gelişimini gözleme imkânı tanıyor. Zettl şöyle ekliyor: “Oluşumda daha aktif yüzlerin yeni atomları çağırdığı ve küçük kristalitlerin büyük olanlara dönüştüğü görülüyor.

Gelişim için farklı modeller önerilmişti, ancak şu anda doğrudan gözlem yaparak hangilerinin doğru olduğunu biliyoruz. Bu durum, bitmiş eski bir Mısır tapınağını görmek ve sonra hangi blokların hangi sırayla konulduğunu bulmaya benziyor; ancak şimdi tapınağın blok blok inşa edildiğini izleyebiliyoruz. Bu bize müthiş bir yeni anlayış veriyor.” Teknik, sıvı faz sistemlerin büyük bir kısmına uygulanabilecek durumda. Zettl şöyle bitiriyor: “Temelde, herhangi bir ıslak kimyasal proses…” İki boyutlu nanomalzemeleri (grafen dahil) çalışmak için yüksek uzaysal çözünürlüklü elektron mikroskopisi yöntemini kullanan, Birleşik Krallık'taki Oxford Üniversitesi'nden Nicolosi, çalışmadan etkilendiğini belirtiyor ve şöyle devam ediyor:

“Grafeni yerinde (in situ) hücre görüntülemesinde bir araç olarak kullanma yaklaşımını devrimsel ve en azından söylemek gerekirse keşifsel buluyorum. Onlar yalnızca, sıvı örnek için tahribatlı olmayan koşulları gerçekçi olarak üreten ve dolayısıyla in situ olarak gerçek bir araştırma yapabileceğiniz bir çevre oluşturmakla kalmıyor, atomik çözünürlüğe olanak tanıyor ve elektron demetinin altındaki ısınma etkisini en aza indirgiyor.”

Kaynak : J M Yuk et al, Science, 2012 (Aktaran: Simon Hadlington / 10 Nisan 2012)

BEĞEN Paylaş Paylaş

Son düzenleyen nötrino; 26 Mayıs 2015 16:06

Cevapla

nötrino

Yasaklı

4 Ekim 2012 Mesaj #5

Yasaklı

Atomun 100 Katı Çözünürlükte

Teknoloji devi IBM, teknoloji ve bilim alanındaki en büyük gelişmelerden birine imza attığını duyurdu. Şirket, mühendislerinin ‘temassız atomik güç mikroskopi’ adı verilen bir teknik aracılığıyla, moleküllerin kimyasal bağlarındaki farkları gözlemlemeyi başardıklarını açıkladı. Gözlem, bugüne kadar gerçekleştirilen en yüksek çözünürlükte, atomun yüzde biri oranında yapıldı. IBM, elde edilen başarının atom ve moleküllerin çok daha küçük boyutlarda incelenemesine olanak vereceğini ifade etti. Mühendisler, teknoloji ve bilim alanında büyük atılımlar sağlayabileceğini belirttikleri başarının, en kuvvetli materyallerden biri olan grafen temelli cihazların geliştirilmesinde kullanılabileceği gibi, atom ve moleküllerin çok daha küçük boyutlarda incelenmesini mümkün kılacağını belirtti.

Atomik Mikroskop Kullanıldı

Grafen, karbon atomunun sadece bir atom kalınlığındaki hali olarak biliniyor. IBM, C60 molekülü üzerineki analizlerinde, temassız atomik güç mikroskopi (AFM) yöntemiyle bilimde ilk kez tek atomların ve bağların arasındaki farklılıkları gözlemlemeyi başardı.IBM’deki araştırmacılar, atom ve moleküllerin olabilecek en yüksek çözünürlükte incelenmesine imkan verecek gelişme adına bir ucunda tek bir karbon monoksit molekülü bulunan atomik güçlü mikroskop kullandı.

Merkezdeki bağlar kenardakilere göre daha kısa iken, daha çok elektron bulunduruyorlar. Mikroskobun ucundaki molekül ile deneyde kullanılan molekül örneği arasındaki etkileşim bir görüntü ortaya çıkardı. Bu teknik, tek bir molekül bağının sadece üç pikometre, yani atomun çapının 100’de 1’i kadar yüksek çözünürlükte incelenmesini sağladı (1 pikometre= 0.000000000003 metre.) Elde edilen başarı, yeni araştırma alanlarına kapı aralayacağı gibi, kimyasal bağların maddenin uyarılmış halinde nasıl değişimler gösterdiğini gözlemlemeye olanak sağlayacak.

C60 Analiz Edildi

IBM, bu moleküllerdeki karbon atomlarının arasındaki bağların uzunluk ve güç olarak çok az farklılık gösterdiğine dikkat çekerek, hafif farklılıkların kimyasal, elektronik ve optik özellikler için büyük önem taşıdığını belirtti. Grafen’in, mevcut mikroçip teknolojileri için kullanılan cihazların yerini alacak yeni donanımların üretilmesinde kullanılabileceği düşünülüyor. Yüksek geniş bant aralığındaki kablosuz iletişim teknolojilerinde ve elektronik görüntülemede büyük rol oynaması beklenen grafenin, IBM’de elde edilen başarının ardından çok daha etkin olarak teknolojik gelişimlerde kullanılabileceği belirtildi.

Kaynak : Ntvmsnbc / BBC (04 Ekim 2012,14:21)

BEĞEN Paylaş Paylaş

Son düzenleyen nötrino; 26 Mayıs 2015 16:09

Cevapla

nötrino

Yasaklı

2 Şubat 2013 Mesaj #6

Yasaklı

Nokia Dünyanın En Sert Materyalini İşleyecek

Nokia, mobil teknolojilerin yanı sıra bilimsel alanda da yeniliklere imza atmak için kollarını sıvadı.Yeni teknolojiler geliştirilmesi konusunda akıllı telefon sektörüyle sınırlı kalmayan Finlandiyalı şirket, dahil olduğu konsorsiyumdan aldığı dev bütçeyle bugüne kadar test edilen en sert materyal olan grafeni ‘daha pratik kullanımlar için geliştireceğini’ açıkladı. Karbon atomunun sadece bir atom kalınlığındaki, 2 boyutlu bir yapı olan grafen, çelikten 300 kat sert. Grafen aynı zamanda, iletim yapan en hafif maddelerden biri olmasıyla elektronik cihazların kullanımı için de ideal. Slashgear’ın verdiği bilgiye göre, bünyesinde 73 şirket ve akademik kurumlar bulunan Graphene Flagship, verdiği bütçeyle Nokia’dan grafeni pratik kullanımlar için geliştirmesini istiyor. 1.35 milyar dolarlık bağış, Avrupa Birliği (AB) ve Avrupa Komisyonu’na bağlı araştırma kuruluşu Future and Emerging Technologies tarafından onaylandı.

Grafen, 2008 yılında ABD'nin Columbia Üniversitesi tarafından yapılan deneyler sonucunda 'dünyanın en sert materyali' ilan edildi.Nokia’nın araştırma biriminin başındaki Jani Kivioja, ‘Konsorsiyumun sadece grafen için araştırma fırsatları sunmakla kalmadığını, aynı zamanda Avrupa’da istihdam oluşturulmasına da yardımcı olacağını’ ifade etti. Kivioja, ‘grafenin çeşitli ürünler için standart girdi haline gelmesini beklemediğini, ancak ürünün mevcut materyal ve ürünlerin geliştirilmesinde rol oyanayacağını düşündüğünü’ belirtti.

Kaynak: Ntvmsnbc / BBC (01 Şubat 2013,14:38)

BEĞEN Paylaş Paylaş

Son düzenleyen nötrino; 26 Mayıs 2015 15:56

Cevapla

nötrino

Yasaklı

28 Ekim 2013 Mesaj #7

Yasaklı

Grafen Su Islahı ve Karbon Yakalanmasını Hedef Alıyor

Birbirinden bağımsız iki araştırma grubu grafen esaslı yarı geçirgen zarların boyut ve şekle göre gaz moleküllerini ayırabildiğini gösterdi. Zarlardan biri azot ve karbon dioksitten hidrojeni ayırırken (1), diğeri azottan karbon dioksidi ayırmaktadır (2) ve sera gazı emisyonları ile ilgilenen karbon yakalama süreçlerinde kullanılabilir.

Grafen, atom boyutunda kümes teline benzeyecek şekilde altıgenlerden oluşmuş karbon atomları içeren, grafitin atom kalınlığındaki halinden ibarettir. Bu malzeme 2004'te ilk kez üretilmiş ve 2010 Nobel Fizik ödülü'nü almıştır. Bilim adamları bu malzemenin eşsiz optik, elektronik ve mekanik özelliklere sahip olduğunu tespit etmiştir. Bilim adamlarının ilgilendiği başka bir özellik ise bu yapının gazlara karşı geçirgen olabilmesidir. Grafenin farklı gaz moleküllerine karşı geçirgen olması başarılabilirse, bir süzgeç olarak kullanılabilir ve bir atom kalınlığında olması nedeniyle molekülleri çok hızlı bir şekilde ayırabilir.

Ne yazık ki, saf ve hasar görmemiş grafen bütün gazlara karşı geçirmezliğe sahiptir, bunun sebebi atomlarının yoğun elektron bulutları ile çevrili olmasıdır. Grafenin üretilmesi güçtür ve örnekler her zaman hatalar içerir, bu hatalara örnek olarak delikler, eksikler, tanecikli yapılar verilebilir ve gazlar bu yapılar üzerinden – en azından teorik olarak – geçebilir. Grafen asitle muamele edilip grafen oksit yapılabilirse daha fazla hata oluşturulabilir; grafen oksitte bazı karbon-karbon bağları kırılarak oksijenli türevler oluşmaktadır.

Karbon Süzgeci

Son zamanlarda, Güney Kore'deki Hanyang Üniversitesi'nde çalışan Ho Bum Park, arkadaşları ile birlikte grafen ve grafen oksit esaslı bir yarı geçirgen zarın azot gazından karbon dioksidi başarı ile ayırabildiğini gösterdi. Araştırmacılar, yarı geçirgen zarı hazırlamak için var olan gözenekli bir polimer zarı alıp grafen ve grafen oksidi çözeltisine batırıp çıkarma ya da grafen ile grafen oksit çözeltisinin döndürülen zar üzerine damlatılması yöntemlerini kullandı. Tam üretim yöntemi üzerinde oynayarak araştırmacılar birbirine gevşek veya sıkı olarak bağlanmış grafen ve grafen oksit tabakaları içeren bir yüzey elde etti.

Park ve arkadaşları, zarın birbirine iyi geçmiş ve ayrılacak gazların yüksek su içeriği olması halinde, zarın azotu geçirmeyip karbon diokside izin verdiğini tespit etti. Burada ayırmayı sağlayan unsur nem oldu ve Park'a göre zardaki küçük delikleri kapatan nem filmi karbon dioksidin çözünerek geçmesini sağlıyor ve suda çözünmediği için azota engel oluyor. Araştırmacılar bu zarın belli endüstriyel süreçlerde (örneğin kömür yakma gibi) karbon dioksidi ayırmak için kullanılabileceğini ve bu sayede sera gazı emisyonlarını düşürebileceğini söylüyor.

ABD'deki Güney Carolina Üniversitesi'nde çalışan Miao Yu, arkadaşları ile birlikte hidrojenden karbon dioksidi ve azottan hidrojeni ayırabilen grafen oksit esaslı bir zar üretti. Araştırmacılar, gözenekli bir destek maddesi üzerinden grafen oksit dağıtımı içeren bir ortamın vakumda süzülmesi ile hazırladkları ürünün su ıslahında uygulama alanı bulabileceğini düşünüyor.

ABD'deki Delaware Üniversitesi'nde çalışan Vladimiros Nikolakis, her iki gelişmeyi de ilginç buluyor. Nikolakis, şöyle diyor: “Özel bir ayırmada zarın yüzey alanı gereksinimlerini düşürmek amacıyla son derece ince ve çok seçici zarların kullanılması çok önemli. Bu iki çalışma grafen oksit veya grafen tabakaları ile bu amaca ulaşmanın mümkün olduğunu gösteriyor. Seçimlilik zarın hazırlanma biçimini veya muamele koşullarını değiştirerek oynanabiliyor, sonraki gelişmeler de çok olası”.

ABD'deki Missouri System Üniversitesi'nden Henry Foley, grafen esaslı zarların gaz ayırmada kullanılması “bir bakıma kutsal kâse gibi birşey” olduğunu söylüyor. Yarı geçirgen zarların yalnızca birkaç atom kalınlığında olması şu andaki ayırma sorunlarının (örneğin akışa karşı direncin) çözülmesine yardımcı olabileceğini söyleyen Foley, sözlerini şöyle tamamlıyor: “Bu yarı geçirgen zarların yeni teknoloji veya yeni bilimdeki yerini ancak zaman tayin edecek, ancak bu sonuçlar son derece heyecan verici”.

Kaynak: RSC (03 Ekim 2013)

BEĞEN Paylaş Paylaş

Cevapla

Cevap Yaz