تاریخچه گرافن

گرافن تک لایه اولین بار در سال 2004 توسط گروه آندره گیم و کنستانتین نووسلوف تولید و شناسایی شد. در حالی که پی آر والاس در سال 1947 آن را به صورت نظری مورد بررسی قرار داده بود.^[1]

بوهم و همکاران در سال 1986 اصطلاح گرافن را معرفی کرد.

تاریخچه گرافن

در سال 1859 بنجامین کالینز برودی به ساختار لایه‌ای اکسید گرافیت احیا شده با حرارت آگاه شد. ساختار گرافیت در سال 1916 با روش مربوط به پراش پودر شناسایی شد.^[2]

کوهشوتر و هنی در سال 1918 به طور کامل آن را مورد مطالعه قرار دادند و خواص کاغذ اکسید گرافیت را توصیف کردند. ساختار آن توسط پراش تک کریستالی در سال 1924 تعیین شد.

نظریه گرافن اولین توسط والاس در سال 1947 به عنوان نقطه شروعی برای درک خواص الکترونیکی گرافیت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفت.

به معادله دیراک بدون جرم،برای اولین بار توسط گوردون دبلیو سمنوف، دیوید دی وینچنزو و یوجین جی اشاره شد. تاکید سمنوف بر وقوع میدان مغناطیسی سطح لاندو الکترونیکی دقیقاً در نقطه دیراک بود.^[3]

اولین تصاویر TEM از گرافیت چند لایه توسط Ruess و Vogt در سال 1948منتشر شد.

بعدها، تک لایه های گرافن مستقیماً توسط میکروسکوپ الکترونی مشاهده شد. قبل از سال 2004، ترکیبات گرافیت درونی تحت یک میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM مورد مطالعه قرار گرفتند.

محققان گهگاه ورقه های گرافیتی نازک ("گرافن چند لایه") و حتی لایه های جداگانه را مشاهده کردند. مطالعه اولیه و دقیق در مورد گرافیت چند لایه به سال 1962 مربوط می شود، زمانی که بوهم گزارش داد که تک لایه های اکسید، گرافن کاهش یافته تولید می کند.

با شروع دهه 1970، لایه های منفرد گرافیت بر روی مواد دیگر رشد کردند. این "گرافن اپیتاکسیال" از یک شبکه شش ضلعی با ضخامت تک اتم، از اتم های کربن با پیوند sp2 تشکیل شده است، مانند گرافن آزاد. با این حال، بار قابل توجهی از بستر به گرافن اپیتاکسیال منتقل می‌شود و در برخی موارد، اوربیتال‌های d اتم‌های زیرلایه با اوربیتال‌های π گرافن هیبرید می‌شوند که به‌طور قابل‌توجهی ساختار الکترونیکی گرافن همپایی را تغییر می‌ده^[4]د.

لایه‌های منفرد گرافیت توسط TEM در مواد حجیم، به‌ویژه در داخل دوده به‌دست‌آمده از لایه‌برداری شیمیایی، مشاهده شد. تلاش‌ها برای ساختن لایه‌های نازک از گرافیت با لایه‌برداری مکانیکی در سال 1990 آغاز شد، اما قبل از سال 2004 چیزی نازک‌تر از 50 تا 100 لایه تولید نشد.

کشف

اولین تلاش ها برای ساخت فیلم‌های گرافیتی نازک اتمی، استفاده از تکنیک‌های لایه‌برداری مشابه روش کشیدن بود که با بوجود آمدن نمونه های چند لایه تا ضخامت 10 نانومتر همراه بود. پژوهشگران قبلی سعی کردند گرافن را با ترکیبات درونی جدا کنند و قطعات گرافیتی بسیار نازکی (احتمالاً تک لایه) تولید کنند.

یکی از اولین اختراعات مربوط به تولید گرافن در اکتبر 2002 ثبت شد که یکی از اولین فرآیندهای تولید گرافن در مقیاس بزرگ را بیان کرد. دو سال بعد، در سال 2004 گیم و نووسلوف بلورهایی با ضخامت تک اتم را از توده گرافیت استخراج کردند. آنها لایه های گرافن را از گرافیت بیرون کشیدند و به دی اکسید سیلیکون نازک منتقل کردند. روی یک ویفر سیلیکونی در فرآیندی به نام برش میکرومکانیکی یا تکنیک نوار اسکاچ، گرافن را به صورت الکتریکی ایزوله کرد که برهم کنش ضعیفی داشت و لایه‌های گرافن تقریباً خنثی از نظر بار را ایجاد میکرد^[5]. سیلیکون می تواند به عنوان یک الکترود "دریچه پشتی" برای تغییر چگالی بار در گرافن در محدوده وسیعی استفاده شود.

ثبت اختراع ایالات متحده که در سال 2002 ثبت شد، نحوه پردازش گرافیت منبسط شده برای دستیابی به ضخامت گرافیت صد هزارم اینچ (0.25 نانومتر) را شرح می دهد. کلید موفقیت، تشخیص بصری گرافن با توان عملیاتی بالا بر روی یک بستر مناسب انتخاب شده بود که کنتراست نوری کوچک اما قابل توجهی را فراهم می کند.

تکنیک برش، به اولین مشاهده اثر غیرعادی کوانتومی هال در گرافن منجر شد، که شواهد مستقیمی از فاز پیش‌بینی تئوری گرافن بری از فرمیون‌های بدون جرم دیراک ارائه کرد. این اثر توسط گروه Geim و توسط کیم و ژانگ گزارش شد که مقالات آنها در Nature در سال 2005 منتشر شد.

Geim و Novoselov برای تحقیقات پیشتاز خود در مورد گرافن جوایزی دریافت کردند، به ویژه جایزه نوبل فیزیک در سال 2010.^[6]

تجاری سازی

در سال 2014، موسسه ملی گرافن برای حمایت از تحقیق و توسعه کاربردی با مشارکت سایر سازمان های تحقیقاتی و صنعت تاسیس شد.^[7]

زمانی که تولید در مقیاس تجاری امکان پذیر شد، تجاری سازی گرافن به سرعت پیش رفت. در سال 2014 دو تولیدکننده تجاری شمال شرق انگلستان، Applied Graphene Materials و Thomas Swan Limited (به همراه Trinity College، محققان دوبلین)، شروع به تولید کردند. در East Anglia Cambridge Nanosystems یک مرکز تولید پودر گرافن دایر است. تا سال 2017، 13 سال پس از ایجاد اولین دستگاه الکترونیکی گرافن آزمایشگاهی، یک تراشه الکترونیکی یکپارچه گرافن به صورت تجاری تولید شد و توسط Nanomedical Diagnostics در سن دیگو در اختیار محققان داروسازی قرار گرفت^[8].

منابع

Geim, A K (2012). "Graphene prehistory". Physica Scripta. 146: 014003. Bibcode:2012PhST..146a4003G. doi:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003
Geim, A. K. (2012). "Graphene Prehistory". Physica Scripta. T146: 014003. Bibcode:2012PhST..146a4003G. doi:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003
Gusynin, V. P.; Sharapov, S. G. (2005). "Unconventional Integer Quantum Hall Effect in Graphene". Physical Review Letters. 95 (14): 146801. arXiv:cond-mat/0506575. Bibcode:2005PhRvL..95n6801G. doi:10.1103/PhysRevLett.95.146801. PMID 16241680. S2CID 37267733.
Zhang, Y.; Tan, Y. W.; Stormer, H. L.; Kim, P. (2005). "Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene". Nature. 438 (7065): 201–204. arXiv:cond-mat/0509355. Bibcode:2005Natur.438..201Z. doi:10.1038/nature04235. PMID 16281031. S2CID 4424714.
"The Story of Graphene". October 2014. Following discussions with colleagues, Andre and Kostya adopted a method that researchers in surface science were using –using simple Sellotape to peel away layers of graphite to expose a clean surface for study under the microscope.
"Graphene pioneers bag Nobel prize". Institute of Physics, UK. 5 October 2010.
"New £60m Engineering Innovation Centre to be based in Manchester". www.graphene.manchester.ac.uk. The University of Manchester. 10 September 2014. Archived from the original on 9 October 2014. Retrieved 9 October 2014.
"Graphene biosensors – finally a commercial reality". www.newelectronics.co.uk. Retrieved 9 August 2017.

[1]
Geim, A K (2012-01-01). "Graphene prehistory". Physica Scripta. T146: 014003. doi:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003. ISSN 0031-8949.
[2]
Geim, A K (2012-01-01). "Graphene prehistory". Physica Scripta. T146: 014003. doi:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003. ISSN 0031-8949.
[3]
Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Katsnelson, M. I.; Grigorieva, I. V.; Dubonos, S. V.; Firsov, A. A. (2005-11). "Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene". Nature (به انگلیسی). 438 (7065): 197–200. doi:10.1038/nature04233. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
[4]
Zhang, Yuanbo; Tan, Yan-Wen; Stormer, Horst L.; Kim, Philip (2005-11). "Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene". Nature (به انگلیسی). 438 (7065): 201–204. doi:10.1038/nature04235. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
[5]
Kato, Mikihiro; Guan, Sujun; Zhao, Xinwei (2021-12). "In-situ observation of graphene using an optical microscope". Applied Surface Science Advances. 6: 100138. doi:10.1016/j.apsadv.2021.100138. ISSN 2666-5239. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
[6]
"Graphene pioneers scoop Nobel prize". Physics World. 23 (11): 6–7. 2010-11. doi:10.1088/2058-7058/23/11/10. ISSN 0953-8585. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
[7]
"Marais, Prof. Richard, (born 16 March 1964), Director, Cancer Research UK Manchester Institute (formerly Paterson Institute for Cancer Research) and Professor of Molecular Oncology, University of Manchester, since 2012; Co-Lead, CRUK Lung Cancer Centre of Excellence, Manchester, since 2014; Scientific Co-Director, Belfast-Manchester Movember Centre of Excellence, since 2014". Who's Who. Oxford University Press. 2014-12-01.
[8]
Owen, Valerie (1997-01). "Real-time optical immunosensors — A commercial reality". Biosensors and Bioelectronics. 12 (1): i–ii. doi:10.1016/0956-5663(96)89090-7. ISSN 0956-5663. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[1] [1]
Geim, A K (2012-01-01). "Graphene prehistory". Physica Scripta. T146: 014003. doi:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003. ISSN 0031-8949.

[2] [2]
Geim, A K (2012-01-01). "Graphene prehistory". Physica Scripta. T146: 014003. doi:10.1088/0031-8949/2012/T146/014003. ISSN 0031-8949.

[3] [3]
Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Katsnelson, M. I.; Grigorieva, I. V.; Dubonos, S. V.; Firsov, A. A. (2005-11). "Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene". Nature (به انگلیسی). 438 (7065): 197–200. doi:10.1038/nature04233. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[4] [4]
Zhang, Yuanbo; Tan, Yan-Wen; Stormer, Horst L.; Kim, Philip (2005-11). "Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene". Nature (به انگلیسی). 438 (7065): 201–204. doi:10.1038/nature04235. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[5] [5]
Kato, Mikihiro; Guan, Sujun; Zhao, Xinwei (2021-12). "In-situ observation of graphene using an optical microscope". Applied Surface Science Advances. 6: 100138. doi:10.1016/j.apsadv.2021.100138. ISSN 2666-5239. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[6] [6]
"Graphene pioneers scoop Nobel prize". Physics World. 23 (11): 6–7. 2010-11. doi:10.1088/2058-7058/23/11/10. ISSN 0953-8585. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[7] [7]
"Marais, Prof. Richard, (born 16 March 1964), Director, Cancer Research UK Manchester Institute (formerly Paterson Institute for Cancer Research) and Professor of Molecular Oncology, University of Manchester, since 2012; Co-Lead, CRUK Lung Cancer Centre of Excellence, Manchester, since 2014; Scientific Co-Director, Belfast-Manchester Movember Centre of Excellence, since 2014". Who's Who. Oxford University Press. 2014-12-01.

[8] [8]
Owen, Valerie (1997-01). "Real-time optical immunosensors — A commercial reality". Biosensors and Bioelectronics. 12 (1): i–ii. doi:10.1016/0956-5663(96)89090-7. ISSN 0956-5663. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

کاربر:Mohammad babaee44

تاریخچه گرافن