Graphene_ve_ karakterizasyonu

Transcription

Nanokarbon ve Formları
Merve Arseven
İleri Malzemeler Araştırma Grubu
Nanoteknoloji&Nanotıp Anabilim Dalı
Beytepe, Aralık 2010, 1/37
GRAFEN
Yapısı
Genel özellikleri
kimyasal
fiziksel
mekanik
Sentezi
üretim ve elde edilme teknikleri
kimyasal sentez süreci
Kimyasal buhar çöktürme yöntemi
Uygulama Alanları
günümüzde
gelecekte
KARBON
Karbon atomunun doğada bulunma formları:
sp2
Grafit
sp3
Karbon atomunun elektronik olarak hibritleşmesi
sp,sp2 ve sp3 formları şeklinde kovalent bağ
yapmasını sağlar.
Elmas
GRAFİT
3.35 Å
aC-C=1.42 Å
Tek tabaka grafit= GRAFEN
Grafit (3B)
Nanokarbon Formları
Tek tabakalı grafit
yapısı olan grafen
başlangıç maddesinden
elde edilen;60 karbon
atomuna sahip futbol
topu şeklindeki
yapılara fulleren,boru
şeklinde katlanmasıyla
oluşan yapılara karbon
nanotüp denir.
A. K. Geim & K. S. Novoselov. The rise of graphene. Nature Materials Vol 6 183-191 (March 2007)
Grafenin Tarihi
1930 da, Landau ve Peierls grafenin, 2 boyutlu karistalin yapısı
gösterdiğini termodinamik yasalarına bağlayarak açıklamışlardır.
1947 de P.R Wallace tarafından grafitin band yapısı hesaplanmıştır.
Linus Pauling 1957 yılında grafenin elektronik yapısı ve özelliklerine
yayınladığı makalelerle ışık tutmuştur.
1980’e kadar karbonun sadece 3 temel formu olduğu sanılıyordu.
(elmas,grafit,amorf karbon)
2004 te , deneysel olarak sentezlenen
grafenin yüksek kalitede 2 boyutlu
kristallerden
meydana
geldiği
ispatlanmıştır.
2005 te Novoselov ve ekibi grafeni
tek tabaka halinde sentezlemeyi
başarmış ve beklenenden çok daha
değişik elektronik
ve fiziksel
özelliklere
sahip
olduğunu
ispatlamışlardır.
Grafenin Tarihi
Grafenin Yapısı
Grafenin TEM görüntüsü
Grafen 6 karbonlu bal peteği
görünümünde benzen
halkalarından oluşur.
Benzen
Halkası
Grafen elektron dağılımı
Pz düzeyi elektronları ∏ düzeyi elektronları
Her C atomu 3tane komşu C atomuyla б
2pz orbitaliylede kovalent ∏ bağı
Benzendeki tüm komşu karbon atomları
arasındaki uzaklık 1,42Å.
C—C tek bağından (1,54Å) biraz kısa,
C=C çift bağından (1,33Å) ise biraz
daha uzundur.
Grafenin Fiziksel özellikleri
Herhangi bir döndürme işlemine gerek olmadan CNT kadar
kuvvetli elektronik özelliklere sahip, daha az hacimsel yer kaplar.
Dalgalı yapı gösterir. 2D düzlemsel bir şekilde durabilmesi için
subtrata veya fonksiyonelliğe ihtiyaç duyar.
C atomunun küçüklüğünden dolayı kullanımı avantajlıdır.
grafen: 250,000 cm2/ V•s, Si: 1360 cm2/ V•s
Düzenli kristalin yapı gösterir.
Kimyasal olarak çok reaktif değildir.
Yüksek transparanlık: tek bir tabaka beyaz ışığın sadece %2.3
ünü absorplar. Tabaka sayısı değiştikçe rengi değişim gösterir.
Yüksek yük mobilitesi 15000cm²/Vs
Yüksek sıcaklık direnci (-75 ile +200 ̊C arasında grafenin
özelliklerinde bir değişiklik gözlenmiyor.)
Yüksek termal iletkenlik 5000 W/Mk
Yüksek gerilme direncine sahiptir.
Grafit formları
GRAFİT
HOPG(katı
formda)
Karbon
iplikler
KISH
grafit
Grafit
exfolasyonu
Grafen Sentezi
Grafen Sentez Teknikleri
Fiziksel yöntemler
HOPG nin
kimyasal
exfolasyonu
Kimyasal yöntemler
SiC ile termal
bozunma(rxn
kontrolü >1100⁰C
⁰ )
Aşağıdan
Metal substratı
yukarıya
üzerinde
C
Mikromekanik
organik
olarak grafit Hidrokarbonların çöktürme (CVD) sentez
tabakasından buhar fazı
ayrılma (çok
çöktürülmesiyle
sayıda tabaka) epitaksiyal
büyüme(UHV)
GRAFİTOKSİT
Grafene
indirgenme
GRAFİT
GRAFİTOKSİT
HUMMERS METOD:
grafit
H₂SO₄+K₂S₂O₈+P₂O₅
damıtılmış su +
%30 H₂O₂
Renk değişimi→açık sarı
koyu mavi çözelti
H₂SO₄+KMnO₄
(sıcaklık kontrol
altında tutularak
ekleniyor.)
filtre+yıkama
(pH=7)
1:10 HCl ile oluşan
metal iyonlarının
uzaklaştırılması
sarı-kahverengi
çözelti %0.2 g/L
GO içerir.
Grafitoksit
Hummers metodla sentezlenen grafitoksit tabakaları hidrazinle
etkileştirilerek, grafitoksitin üzerinde bulunan fonksiyonel gruplar
indirgeniyor. Sadece grafen tabakasının kenarlarında bulunan karboksilik asit
ve alkol türevleri kalıyor,bu gruplar kolay kıvrılan ve dönen yapının düzlemde
sabit kalmasının kolaylaştırdığından sistemi kullanım açısından avantajlı
kılıyor.
Ayrıca bu fonksiyonel gruplar karbon atomuna göre daha büyük gruplar
olduğundan(-COOH ve -OH) grafen tabakaları arası mesafeyi açıyor,
birbirlerinden ayrılmasını kolaylaştırıyor.
(20-40µm)
Grafitoksit
Hummers metoduyla sentezlenen grafit oksit tabakaları
sonikasyon işlemiyle biribirinden ayrılıyor.Birbirinden ayrılan
tabakalar;
1)termal anneal
2)kimyasal yöntemlerle indirgenmeye bırakılıyor
grafit
grafitoksit
Termal anneal
Engellemeler:
1)Tabakaların dönmesi,katlanması.
2)İndirgenememiş epoksi,alkol ve karboksilik asit gruplarından
dolayı çapraz bölümlerin kalınlığı 1nm çıkabiliyor(teorikte
0,34olmalı)ayrıca bu durum grafenin elektronik özelliklerine
zarar veriyor.
3)Uçurma işlemi sırasında H₂O kullanıldığından dolayı yüksek
yüzey geriliminden dibe çökelme yapabiliyor.
Grafen Karakterizasyonu
Sentezlenen grafen
tabakalarının;
(a)SEM (b-c)AFM
(d)c’deki gidiş
yönlerinden elde edilen
yükseklik profilleri.Mavi
çizgi=0.6nm’ye denk
gelen yüksekliktir.
(grafen tabakaları arası
mesafe 3.35 Å)
Sentezlenen Grafenin
Uygulama Alanı
Elde edilen grafen tabakaları spin kaplama yöntemiyle SiO₂
substratı üzerinde düzgün bir biçimde dağıtılıp alan etkili transistör
üretilmiş.Grafen tek tabakalı sistemin üzerine altın kaynaklı elektrod
paletleri hizalanmış.(a) kimyasal olarak çevrilmiş grafen alan etkili
cihazının şematik gösterimi.(b)7µm uzunluğunda üretilen çalışma
cihazının fotoğrafı(soldaki),optik görüntüsü(ortadaki),SEM
görüntüsü(sağdaki)
Grafen Sentezi
Grafenin Polimerik Sentezi
Suzuki-Miyaura
polimerizasyonu:
1,4-diiyodo-2,3,5,6tetrafenilbenzen1 ve
4-bromofenilboronik
asit 24 sa.boyunca
heksafenilbenzen2
türevi vermesi için
reaksiyona giriyor.
(%93 verim)
heksafenilbenzen ve n-butillityum THF çözeltisi içinde -78 °C 1 sa
bekletiliyor,2-isopropoksi- 4,4,5,5-tetrametil-[1,3,2]dioksaborolan ile
bis-boronik ester 3 %82 verimle elde ediliyor.3+diiyodobenzen 1 sa
boyunca 120°C de %75 verimle polifenilen oluşturuyor4. Moleküliçi
Scholl reaksiyonuyla 4 +FeCl₃ katılarak %65 verimle polimerik olarak 5
bileşiği sentezleniyor.
Kimyasal buhar çöktürme yöntemi:
grafen filmlerin roll temelli üretim fotoğrafları
a)8 inçlik reaktör içine girecek şekilde 7.5 inçlik kuartz tüpün içine konulmuş sarmal bakır
folyo, yüksek ısıda CH₄ ve H₂ ile reaksiyonda b)grafen filmlerin PET substratı üzerine 120⁰C de
aktarımı için kullanılan yayın bandı düzeneği. c)büyük alana sahip grafen filmin saydam 35 inçlik
PET kağıda aktarımı d)gümüş macun elektrolarının grafen/PET film üzerine screen-printing
prosesi (gümüş elektrodlarla desenlendirilmiş 3.1 inç büyüklüğünde grafen/PET panellerinin
montaj öncesi görüntüsü) e)monte edilen grafen/PET dokunmatik ekran panelin gösterdiği
esneklik f)kontrol yazılımı ile bilgisayara bağlı bir grafen tabanlı dokunmatik ekran panel.
Count
Eq.Circle Diam.(µm)
LEED
Cu(110)
Low energy electron diffraction
Grafenin Kullanım Alanları
Grafen bazlı sensörler:
Grafen meçlenmiş mikrovakum odaları:
Mikro ve nano boyutta
Çok inert
Dayanıklı olduğu için fabrikasyon üretim
işlemlerine ve zor çevre koşullarına karşı
uygun
Tek bir gaz molekülünü bile algılayabilcek
duyarlılıkta gaz sensörleri
Yüksek duyarlılık ve kesinlik.
Farklı basınç aralığında çalışabilme
kapasitesi.
Transistörler:
Yüksek yük taşıma potansiyeline
sahip olduğundan oda sıcaklığında
balistik(doğrusal)
Enerji geçişi kontrolü sayesinde tam
olarak istenilen elektronik özelliklere
sahip olarak üretilebilir.
Daha küçük alana sahip daha
kapasiteli transistörler.(tek atom
kalınlığında,10 atom uzunluğunda)
Grafen transistörü
IBM en yüksek frekansta (26 GHz) çalışan grafen transistörünü
yaptığını açıkladı(2009). Geçit uzunluğu 150 nm'lik transistör için
bir sonraki hedef geçit uzunluğunu 50 nm'ye düşürmek. (302000MHz güçlü transistör frekans aralığı)
Şeffaf iletken elektrodlar
Kompozit materyali(özellikle uçak endüstrisi;düşük
ağırlık,yüksek direnç)
Hidrojen depolama
Yakıt hücreleri
Entegre
Entegre devre komponenti
Adsorbent
Katalizör destek malzemesi
Isı transfer malzemesi
Bataryalar(şarj ömrü çok uzun süperpil malzemesi)
Kapasitörler(elektrik depo eden ultra kapasitörler)
Karbon nanotüp ve fulleren yapımında:
Kablo
Boru
Moleküler prob
Taşıyıcı
Pompa
Dişli
Yüksek dönüşüme sahip Li depolanmış grafen nanotabakalarının şarj
edilebilir Lityum iyon bataryası olarak kullanımı:
Yüksek yoğunluklu Li ikincil bataryaları(LIB)
ileri teknolojide elekriksel/hibrit
araçlarda,gelişmiş elektronik endüstrisinde
ve çeşitli enerji cihazlarında kullanılması
planlanıyor. Lityum iyonları elektrokimyasal
olarak ayrılan grafen tabakalarına adsorbe
oluyor. Bu sayede Li-grafit interkalasyonu
(Li-GIC) C₆Li şeklinde bileşik oluşturuyor
Li doped-grafen sisteminin yük kapasitesinin artışı
SİLİKONOKSİT/SİLİKON SUBSTRATINDA ŞEFFAF VE ELEKTRİKSEL
OLARAK İLETKEN GRAFEN-SİLİKA KOMPOSİT FİLMLERİ
Yöntemler:
Spin kaplama
Kimyasal indirgeme
Isısal olarak sertleştirme
Makalede;ince ve pürüzsüz bir şekilde grafen bazlı tabaka
sentezi amaçlanmış ve elde edilen filmler SEM,TEM,XPS,
UV-görünür bölge spektoskopisi,düşük açılı X-ışını
yansıması ve elektriksel iletkenlik ölçü yöntemleriyle
karakterize edilmiş.
Si/SiO₂ substratı
üzerinde grafen
SONUÇ:
Daha önce buna benzer komposit sistemlerin yapımı metaloksit
filmleri substrat üzerine meçlenmesi şeklinde (indiyum kalay
oksit,aliminyum dop edilmiş çinko oksit gibi). Bu prosesler
magnetron saçılması, ark-plazma, CVD, sprey pirolizi gibi pahalı ve
kompleks sistemler gerektiriyor. Grafen-silika komposit filmleri
ise;
Kuvvetli
Yapımı kolay
İnce
Pürüzsüz
İletken
Şeffaf olması açısından avantaj sağlıyor.
Grafenin gelecekteki uygulama alanları
Grafen kullanılarak üretilen levhalar; ışık
yayan organik ekran, gürültüsüz elektronik
sensör, sentetik kas ve yüzeylerde desen
oluşturma gibi birçok alanda kullanılabilecektir.
Araştırmacılar, nanoelektro-mekanik
cihazları, virüsleri ortaya çıkarmak üzere kullanmaya
başlamışlardır(biomoleküler sensörler). Nanotel
alan-etki transistörü ile, grip
virüsü gözlenebilmiştir. Onlarca virüsü aynı
anda algılayabilecek cihazlar, geliştirilmeye
çalışılmaktadır.
Ayrıca grafen içinde lokal boşluklar
oluşturarak çok çeşitli(manyetik,elektronik)
taşıyıcı sistemler geliştirmeye çalışılmaktadır.
REFERANSLAR
Effect in Atomically Thin Carbon Films.
Science 2004, 306, 666–669. Novoselov et. al.
Large Reversible Li Storage of Graphene Nanosheet Families for Use in Rechargeable Lithium Ion
Batteries
EunJoo Yoo et. al.Nano Lett., 2008, 8 (8), 2277-2282 • DOI: 10.1021/nl800957b • Publication Date (Web):
24 July 2008
A Chemical Route to Graphene for Device Applications
Scott Gilje et. al., Nano Lett., 2007, 7 (11), 3394-3398 • DOI: 10.1021/nl0717715
Two-Dimensional Graphene Nanoribbons
Xiaoyin Yang et al., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (13), 4216-4217 • DOI: 10.1021/ja710234t
Layer-by-Layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-Sized Graphite Oxide Sheets
and Polycations
Nina I. Kovtyukhova et. al., Received November 24, 1998. Revised Manuscript Received December 28, 1998
Self-Passivating Edge Reconstructions of Graphene
Pekka Koskinen et. al.,(published 10 September 2008) PRL
Graphene-Silica Composite Thin Films as Transparent Conductors
Supinda Watcharotone et al., Received February 28, 2007; Revised Manuscript Received April 30, 2007
TiO2-Graphene Nanocomposites. UV-Assisted Photocatalytic Reduction of Graphene Oxide
Graeme Williams et al.,
M.S.Dresselhaus et. al. GRAPHITE AND PRECURSORS
Physics of Graphene
A. M. Tsvelik (new materials for making ‘spintronic’ devices
Drawing conclusions from graphene (Boston University)
Antonio H. Castro Neto

Graphene_ve_ karakterizasyonu

Transcription

Similar documents

Slayt 1

Paslanmaz Çelikler

00_TELEFUNKEN_(VESTEL PAZ.musteriden geldi)_50206912.cdr

Avrupa`da kasaba turu A Tour of Europe`s small towns