Geleceği Değiştirecek Malzeme: Grafen

Grafen, altıgen bir bal peteği kafesine sıkıca bağlanmış tek bir karbon atomu tabakasıdır (tek tabaka). Moleküler bağ uzunluğu 0.142 nanometre olan sp2-bağlı atomlardan oluşan bir düzlem şeklindeki bir karbon allotropudur. Üst üste yığılmış grafen katmanları, 0.335 nanometre düzlemler arası aralıklarla grafiti oluşturur. Grafit içindeki ayrı grafen katmanları, grafenin grafitten pul pul dökülmesi sırasında üstesinden gelinebilecek van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulur.


Grafen, bir atom kalınlığında insanoğlunun bildiği en ince bileşiktir, bilinen en hafif malzeme (1 metrekare yaklaşık 0.77 miligram), keşfedilen en güçlü bileşik (130 GPa’lık bir gerilme mukavemeti ve a Young modülü 1 TPa – 150.000.000 psi ), oda sıcaklığında en iyi ısı iletkeni (4.84 ± 0.44) × 10 ^ 3 ila (5.30 ± 0.48) × 10 ^ 3 W • m 1 • K 1) ve aynı zamanda bilinen en iyi elektrik iletkeni (çalışmalar 200.000 cm2’den fazla V 1 • s 1 değerlerinde elektron hareketliliği göstermiştir ). Grafende diğer dikkate değer özellikleri, onun olan tayfın görünür ve yakın kızılötesi parça üzerinde açık düzgün emme ve spin taşımasında kullanım için potansiyel uygunluğudur.

Bunu akılda tutarak, karbonun hidrojen, helyum ve oksijenden sonra insan vücudunda en çok bulunan ikinci ve evrende (kütlece) dördüncü en bol bulunan element olduğunu bilmek şaşırtıcı olabilir. Bu, karbonu dünyadaki bilinen tüm yaşamın kimyasal temeli haline getirir ve grafeni neredeyse sınırsız sayıda uygulama için potansiyel olarak çevre dostu ve sürdürülebilir bir çözüm haline getirir. Grafenin keşfinden (veya daha doğrusu mekanik olarak elde edilmesinden) bu yana, farklı bilimsel disiplinlerdeki uygulamalar çıkmış ve özellikle yüksek frekanslı elektronik, biyo, kimyasal ve manyetik sensörler, ultra geniş bant genişliğine sahip fotodedektörlerde büyük kazanımlar elde edilmiştir.

Grafen Üretimi Zorlukları

Başlangıçta, geniş alanlı grafen yapmanın tek yöntemi, Platin, Nikel veya Titanyum Karbürü etilene veya etilene maruz bırakarak grafeni tek katman olarak büyütmek için toksik kimyasalların kullanılmasını içeren çok pahalı ve karmaşık bir işlemdi (kimyasal buhar biriktirme, CVD). Metalik bir substrat dışında herhangi bir şey üzerinde kristalin epitaksi kullanmanın hiçbir alternatifi yoktu. Bu üretim sorunları, grafeni başlangıçta geliştirme araştırmaları ve ticari kullanımlar için kullanılamaz hale getirmiştir. Ayrıca, elektronikte CVD grafeni kullanmak, grafen katmanlarını grafene zarar vermeden metalik substrattan çıkarmanın zorluğu nedeniyle engellenmiştir.


Bununla birlikte, 2012’deki çalışmalar, grafenin ara yüzey yapışkan enerjisini analiz ederek, grafeni üzerinde büyüdüğü metalik levhadan etkili bir şekilde ayırmanın mümkün olduğunu ve aynı zamanda tahtayı gelecekteki uygulamalar için teorik olarak sonsuz sayıda yeniden kullanmanın mümkün olduğunu bulmuştur. Bu nedenle bu süreçte daha önce oluşturulan toksik atığı azaltmak gerekir. Ayrıca, bu yöntem kullanılarak ayrıştırılan grafenin kalitesi, moleküler elektronik cihazlar oluşturmaya yetecek kadar yüksektir.

Büyüyen CVD grafeni üzerine yapılan araştırmalar, o zamandan beri sıçrayışlarla ilerlemiş ve grafenin kalitesini teknolojik benimsemede bir sorun haline getirmiştir. Ve şu anda altta yatan metal substratın maliyeti tarafından yönetilmektedir. Bununla birlikte, grafen katmanlarının sayısını ve göreceli kristalografik yönelimlerini kontrol ederken dalgalanmalar, katkılama seviyeleri ve alan boyutu gibi safsızlıklar üzerinde kontrol ile özel yüzeyler üzerinde sürekli olarak grafen üretmek için araştırmalar yürütülmektedir.

Grafen Üzerine Yapılan Çalışmalar ve Araştırmalar

Grafen araştırmalarını endüstriyel uygulamalara yönlendirmek, milyar avroluk AB projesi Graphene Flagship gibi eşgüdümlü çabalar gerektirmektedir. Birkaç yıl süren ilk aşamadan sonra, Flagship araştırmacıları rafine bir grafen uygulamaları yol haritası üretmiştir. En umut verici uygulama alanlarını belirleyen kompozitler, enerji, telekomünikasyon, elektronik, sensörler ve görüntüleme ve biyomedikal teknolojilerdir.
Grafen dışına süperkapasitörlerin oluşturmak muhtemelen uzun zamandır elektronik mühendisliğinde büyük adım olacaktır. Elektronik bileşenlerin gelişimi son 20 yılda çok yüksek bir hızla ilerlerken, piller ve kapasitörler gibi güç depolama çözümleri boyut, güç kapasitesi ve verimlilik nedeniyle birincil sınırlayıcı faktör olmuştur (çoğu pil türü çok verimsizdir) ve kapasitörler daha da azdır. Örneğin lityum iyon piller, enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu arasında bir değiş tokuşla karşı karşıyadır.


Gerçekleştirilen ilk testlerde, lazerle çizilmiş grafen (LSG) süperkapasitörleri, günümüzde kullanılan yüksek güçlü lityum iyon pillerle karşılaştırılabilir güç yoğunluğu göstermiştir. Sadece bu değil, aynı zamanda LSG süperkapasitörleri de oldukça esnek, hafif, hızlı şarj, ince ve daha önce belirtildiği gibi üretimi çok ucuzdur. Sahip olunan malzeme ve bilgi ile elde edebileceklerin olanakları sonuna kadar açık hale getirilmiştir.
Grafen, yalnızca pillerin kapasitesini ve şarj oranını değil, aynı zamanda uzun ömürlülüğü de artırmak için kullanılmaktadır. Şu anda, lityum gibi malzemeler büyük miktarlarda enerji depolayabilirken, bu potansiyel miktar elektrot aşınması nedeniyle her şarj veya yeniden şarjda azalmaktadır. Örneğin, lityum iyon pillerde bir anot olarak grafen kalay oksitle, piller şarjlar arasında çok daha uzun süre dayanmaktadır(potansiyel kapasite 10 kat artmıştır) Ve şarjlar arasında depolama kapasitesinde neredeyse hiç azalma olmadan, elektronik olarak çalıştırılan gibi teknolojiyi etkin bir şekilde yapar. Bu araçlar gelecekte çok daha uygun bir nakliye çözümüdür. Bu, pillerin (veya kapasitörlerin) daha önce gerçekleştirilenden çok daha uzun süre dayanacak ve daha yüksek kapasitelerde geliştirilebileceği anlamına gelir. Ayrıca elektronik cihazların saniyeler içinde şarj olabileceği anlamına gelmektedir.


Grafen Amiral Gemisindeki araştırmacılar, grafenin enerji üretimini iyileştirmek için kullanılabileceği yolları araştırılmaktadır, buna perovskit güneş pillerinin (PSC’ler) iyileştirilmesi, çok yüksek verimlilikle son derece umut verici yeni nesil güneş enerjisi kaynakları dahildir. Amiral gemisi araştırmacıları, PSC’lerin üretim maliyetini düşürürken, PSC’lerin ömrünü ve performansını iyileştirmede mükemmel ilerleme kaydetmiştir. Bir PSC’ye indirgenmiş bir grafen oksit ayırıcı katmanın eklenmesi,% 20 verimlilikle düşük maliyetli PSC üretimi ile sonuçlanmıştır. Ve 1000 saatlik çalışmadan sonra % 95’e kadar tutulmuştur. Önümüzdeki dönem için bir pilot üretim hattı ve 1 kW’lık bir grafen-perovskit güneş enerjisi çiftliği araştırma aşamasındadır.


Grafenin enerji depolamada kullanımı en çok grafenin gelişmiş elektrotlarda kullanılmasıyla araştırılır. Grafen ve silikon nanopartiküllerin birleştirilmesi, enerji kapasitelerinin % 92’sini 300 şarj-deşarj döngüsünde koruyan ve gram silikon başına 1500 mAh’lik yüksek bir maksimum kapasite ile sonuçlanmıştır. Elde edilen enerji yoğunluğu değerleri 400 W/kg’ın oldukça üzerindedir. Bir sonraki Amiral Gemisi aşamasında, bir Spearhead projesi, silikon grafen bazlı bir lityum iyon pilin sanayi öncesi üretimine odaklanacaktır. Ayrıca, grafen için sprey kaplama biriktirme aracı geliştirilerek, örneğin çok yüksek güç yoğunluklarına sahip süper kapasitörler üretmek için kullanılan ince grafen filmlerinin büyük ölçekli üretimine olanak sağlamıştır.

Grafen için daha önce bahsedilenlere benzer çizgilerdeki bir başka kullanım da boyadakidir. Grafen oldukça inerttir. Bu nedenle oksijen ve su difüzyonu arasında bir korozyon bariyeri görevi görebilir. Bu, grafen herhangi bir metal yüzeye (doğru koşullar verildiğinde) yetiştirilebileceği için gelecekteki araçların korozyona dayanıklı hale getirilebileceği anlamına gelebilir. Mukavemeti nedeniyle, grafen şu anda koruyucu giysilerde Kevlar için potansiyel bir ikame olarak geliştiriliyor ve sonunda araç imalatında görülebilecek ve muhtemelen bir yapı malzemesi olarak kullanılacaktır.


Grafen, uzun süredir radyo frekansı (RF) esnek elektronikler için ideal bir aday kanal malzemesi olarak kabul edilmektedir. Radyo frekansı ve hatta terahertz uygulamaları, 2,45 GHz’e kadar sinyaller için kanıtlanmış bir mikrodalga alıcısı, esnek bir THz dedektörü ve hiperbolik fonon soğutma kullanan grafen tabanlı nanoelektronik cihazların verimli bir şekilde soğutulmasının bir gösterimi ile sürekli olarak ileri itilmektedir. Grafenin esnek yapısı, esnek alt tabakalar üzerinde çeşitli elektronik cihazlara izin verir, örneğin esnek, tamamen katı hal grafen bazlı süperkapasitörler, giyilebilir dokunmatik paneller, gerinim sensörleri ve kendi kendine çalışan triboelektrik sensörler, hepsi yakın zamanda uygulamalarla birlikte gösterilmiştir. Mobil cihazlar ve kol saatleri gibi esnek, sağlam dokunmatik ekranlı cihazlar gibi alanlarla ilgili kullanımı ise çalışma aşamasındadır.


Bu kısa vadeli uygulamaların ötesinde, katlanabilir televizyonlar, telefonlar ve sonunda kablosuz veri aktarımı yoluyla güncellenebilen ilgili yayınları içeren elektronik esnek gazeteler beklenebilir. Grafenin son derece şeffaf olması, evlerde (potansiyel olarak) sanal perdeler veya içerik görüntüleme özelliği olan akıllı (ve son derece dayanıklı) pencerelerin bir bileşeni olması beklenmektedir.


Optik iletişim, internet çağının bel kemiğini oluşturmakta ve gelişen 5G ağları için de eşit derecede önemli olması beklenmektedir. Modern iletişimler, bilgiyi ışık hızında uçuran optik bağlantılara ve bu ışık huzmeleri üzerine çok sayıda bilgiyi kodlayabilen fotodetektörler ve modülatörler gibi devrelere dayanmaktadır. Optik yongalar üzerindeki fotonik dalga kılavuzları için tercih edilen malzeme silikon olmasına rağmen, fotodetektörler GaAs, InP veya GaN gibi diğer yarı iletkenlerden yapılır. Çünkü silikon standart telekom dalga boylarında şeffaftır. Bu diğer yarı iletkenleri silikonla entegre etmek zordur, imalat süreçlerini karmaşıklaştırır ve masrafları artırır. Ayrıca, fotonik cihazlar daha fazla güç kullanırken küçülmeye devam ettiği için termal yönetim bir sorun haline getirmektedir.


Grafen, standart telekomünikasyon dalga boyları da dahil olmak üzere büyük bir bant genişliği üzerinden ışığı emdiği için, telekomünikasyon fotodedektörleri için umut verici bir malzemedir. Ayrıca CMOS teknolojisi ile de uyumludur, yani teknolojik olarak silikon fotonik ile entegre edilebilir. Ayrıca grafen, grafen bazlı fotonik cihazların ısı tüketiminde bir azalma vaat eden mükemmel bir ısı iletkenidir. Bu nedenlerden dolayı, optik iletişim için grafen yoğun bir araştırma alanı olmuştur ve şu anda tam çalışan prototiplerde meyve vermeye başlamıştır.


2016’da grafen fotodedektörlerin bant genişliği, potansiyel bit hızları ~ 90 Gbit s -1 olan grafen/silikon pn bağlantılarını kullanarak 65 GHz’e ulaşmıştır. Daha 2017 yılında, 75 GHz’yi aşan bant genişliğine sahip grafen fotodetektörler 6 wafer proses hattında üretilmiştir. Bu rekor kıran cihazlar, ziyaretçilerin kanal başına 25 Gbit s -1 veri hızında çalışan dünyanın ilk tamamen grafen optik iletişim bağlantısını deneyimleyebileceği 2018’de Barselona’daki Mobil Dünya Kongresi’nde sergilenmiştir. Bu sunumda, tüm aktif elektro-optik işlemler grafen cihazları üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bir grafen modülatörü, elektronik bir veri akışını bir optik sinyale kodlayarak, ağın verici tarafındaki verileri işlemiştir. Alıcı tarafında, bir grafen fotodedektör optik modülasyonu bir elektronik sinyale dönüştürerek bunun tersini yapmıştır. Cihazlar Graphenea CVD grafen ile yapıldı ve Grafen Pavyonu’nda sergilenmiştir.


Kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile üretilen grafen, gelecekteki grafen bazlı kimyasal, biyolojik ve diğer sensör türlerinin temel taşını oluşturacaktır. Malzemenin 2D yapısı, tüm malzeme hacmi bir algılama yüzeyi görevi gördüğünden, algılama uygulamaları için kendine özgü avantajlar sağlar. Ayrıca grafen, kalabalık sensör pazarında rekabet etmek için gerekli olan mükemmel mekanik mukavemet, termal ve elektriksel iletkenlik, kompaktlık ve potansiyel olarak düşük maliyet sağlar.


Grafen bazlı gaz/buhar sensörleri, çeşitli yapıları, benzersiz algılama performansı, oda sıcaklığında çalışma koşulları ve muazzam uygulama olanakları nedeniyle son yıllarda çok ilgi çekmiştir. Su buharının yanı sıra grafen NH 3, NO 2, H 2, CO, SO 2, H 2 S gibi gazların yanı sıra uçucu organik bileşiklerin buharını algılamak için kullanılmış ve bilimsel yayın sayılarında çarpıcı bir artışa neden olmuştur. Bu konuda. Grafen ayrıca, mililitre sıvı başına 10 pikogram kadar düşük konsantrasyonlarda opioid izlerini tespit etmek için de kullanılmıştır .


Bu çok sayıda elverişli özellik, biyoalgılama için grafen kullanımına ilişkin geniş bir araştırma yelpazesine yol açmıştır. Özellikle ilginç konfigürasyonlar grafen alan etkili transistörler (GFET’ler) ve grafen geliştirilmiş olan yüzey plazmon rezonansıdır (SPR). Bu tip grafen sensörleri DNA, protein, glikoz ve bakteri tespiti için kullanılmıştır. GFET kullanılarak opioid molekülleri için saptama limiti 10 pg/mL olan biyosensörler üretilmiştir.

Grafen Pazar Payı

Grafen ayrıca yeni, esnek manyetik alan sensörleri için olanak sağlayan bir teknolojidir. Manyetik alan sensörleri pazarı, 2022’de 4,16 milyar ABD dolarına kadar çıkan boyut tahminleriyle genişleyen bir pazardır . Konum algılama, akım izleme, hız algılama ve açısal algılama gibi manyetik alan sensörlerinin birden çok amacı, otomotiv, tüketici elektroniği, sağlık ve savunma gibi çok çeşitli endüstrilere erişim sağlamaktadır. En yaygın manyetik sensör tipi, bir manyetik alan uygulandığında bir elektrik iletkeni boyunca bir potansiyel farkın üretilmesi olan Hall etkisini kullanır.
Hall etkisi sensörlerinin hassasiyetini belirlemede anahtar faktör yüksek elektron hareketliliğidir. Bu şekilde, grafin ölçülen taşıyıcı hareket ile bu uygulama için son derece ilginç bir madde olan fazla 200.000 cm 2 V -1 s -1 . 5700 V/AT’ye kadar akıma bağlı hassasiyet ve 3 V / VT’ye kadar voltajla ilgili hassasiyete sahip Grafen Hall sensörleri, bor nitrür içinde kapsüllenmiş grafende gösterilmiştir. Bu tür bir performans, 50 nT/ Hz kadar düşük bir manyetik çözünürlükle son teknoloji silikon ve III/V Halls sensörlerini geride bırakır. Grafen Salonları cihazlarının endüstri standardı gofretler üzerindeki duyarlılığı için mevcut pratik sınır ~ 3000 V/AT civarındadır. Karşılaştırma için, geleneksel CMOS uyumlu malzemelerden üretilen son teknoloji Hall sensörleri ~ 100 V/AT düzeyinde hassasiyete sahiptir. Kapton bant üzerinde üretilen esnek grafen Hall sensörleri bile sert silikon Hall sensörlerine benzer hassasiyetlere ulaşır.


Yukarıda bahsedilen potansiyel kullanımlardan bazılarını birleştirerek, araç üzerindeki boyaya bağlanan araç güvenlik sistemleri gibi vizyoner uygulamalar tasarlanabilir. Sadece bir araba alarmı birinin araca dokunup dokunmadığını anlayabilir, aynı zamanda bu bilgileri kaydeder ve gerçek zamanlı olarak sahibinin akıllı telefonuna bu bilgileri gönderebilir. Bu tür akıllı boya, ilk temas yamalarını ve sonuçta ortaya çıkan enerji dağılımını belirlemek için araç kazalarını analiz etmek için de kullanılabilir.


Piyasada yakında grafenle güçlendirilmiş fotovoltaik hücreler ve süper kapasitörler içeren giysiler ilerideki dönemde görülebilir. Bu da cep telefonlarımını ve tablet bilgisayarlarını okula ya da işe giderken birkaç dakika içinde (hatta saniyeler içinde) şarj edebileceği anlamına gelmektedir. Elektrik deşarjının kullanımıyla istenmeyen temasa karşı koruma sağlayan güvenlik odaklı kıyafetleri bile tasarlanabilir.

Özetle, bir fizik profesörü ve doktora öğrencisi tarafından Manchester’daki bir laboratuarda bir parça grafit ve biraz da Scotch bant kullandıkları bu keşif, bilim adamları, mühendisler ve mucitler olarak yeteneklerin potansiyel sınırlarına zorlama da devrim yaratmıştır. Sahip olunan malzeme ve bilgi ile elde edebilecek olanakları sonuna kadar açık hale getirilmesi gerekmektedir.

Kaynakça:
https://www.graphenea.com/pages/graphene#.X0UCbNwzbIU
https://www.nanowerk.com/what_is_graphene.php
https://www.sciencealert.com/graphene

bilgiustam.com

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Yorumlarınızı bekliyorum.