تهیه فیلم‌های شبه گرافنی از صفحات سنگی و بکارگیری آنها در نانوالکترونیک

تاریخ : ۲۴ شهریور ۱۳۹۵

تعداد بازدید : ۱۱۷۵

0 امتیاز از 0 رای
نسخه چاپی
موضوعات :

محققان روسی و امریکایی با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری موفق به یافتن معادله‌ای شدند که حداکثر ضخامت یک صفحه سنگ را برای شکسته شدن به لایه‌های شبه گرافنی را مشخص می‌سازد. در این رابطه تعداد لایه‌ها با شعاع یونی و میزان الکترونگاتیوتیه در ارتباط است.

محققان موسسه فیزیک و فناوری مسکو (MIPT)، موسسه علوم و فناوری اسکوکوف (Skoltech)، دانشگاه ملی علوم و فناوری MISiS، و دانشگاه رایس امریکا به منظور فهمیدن حداکثر ضخامت یک قطعه سنگ برای شکسته شدن به لایه‌های مشابه با گرافن از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری استفاده کردند. بر اساس شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، آنها معادله‌ای برای تعداد لایه‌ها در یک کریستال استخراج کردند که منجر به تولید فیلم‌های بسیار نازک با کاربردهای نانوالکترونیکی می‌شود. نتایج این تحقیق در مجله Physical Chemistry Letters چاپ شده است.
جذابیت و سودمندی گرافن به دلیل ضخامت تک‌اتمی منحصربفرد آن است. شبکه کریستالی آن تداعی کننده ساختار کندوعسل است که پیوند بین اتم‌های آن تشکیل هگزاگونال‌های منظم می‌دهند. گرافن یک تک لایه از کریستال گرافیت سه بعدی است و خصوصیات آن کاملاً با گرافیت متفاوت است. از زمان کشف گرافن مطالعات بسیار زیادی درباره مواد دوبعدی جدید با خصوصیات جذاب انجام شده است. فیلم‌های بسیار نازک دارای خصوصیات غیرمعمولی هستند که برای کاربردهایی همچون نانو و میکروالکترونیک مفید هستند.
مطالعات تئوری قبلی پیشنهاد می‌دهند که فیلم‌هایی با یک ساختار مکعبی و پیوند یونی به‌طور خودبخودی به یک ساختار هگزاگونالی شبه گرافیتی تبدیل می‌شوند که تحت عنوانی گرافیتی‌شدن شناخته می‌شود. برای برخی از مواد، چنین تبدیلی به‌صورت آزمایشگاهی مشاهده شده است. پیش‌بینی شده است که سنگ معدن NaCL دارای تمایل گرافیتی‌شدن باشد. گرافیتی‌شدن ترکیبات مکعبی می‌تواند منجر به ایجاد ساختارهای نویدبخش برای کاربردهای نانوالکترونیکی شود. اما تا کنون هیچ‌گونه تئوری برای این فرایند در مورد یک ساختار مکعبی اختیاری معرفی نشده است.
برای اینکه پدیده گرافیتی شدن اتفاق بیفتد، لایه‌های کریستالی باید در امتداد قطر اصلی ساختار مکعبی کاهش یابند. این امر باعث می‌شود تا یک سطح کریستال از یون‌های Na+ تشکیل شوند و در سطح دیگر یون‌های CL- قرار گیرند. باید به این نکته توجه گردد که یون‌های مثبت و منفی و نه اتم‌های خنثی نقاط شبکه ساختار را اشغال می‌کنند. در نهایت بارهای با علامت مخالف بر روی سطوح تشکیل می‌شود. تا زمانی‌که سطوح از یک‌دیگر دور هستند، تمام بارها همدیگر را خنثی می‌کنند و قطعه سنگ در ساختار مکعبی باقی خواهد ماند. اما اگر فیلم بسیار نازک باشد، به دلیل بارهای مخالف دو سطح یک ممان دوقطبی بزرگ ایجاد می‌شود. ساختار برای خلاصی از این ممان دوقطبی که سبب افزایش انرژی سیستم می‌شود و رسیدن به یک حالت خنثی، ناچار به تغییر آرایش اتم‌ها می‌شود.
برای مطالعه میزان وابستگی گرافیتی‌شدن به ترکیب، محققان 16 ترکیب دوتایی با فرمول AB را بررسی کردند که A یکی از فلزات قلیایی لیتیوم، سدیم، پتاسیم و روبیدیم است و B یکی از چهار عنصر هالوژن فلوئور، کلر، برم و ید است.
تمام عناصر این مطالعه دارای ساختار متفاوتی هستند. اگر فشار اتمسفری تا 300000 مرتبه از حالت نرمال بزرگتر شود، یک فاز دیگر (B2) از NaCl پایدارتر می‌شود که منجر به تغییر در شبکه کریستالی می‌گردد. برای بررسی روش‌ها و پارامترها محققان دو شبکه کریستالی را شبیه‌سازی کردند و فشار مربوط به انتقال فاز بین آنها را محاسبه کردند. پیش‌بینی‌های آنها موافق با نتایج آزمایشگاهی است.
ترکیبات مورد مطالعه در این تحقیق همگی می‌توانند دارای یک ساختار هگزاگونالی ، گرافیتی، فاز G که به صورت فیلم‌های بسیار نازک دو بعدی پایدارتر است، باشند. محققان رابطه بین انرژی سطح یک فیلم و تعداد لایه‌ها را برای ساختارهای مکعبی و هگزاگونالی مشخص کردند. محققان این رابطه را با استفاده از رسم دو خط با شیب‌های متفاوت برای هر کدام از ترکیبات ترسیم کردند. هر جفت از خطوط مرتبط با یک ترکیب دارای یک نقطه مشترک است که مربوط به ضخامت بحرانی است که منجر به تبدیل از ساختار مکعبی به ساختار هگزاگونالی می‌شود. به‌عنوان مثال تعداد لایه‌های بحرانی برای تمام ترکیبات سدیم نزدیک به 11 بدست آمد در حالیکه این عدد برای ترکیبات لیتیم بین 19 الی 27 بدست آمد.
بر اساس این اطلاعات، محققان یک رابطه بین تعداد بحرانی لایه‌ها و دو پارامتر تعیین کننده قدرت پیوندهای یونی در ترکیبات مختلف پیدا کردند. اولین پارامتر شعای یونی است که نشان‌دهنده اندازه یون فلز موردنظر است و پارامتر دوم که الکترونگاتیوتیه خوانده می‌شود، توانایی اتم ایکس برای جذب الکترون‌های عنصر B است. الکترونگاتیوتیه بالاتر به معنای قدرت جذب بیشتر الکترون‌ها توسط اتم است و در نتیجه ماهیت یونی پیوند بیشتر می‌شود، دوقطبی بودن سطح افزایش می‌یابد و ضخامت صفحه کاهش می‌یابد.

منبع : http://www.azonano.com/news.aspx?newsID=http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=44084.php

نظر شما