Nanokarbon ve Formları

Transkript

1 Nanokarbon ve Formları Merve Arseven İleri Malzemeler Araştırma Grubu Nanoteknoloji&Nanotıp Anabilim Dalı İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 1/37

2 GRAFEN Yapısı Genel özellikleri kimyasal Sentezi fiziksel mekanik Uygulama Alanları günümüzde gelecekte üretim ve elde edilme teknikleri kimyasal sentez süreci Kimyasal buhar çöktürme yöntemi İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 2/37

3 KARBON Karbon atomunun doğada bulunma formları: sp 2 Grafit sp 3 Karbon atomunun elektronik olarak hibritleşmesi sp,sp2 ve sp3 formları şeklinde kovalent bağ yapmasını sağlar. Elmas İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 3/37

4 GRAFİT 3.35 Å ac-c=1.42 Å Tek tabaka grafit= GRAFEN Grafit (3B) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 4/37

5 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 (March 2007) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 5/37

6 Grafenin Tarihi 1930 da, Landau ve Peierls grafenin, 2 boyutlu karistalin yapısı gösterdiğini termodinamik yasalarına bağlayarak açıklamışlardır de P.R Wallace tarafından grafitin band yapısı hesaplanmıştır. Linus Pauling 1957 yılında grafenin elektronik yapısı ve özelliklerine yayınladığı makalelerle ışık tutmuştur 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 te Novoselov ve ekibi grafeni tek tabaka halinde sentezlemeyi başarmış ve beklenenden çok daha değişik elektronik ve fiziksel özelliklere sahip olduğunu ispatlamışlardır. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 6/37

7 Grafenin Tarihi İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 7/37

8 Grafenin Yapısı Grafenin TEM görüntüsü Grafen 6 karbonlu bal peteği görünümünde benzen halkalarından oluşur. Benzen Halkası İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 8/37

9 Grafen elektron dağılımı P z 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 9/37

10 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 cm 2 / V s, Si: 1360 cm 2 / 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 10/37

11 Grafit formları GRAFİT HOPG(katı formda) KISH grafit Grafit exfolasyonu Karbon iplikler İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 11/37

12 Grafen Sentezi Grafen Sentez Teknikleri HOPG nin kimyasal exfolasyonu Fiziksel yöntemler Mikromekanik olarak grafit tabakasından ayrılma (çok sayıda tabaka) Hidrokarbonların buhar fazı çöktürülmesiyle epitaksiyal büyüme(uhv) SiC ile termal bozunma(rxn kontrolü >1100⁰C ⁰ ) Metal substratı üzerinde C çöktürme (CVD) Kimyasal yöntemler Aşağıdan yukarıya organik sentez GRAFİT- OKSİT Grafene indirgenme İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 12/37

13 GRAFİT GRAFİTOKSİT HUMMERS METOD: grafit H₂SO₄+K₂S₂O₈+P₂O₅ koyu mavi çözelti damıtılmış su + %30 H₂O₂ Renk değişimi açık sarı H₂SO₄+KMnO₄ (sıcaklık kontrol altında tutularak ekleniyor.) 1:10 HCl ile oluşan metal iyonlarının uzaklaştırılması filtre+yıkama (ph= 7) sarı-kahverengi çözelti %0.2 g/l GO içerir. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 13/37

14 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) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 14/37

15 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 15/37

16 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) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 16/37

17 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) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 17/37

18 Grafen Sentezi İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 18/37

19 Grafenin Polimerik Sentezi Suzuki-Miyaura polimerizasyonu: 1,4-diiyodo-2,3,5,6- tetrafenilbenzen1 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 19/37

20 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 20/37

21 Kimyasal buhar çöktürme yöntemi İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 21/37

22 Kimyasal buhar çöktürme yöntemi Count Eq.Circle Diam.(µm) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 22/37

23 LEED Cu(110) Low energy electron diffraction İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 23/37

24 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 24/37

25 Grafenin Kullanım Alanları 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. ( MHz güçlü transistör frekans aralığı) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 25/37

26 Grafenin Kullanım Alanları Şeffaf iletken elektrodlar Kompozit materyali(özellikle uçak endüstrisi;düşük ağırlık,yüksek direnç) Hidrojen depolama Yakıt hücreleri Entegre devre komponenti Adsorbent Katalizör destek malzemesi Isı transfer malzemesi Bataryalar(şarj ömrü çok uzun süperpil malzemesi) Kapasitörler(elektrik depo eden ultra kapasitörler) İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 26/37

27 Grafenin Kullanım Alanları Karbon nanotüp ve fulleren yapımında: Kablo Boru Moleküler prob Taşıyıcı Pompa Dişli İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 27/37

28 Grafenin Kullanım Alanları 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 İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 28/37

29 Grafenin Kullanım Alanları 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 İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 29/37

30 Grafenin Kullanım Alanları 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 30/37

31 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. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 31/37

32 Grafenin gelecekteki uygulama alanları Ayrıca grafen içinde lokal boşluklar oluşturarak çok çeşitli(manyetik,elektronik) taşıyıcı sistemler geliştirmeye çalışılmaktadır. İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 32/37

33 Grafenin gelecekteki uygulama alanları İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 33/37

34 REFERANSLAR Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 2004, 306, 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), DOI: /nl800957b Publication Date (Web): 24 July 2008 A Chemical Route to Graphene for Device Applications Scott Gilje et. al., Nano Lett., 2007, 7 (11), DOI: /nl Two-Dimensional Graphene Nanoribbons Xiaoyin Yang et al., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (13), DOI: /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, 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 İleri Malzemeler Araştırma Grubu Beytepe, Aralık 2010, 34/37