•Grafen: Karbonun İki Boyutlu Formu
Grafen, karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından bir tanesine verilen isimdir. Karbonun gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının arasında grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas yer alırken, nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özellikle karbon nanotüpler ve C60 (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziğini son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir. Bal peteği kristal yapısında, sp2 melezleşmesi yapan grafen ise ancak 2004 yılında sentezlenebilmiştir. İngilizcede “Graphite” ve “ene” kelimelerinden türetilen “graphene” terimi Türkçede grafen olarak karşılık bulmuştur. 2010 Nobel Fizik Ödülü, “iki-boyutlu grafen malzemesine ilişkin çığır açan deneyleri için” Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a verilmiştir.
Tanım ve Kimyasal Yapı
Karbonun bal peteği örgülü yapıları olan grafen, grafit, karbon nanotüp ve fulleren sp2 melezleşmesinin ürünüyken elmas ise sp3 melezleşmesi ve dört-yüzlü ağ örgüsü ile öncekilerden farklı bir kategoride değerlendirilir. Grafen, iki boyutlu planar yapıların çok ender örneklerinden birisidir. Karbon atomları 1s ve 2p orbitallerinin birleşimi ile 120 derece açılı sp2 melezleşmesi yaparken boşta kalan pz orbitalleri de grafen malzemesine sıra dışı özellikler kazandırmaktadır.
Grafen yapısında karbon-karbon bağ uzaklığı yaklaşık olarak 1.42 Angstrom iken grafen tabakalarının üst üste gelmesi ile meydana gelen grafitte iki grafen tabakası arasındaki mesafe yaklaşık 3,35 Angstrom’dur. Grafendeki güçlü karbon bağları ona yeryüzündeki bilinen en sağlam malzemelerden biri olma özelliğini kazandırmıştır. Bununla birlikte grafitteki grafen katmanlar arasındaki bağlar oldukça zayıftır. Kurşun kalem, kâğıda sürtünce bu zayıf bağlar kırılmakta ve kâğıda yayılan grafen ve grafit tabakalar yazı izlerini oluşturmaktadır.
Karbon nanotüpler, C60 molekülleri ancak yapay yollarla sentezlenebilirken elmas ve grafit doğada serbest olarak bulunabilmektedir. Termodinamiksel hesaplamalara göre karbonun grafit fazı elmastan dahi daha kararlıdır. Fakat bunlara rağmen grafitin tek katmanlı halâli olan grafen malzemesin sentezlenmesi 2004 yılına kadar gerçekleşememiştir. Hatta L. D. Landau ve R. Peierls gibi önemli fizikçiler grafen gibi iki boyutlu malzemelerin teorik olarak kararlı olamayacaklarını; bu kararsızlığın düşük sıcaklıklarda bile malzemenin dağılmasına yol açacağını öngörmüşlerdir. Grafenin kararlı yapısının altında yatan sebebin yüzeye dik termal dalgalanmalar olduğu düşünülmektedir.
Sentezlenmesi
2004 yılında şaşırtıcı bir şekilde bilimadamları iki boyutlu grafen kristallerini ayırmayı başardılar. Andre Geim, Kostya Novoselov ve proje arkadaşları sıradan bir yapışkan selobantı grafit üzerine tekrar tekrar yapıştırıp kaldırarak tekil grafen katmanını ayırmayı başardılar ve izole ettikleri grafen katmanını basit bir optik mikroskop ile gözlemlediler.
Bu olay ilk başlarda pek dikkat çekmedi. Fakat daha sonraları grafende keşfedilen kütlesiz Dirac fermiyonları, anormal kuantum hall etkisi, oda sıcaklığında balistik taşınma, Klein paradoksu gibi yeni olgular grafende deneysel olarak gözlendi. Bunlar sonucunda grafene ilgi son derece arttı ve artmaya da devam etmektedir.
Grafen yaygın olarak şu yöntemler ile elde edilmekte: Katman Ayırma Yöntemi (Eksfoliasyon Yöntemi), Epitaksiyel Büyütme, Silisyum-Karbon Yöntemi ve Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi.
Katman Ayırma Yöntemi’nde grafit tabakası bir yüzey üzerine kaydırılarak grafen katmanlarının ayrışması sağlanır. Grafitin selobant ile katmanlarını ayrıştırılması da bu metot içerisinde değerlendirilir. Grafenin ilk kez sentezlenmesi Manchester grubu tarafından bu yöntem kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 100 mikrometre büyüklükte grafen parçacıkları bu metot ile sentezlenebilmektedir.
Epitaksiyel Büyütme bir alttaş üzerinde grafenin büyütülmesidir. Grafenin büyütüldüğü alttaş grafen ile etkileşebilmektedir.
Silisyum-Karbon Yöntemi’nde silisyum-karbonun yaklaşık 1100 dereceye kadar ısıtılması ve silisyum atomlarının buharlaşması sonucu kalan karbon atomlarının kendi aralarında grafen oluşturması sağlanır. Oluşan grafen parçacıkları diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında küçük kalmaktadır.
Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi’nde grafit tabakalarının arasına sitrik asit gibi kimyasalların katılması ile grafen tabakalarının ayrıştırılması sağlanabilmektedir.
Atomik ve Elektronik Yapı
Grafenin kristal yapısı Raman ve Rayleigh gibi yüksek çözünürlüklü mikroskopi yöntemleri ile incelenmiş ve bal peteği şeklindeki ağ örgüsü ispatlanmıştır. Grafenin kristal yapısı Bravais örgüden değildir. Daha çok birim hücresinde 2 karbon atomu bulunduran üçgensel örgü kullanılarak ifade edilebilir. Ağ örgü vektörleri a₁ = (a/2)(3, √3, 0) ve a₂ = (a/2)(3, −√3, 0) şeklinde seçilebilir; burada a ≈ 1.42 Å karbon-karbon mesafesidir. Ters ağ örgü vektörleri b₁ = (2π/3a)(1, √3, 0) ve b₂ = (2π/3a)(3, −√3, 0) şeklinde gösterilir.
Brillouin bölgesindeki iki K ve K’ noktaları grafen için çok önemlidir. Bu noktaların koordinatları K = (2π/3a, 2π/(3√3·a), 0) ve K’ = (2π/3a, −2π/(3√3·a), 0) şeklinde ifade edilir.
Her ne kadar grafenin sentezlenebilmesi oldukça geç olsa da grafenin elektronik özelliklerinin araştırılmaya başlanması 1946’ya kadar uzanmaktadır. İlk grafen çalışmalarından birini P. R. Wallace yapmıştır. Wallace grafen kelimesini kullanmayıp yerine “tek katmanlı yapı” dediği çalışmasında grafenin enerji-bant yapısını incelemiş ve bu çalışmasını 3-boyutlu grafitin elektronik özelliklerini anlamaya çalışmakta kullanmıştır.
Grafendeki yük taşıyıcıları adeta kütleleri yok gibi davranabilmektedirler. Bilinen tight-binding yöntemi ile dalga numarası k olan grafen elektronlarının enerjisi E = ±√(γ₀²(1 + 4cos²(πk_y·a) + 4cos(πk_y·a)·cos(πk_x·√3·a))) formülü ile modellenebilir. Burada γ₀ ≈ 2.8 eV en yakın hoplama parametresi enerjisini temsil etmektedir. + ve − işaretleri sırasıyla iletkenlik ve valans enerji bantlarına tekabül etmektedir. Enerji K noktasında momentum ile lineer olarak değişmektedir. Kütlesiz relativistik parçacıkların da uyduğu bu enerji ilişkisi E = ℏkv_f şeklinde ifade edilir. Burada ışık hızının (E = ℏkc) yerine fermi hızı v_f ≈ c/300 gelmektedir. Böyle bir enerji-momentum bağımlılığı sadece grafen için geçerlidir. Diğer sıradan malzemelerde metal, yarı iletken enerji momentuma ikinci dereceden bağımlıdır. 2 katmanlı grafende dahi lineer enerji bağımlılığı yok olmaktadır. Elmas yapıda ise tamamen farklı olarak sistem elektriksel-yalıtkan olarak davranmaktadır.
Grafenin kendine has bir özelliği de oda sıcaklığında elektronların herhangi bir çarpışma olmadan oldukça uzun mesafeleri kat edebildiği bir malzeme olmasıdır. Karbon atomlarının bağ yapmak için dört elektronları vardır. İki boyutlu olan grafende üç bağ yaptıklarından, dördüncü elektron kristalde serbestçe dolaşır ve grafene yüksek iletkenlik kazandırır. Sıradan metallerde, elektron saçılması enerji kaybına ve ısı ortaya çıkmasına sebep olur. Buna karşılık grafen geleceğin elektronik aygıtları için umut vericidir.
Grafen Nanoşeritler
Kusursuz grafen iki yönde sonsuza kadar uzanan bir örtü gibidir. Gerçekçi grafen ise girinti ve çıkıntılardan oluşan kenarlara sahiptir. Bu girinti ve çıkıntılar grafen kristali yeterince büyük ise etkisiz olmaktadır. Sentezlenen grafen parçaları sonlu olsa da sergiledikleri fiziksel özellikler sonsuz grafene benzerdir. Çok küçük grafen şeritlerinde kenarların etkileri ortaya çıkar ve grafen nanoşeritler grafenden ayrı olarak incelenmeyi hak etmektedirler.
Grafen şeritler sahip oldukları kalınlığa ve kenarlarının tipine göre farklı özellikler sergilemektedirler. Bir grafen şerit bilimsel literatürde “armchair” olarak adlandırılan kenarlara sahip olup birim hücresinde n = 20 karbon atomu bulundurmaktadır. Baş
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
