Tüm terimsel açıklamalardan önce grafeni şu basit örnekle açıklamak mümkündür. Eğer bir kitabın tamamını grafit olarak düşünecek olursanız; grafen, o kitabın tek bir sayfasına verilen isimdir. Bunun yanında grafen, sp, sp2, ve sp3 hibritleşmesi yapabilen karbon elementinin bir allotropu olan grafitin tek bir tabakasına verilen isimdir. İlk olarak 1994 yılında Boehm, Setton ve Stumpp tarafından grafen ismi litaratüre kazandırılmıştır.
Keşfinden önce 2 boyutlu malzemelerin var olamayacağı, var olsalar bile termodinamik açıdan kararsız yapıda olmaları gerektiği yönünde yaygın bir inanış vardı. Ancak bu inanış 2004 yılında Andre GEİM ve Konstantin NOVOSELOV tarafından tamamen yıkıldı. Bu iki bilim insanı, görünürde basit, “scotch tape” tekniğini kullanarak ilk kez tek tabakalı grafeni izole etmeyi başardılar ve Nobel Fizik ödülüne layık görüldüler. İşin özü oldukça basit, aralarında 0.34nm boşluk bulunan ve zayıf Van der Waals kuvvetlerinin bir arada tuttuğu grafit tabakalarının karşılıklı yapıştırılan bantlardan sıyırmak ve bu işlemi tek tabaka kalıncaya dek devam etmek.
2 boyutlu grafen, karbon esaslı bazı teknolojik malzemelerin yapıtaşı olarak görülmektedir. Grafen tabakalarının istiflenmesi ile elde edilen 3 boyutlu grafitin yanın sıra tek tabakalı bir grafeni rulo haline getirirsek 1 boyutlu karbon nano tüp, uygun paketlenme işlemi uygularsak 0 boyutlu Fulleren (C60) yapıyı elde ederiz.
(b), cnt (c), grafit (d)
Grafen tabakasındaki C atomları, komşu üç C atomu ile sp2 hibritleşmesi yaparak σ bağı oluşturur. Arda kalan pz orbitalleri π bağı oluşturur. π bağları grafen tabakasında elektrik iletimini sağlayan valans elektronlarını içermektedir. Grafen üstün fiziksel özelliklere sahiptir. Günümüze kadar ölçülebilen en dayanımlı malzeme olan grafen, çelikten 100 kat daha dayanımlıdır. Young Modülü 1 TPa ve Çekme dayanımı 130 GPa’dır [2]. Termal iletkenliği 5000 ?/??‘dir [3]. Teorik özgül yüzey alanı 2630 ?2/?’dır. 2 boyutlu malzeme olmasından dolayı ambipolar elektrik özellikleri ve kuantum Hall etkisi grafenin mükemmel derecedeki elektriksel özelliklerinin açıklamasıdır. Grafen tabakalarındaki elektron taşınımı, kütlesiz relativistik parçacıklardaki gibidir ve 200.000 ??2/?? olan yüksek değerlere ulaşır [4].
Tabaka sayısına göre tek tabaka (monolayer), iki tabaka (bilayer), üç tabaka (trilayer), 5-10 tabaka (fewlayer) ve çok tabaka (multilayer) olarak adlandırılan grafenin fiziksel özellikleri tabaka sayısına göre değişiklik göstermektedir. Elektriksel özelliklerinden dolayı balistik transistörler, alan vericileri, entegre devre bileşenleri, iletken elektrotlar gibi uygulama alanları bulan grafen optik özelliklerinden dolayı dokunmatik ekranlar, fotovoltaik hücre uygulamaları, ışık yayan diyotlar, likit kristal ekranlar gibi uygulama alanlarına da sahiptir [5].
Kaynaklar
[1] Geim, A., K. ve Novoselov, K., S., Nature Materials, 6 (2007) 183.
[2] Lee, C., Wei, X., Kysar, J., W. ve Hone, J., Science, 321 (2008) 385.
[3] Saito, K., Nakamura, J. ve Natori, A., Physics Review B, 76 (2007) 115409.
[4] Du, X., Skachko, I., Barker, A. ve Andrei, E., Y., Nature Nanotechnology, 3 (2008) 491.
[5] Graphene Synthesis and Applications, Ed: Choi, W., Lee, J., W., CRC Press, 2012, USA.