0
t.me/comsolfa_bot

مشخصه مواد دو بعدی، تنها مربوط به گرافن نیست

یکی از مشکلات دانشجویان شبیه سازی گرافن در کامسول است. در این مقاله ضمن معرفی مشخصات گرافن با تعدادی از مواد دو بعدی مهم مانند نیترید بور ، سیلیسین ، استانین و شیشه دوبعدی آشنا خواهیم شد.

احتمالاً شما داستان پیش رو را شنیده‌اید: زوجی دانشمند گرافن را کشف کردند، زمانی که داشتن به طور مکرر به وسیله نوار چسب از گرافیت لایه برداری می‌کردند. گرافن به دلیل قدرت باورنکردنی، وزن کم و خواص الکترونیکی، جلب توجه زیادی کرده است، اما این تنها ماده ای نیست که دارای این چنین خواصی است. بسیاری از مواد دو بعدی دیگری نیز وجود دارد که برای کاربردهای الکتریکی در نظر گرفته شده‌اند، که بعضی از آن‌ها ممکن است به همراه گرافـن و بعضی از آن‌ها ممکن است به عنوان جایگزین گرافن، به کار گرفته شوند.

گرافن طبیعی

گرافن فواید و خواص فوق العاده­ ای دارد که در مواد دیگر غیر معمول است. گرافـن حدوداً ۲۰۰ برابر از فولاد قوی تر است و از هدایت الکتریکی و حرارتی بالاتری نسبت به مس برخوردار است. هدایت الکتریکی و حرارتی بالای گرافـن را به تحرک الکترونها با سرعت ۱۵۰۰۰ cm2/V.s و بالاتر از cm2/V.s 200000 در دماهای بالا نسبت می‌دهند. یک مقاله IEEE Spectrum در اوایل سال گذشته، این قسمت را به صورت ساده تری بیان کرده است:

” در دمای پایین، به عنوان مثال، این مواد (گرافـن) در یک ولتاژ معین، الکترون‌ها را ۱۰۰ برابر سریع‌تر نسبت به آنچه سیلیکون می‌تواند انجام دهند، فشرده می‌کند.”

علاوه بر این، همانطور که قبلاً نیز اشاره کردم، گرافـن وزن بسیار کمی دارد – در حقیقت، کمتر از ۱ میلی گرم در هر متر مربع-. همه این‌ها باعث می‌شود که گرافن طبیعی، گزینه ای عالی برای ایجاد سریع ترانزیستورهای RF و سایر لوازم الکترونیکی باشد.

گرافن گرافین

گرافن (تصویر منتسب به AlexanderAIUS است).

با وجود همه این‌ها، گرافن در حالت طبیعی خود کاملاً عاری از محدودیت نیست. همانطور که در مقاله IEEE Spectrum مشاهده می‌کنیم، گرافـن طبیعی مانند مواد نیمه رسانا دارای شکاف باند یا باند گپ نمی‌باشد، به این معنی که شما نمی‌توانید جریان جاری را قطع کنید، بنابراین نمی‌توان از آن به‌عنوان سوئیچ استفاده کرد. همانطور که می دانید، قابلیت سوئیچ کردن در جریان‌ها برای هوشمند سازی از اهمیت بالایی برخوردار است، به همین دلیل است که سیلیکون نیمه رسانا در الکترونیک‌ مدرن بسیار محبوبتر بوده است.

دوره تخصصی آموزش ماژول wave-optics در نرم افزار کامسول

آموزش ویدئویی فارسی پیشنهادی برای شبیه سازی گرافـن در کامسول

 

چه تحقیقاتی در مورد ایجاد باند گپ در گرافن در جریان است؟

بر طبق مقاله گفته شده در بالا ممکن است ما هنوز کاملاً به هدف ایجاد باند گپ در گرافن نرسیده باشیم. یک باند گپ می‌تواند به وسیله لایه‌های انباشته از مواد بر روی یکدیگر یا با برش دادن آن به نانوروبان‌ها، ایجاد شود، اگرچه این روش به طور معمول یک اثر جانبی مهم یعنی کاهش سرعت الکترونی را ایجاد می‌کند.

مواد دوبعدی دیگر

در حالی که تحقیقات و ساخت گرافِن به خوبی در حال انجام است و به طور گسترده در مورد آن صحبت می‌شود، مواد ۲D یا دوبعدی دیگری نیز وجود دارد که هنوز به طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته‌اند، اما نتایج بررسی این مواد نیز، هم به صورت تنهایی و هم در ترکیب با گرافن امیدوارکننده بوده است.

نیترید بور

به عنوان مثال، نیترید بور را به عنوان یک ماده ۲D در نظر بگیرید. در حالی که گرافن دارای باند گپ نیست، نیترید بور دارای باند گپ بسیار گسترده ای است (مانند الماس). البته باند گپ در نیترید بور آنقدر وسیع است که برای سوئیچ مناسب نیست، اما در عوض یک عایق خوب ایجاد می‌کند. پیشرفت‌هایی در زمینه ترکیب این ماده با گرافن برای ایجاد مدارهای فوق العاده نازک حاصل شده است.

نیترید بور شیشه دوبعدی

نیترید بور

سیلیسین

سیلیسین لایه‌های سیلیسی با ضخامت یک اتم است، که بر روی صفحات نقره ساخته می‌شود. این ماده به عنوان یک رقیب برای گرافین در نظر گرفته شده است. با وجود اینکه برخی خصوصیات سیلیسین (همچون فرمیون دیراک بدون جرم) مشابه گرافن است، اما سیلیسین به دلیل تقارن گروه پایین تر و همچنین دارا بودن جفت شدگی اسپین-مدار نسبتاً بزرگ، یک قدم از گرافین جلوتر است، و شاید همین باعث شده خواص الکترونیکی متعادل تری در سیلیسین نسبت به گرافین وجود داشته باشد.

سیلیسین استانین

سیلیسین تصویر منتسب به Ayandatta است.

استانین

محققان اخیراً با استفاده از ابزارهای شبیه سازی، تک لایه‌ای از اتم‌های قلع که در ساختاری دو بعدی قرار گرفته‌اند را با اتم‌های فلوئور ترکیب کرده‌اند تا ماده ای به نام استانین تولید کنند، ماده ای که به نظر می‌رسد بسیار شبیه به گرافن است. محققان تصور می‌کنند که استانین قادر است الکتریسیته را با بازدهی ۱۰۰ درصد در امتداد لبه‌های خود در دمای اتاق منتقل کند، در حالی که مرکز آن مانند یک عایق رفتار می‌کند. فرض گرفته می‌شود چهار مسیر ترافیک داده دارای مقاومت صفر پشتیبانی می‌شوند تا دو مسیر در امتداد هر لبه در جهت مخالف حرکت ‌کنند.

به عبارت دیگر، تصور می‌شود که این ماده مانند سیم‌های ابررسانا دو طرفه عمل می‌کند. تفاوت قابل‌توجهی بین این ماده جدید یعنی استانین و یک رسانای معمولی از نظر مقاومت وجود دارد. در یک رسانای معمولی، سیم بلندتر مقاومت بیشتری را فراهم می‌کند، اما در استانین، تمام قسمت‌های نقاط پایانی با مدار تراشه در تماس است در نتیجه مقاومت بدون در نظر گرفتن طول ثابت خواهد بود.

محققان هنوز منتظر تأیید تجربی در مورد استانین هستند، اما اگر واقعاً تأیید شود، استانین می‌تواند به عنوان ماده ۲D مهم و ارزشمند بعد از گرافن مورد استفاده قرار گیرد.

تحقیقات گرافن منجر به کشف تصادفی شیشه دو بعدی شد.

گرافین از آن روز سرنوشت ساز در سال ۲۰۰۴ تا به امروز راه طولانی را طی کرده است. طبق اظهارات gizmag.com، تحقیقات گرافین باعث کشف تصادفی نازک‌ترین شیشه جهان در سال ۲۰۱۲ شد. این شیشه که تنها یک مولکول ضخامت دارد، واقعاً یک کشف قابل توجه است.

شیشه دوبعدی یا ۲D وقتی کشف شد که دو محقق دانشگاه کرنل در حال رشد گرافن (از طریق رسوب دهی شیمیایی بخار ) بر روی یک فیلم مسی متصل به یک بستر کوارتز بودند. وقتی محققان خاطرنشان کردند که لایه گرافین تغییر رنگ داده است، تصمیم گرفتند آن را آزمایش کنند. که متوجه شدند قسمتی که تغییر رنگ داده است در واقع شیشه ای متشکل از سیلیکون در یک لایه یک مولکول است. اگرچه آن‌ها هنوز نتوانسته‌اند این شیشه را تولید کنند، اما محققان حدس می‌زنند که می‌توان از این نوع شیشه به طور بالقوه در فناوری نانو استفاده کرد.

 

این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان مواد ۲D یا دو بعدی، تنها مربوط به گرافن نیست برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی

 

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *