Graphene แกรฟีน Graphene discovery that shocked the world of nanotechnology.

แกรฟีน

วัสดุมหัศจรรย์ที่ทั่วโลกตื่นตะลึง

ดร. อดิสร เตือนตรานนท์

ผู้อำนวยการหน่วยปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลจุลภาค

ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ

เมธีวิจัย สกว. สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย

adisorn.tuantranont@nectec.or.th

วินาทีนี้ใครไม่รู้จัก “แกรฟีน” หรือ Graphene ก็ต้องหันมาสนใจเรื่องราวเกี่ยวกับ

เจ้าวัสดุมหัศจรรย์ที่ว่านี้ เพราะแม้แต่ในวงการวิทยาศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นสาขาฟิสิกส์ 

เคมี รวมถึงชีววิทยา ก็หันมาสนใจกันอย่างตื่นเต้น ไม่ใช่เป็นเพราะว่า รางวัล

โนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ ที่มอบให้แก่ผู้ค้นพบแกรฟีน แต่เพราะว่ามันมี

คุณสมบัติที่น่าแปลกประหลาดใจ และมีรูปแบบการใช้งานใหม่ ๆ 

ให้ค้นพบได้ทุกวัน

แกรฟีนเป็นวัสดุมหัศจรรย์ใหม่ล่าสุดที่ประกอบ-

ด้วยชั้นของคาร์บอนอะตอมที่หนาเพียง 1 ชั้น มีลักษณะ

เป็นแผ่นที่มีโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูปหก

เหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง โดยมีความหนาเท่ากับความหนา

ของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว หรือประมาณ 0.34 

นาโนเมตร และมีระยะห่างระหว่างอะตอมคาร์บอน 

0.142 นาโนเมตร แกรฟีนถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อ

ปี พ.ศ.2547 โดยสองนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย รางวัล

โนเบลในปีนี้ (พ.ศ.2553) ได้แก่ Dr. Andre Geim 

และ Dr.Konstantin Novoselov จากมหาวิทยาลัย

แมนเชสเตอร์ ผู้ได้ทำการทดลอง และค้นพบความ

มหัศจรรย์ของแกรฟีน จนททำให้มันได้รับความสนใจ

จากนักวิจัยทั่วโลกอย่างมาก ที่ตกตะลึง คือ นักวิจัยทั้ง

สองเพิ่งตีพิมพ์ผลงานวิจัยเกี่ยวกับแกรฟีนลงในวารสาร

วิชาการชื่อ Science ครั้งแรกเมื่อปี พ.ศ.2547 ที่ผ่านมา

นี้เอง และที่สำคัญ Dr.Novoselov มีอายุเพียง 36 ปีเท่านั้น 

!!! นับเป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลที่มีอายุน้อยที่สุดตั้งแต่ปี พ.ศ.

2519 นอกจากนี้ Dr.Geim หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลปีนี้ ยัง

เคยได้รับรางวัล Ig Nobel ในปี พ.ศ.2543 ซึ่งมอบให้แก่ผลงานวิจัย

ที่สุดเพี้ยน คือ การยกให้กบลอยตัวด้วยแรงแม่เหล็กในปี พ.ศ.2540 และ

แกรฟีน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

แกรฟีนเป็นโครงสร้างตารางแบบรังผึ้งหนาเพียงหนึ่งอะตอมที่ประกอบขึ้นโดยการวางตัวของอะตอมของคาร์บอนหลายๆอะตอม

แกรฟีน (อังกฤษ: Graphene) หรือ กราฟีน เป็นรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอน เคียงข้างกับ เพชร, กราไฟท์, ท่อนาโนคาร์บอนและ fullerenes โดยที่ อะตอมของคาร์บอนจะเรียงตัวในรูปแบบหกเหลี่ยมรังผึ้งทั่วไป แกรฟีนสามารถอธิบายได้ว่า เป็นชั้นหนาเพียงอะตอมเดียวของแร่แกรไฟต์ที่เป็นชั้นๆ กราฟีนที่มีคุณภาพสูง มีความแข็งแรงมาก น้ำหนักเบา(แกรฟีนขนาด 1 ตารางเมตรมีน้ำหนักเพียง 0.77 มิลลิกรัมเท่านั้น) เกือบโปร่งใส และเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี การที่มันมีปฏิสัมพันธ์ที่ดีกับวัสดุอื่นๆ และกับแสง, และการที่โดยธรรมชาติเป็นแบบสองมิติของมัน ทำให้มันมีคุณสมบัติเฉพาะที่ไม่เหมือนใคร

ในช่วงปี 2004 นักวิจัยหลายคนที่ศึกษาคาร์บอนนาโนทิวบ์ได้คุ้นเคยกันดีอยู่แล้ว กับองค์ประกอบของโครงสร้างและคุณสมบัติของแกรฟีน ซึ่งได้รับการคำนวณในหลายทศวรรษที่ผ่านมาก่อนหน้านี้ เมื่อรวมเข้ากับคุณสมบัติพิเศษและความสะดวกที่น่าแปลกใจของการแยกออกทำให้เกิดการการวิจัยของแกรฟีนเป็นไปอย่างกว้างขวาง Andre Geim และ คอนสแตนติน Novoselov แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ชนะรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 "สำหรับการเริ่มต้นการทดลองที่เกี่ยวข้องกับวัสดุแกรฟีนสองมิติ"

คุณสมบัติ[แก้]

ด้านอิเล็กทรอนิกส์[แก้]

แกรฟีนแตกต่างจากวัสดุสามมิติทั่วไป แกรฟีนที่แท้จริงเป็นสารกึ่งตัวนำแบบกึ่งโลหะหรือแบบช่องว่างเป็นศูนย์ การทำความเข้าใจโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของแกรฟีน เป็นจุดเริ่มต้นในการหาแถบโครงสร้างของแกรไฟท์ ในปี 1947 พีอาร์ วอลเลซ ได้รับรู้ว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับโมเมนตัม (ความสัมพันธ์แบบกระจาย) เป็นเส้นตรง สำหรับ พลังงานต่ำ ใกล้มุมทั้งหกของ Brillouin โซนหกเหลี่ยมสองมิติ นำไปสู่มวลที่มีประสิทธิภาพเป็นศูนย์สำหรับอิเล็กตรอนและโฮล อิเล็กตรอนและโฮลใกล้จุดทั้งหกเหล่านี้ มีสองตัวที่ไม่เสมอกัน, ทำตัวเหมือนอนุภาคสัมพันธ์ ที่อธิบายได้โดยสมการ Dirac สำหรับ อนุภาค สปิน 1/2 ดังนั้น อิเล็กตรอนและโฮลจึงถูกเรียกว่า Dirac fermions และหกมุมของ Brillouin โซน จะถูกเรียกว่าจุด Dirac สมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเชิงเส้นคือ ; เมื่อ ความเร็ว Fermi v_F ~ 10⁶ เมตร/วินาที และ wavevector "k" จะวัดจากจุด Dirac (พลังงานเป็นศูนย์จะถูกเลือกที่นี่ให้ตรงกับจุด Dirac)

การขนส่งอิเล็กตรอน[แก้]

ผลการทดลองจากการวัดการขนส่งแสดงให้เห็นว่า กราฟีนมีความสามารถในการเคลื่อนย้าย อิเล็กตรอนที่สูงอย่างน่าทึ่งที่อุณหภูมิห้อง โดยมีค่าตามรายงาน มากกว่า 15,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹นอกจากนี้ สัดส่วนของค่าการนำกระแสโดยการวัดจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า ความสามารถในการเคลื่อนที่ สำหรับโฮลและอิเล็กตรอนเกือบจะเป็นค่าเดียวกัน การเคลื่อนที่เกือบจะเป็นอิสระจากอุณหภูมิ ระหว่าง 10K ถึง 100K ซึ่งหมายความว่า กลไกการ กระจัดกระจายที่โดดเด่นเป็นข้อบกพร่อง การกระจัดกระจายโดย acoustic phonons ของ กราฟีนเป็นตัวจำกัดความสามารถที่แท้จริงในการเคลื่อนที่ในอุณหภูมิห้อง ที่ 200,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹ ที่ความหนาแน่นของตัวขนส่งเท่ากับ 10¹² cm⁻² ความต้านทานของแผ่นกราฟีนที่สอดคล้องกันจะเป็น 10⁻⁶ Ω·cm ซึ่งน้อยกว่าความต้านทานของเงิน ที่เป็นสารให้ความต้านทานต่ำสุดเท่าที่รู้จักกันที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตามสำหรับแกรฟีนบนพื้นผิว SiO₂ การกระจัดกระจายของอิเล็กตรอน โดย phonons ของแสงของพื้นผิวเป็นผลขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิห้องมากกว่าการกระจัดกระจายด้วย phonons ของตัวแกรฟีนเอง สิ่งนี้จำกัดการเคลื่อนที่ให้มีค่าอยู่ที่ 40,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹

แม้ว่าที่จุดใกล้ Dirac points จะมีความหนาแน่นของตัวขนส่งเป็นศูนย์ แกรฟีนก็ยังให้การนำกระแสขั้นต่ำในราว  ต้นตอของการนำกระแสขั้นต่ำนี้ก็ยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม รอยหยักของแผ่นกราฟีนหรือสิ่งสกปรกที่แตกตัวเป็นไอออนในสารตั้งต้น SiO₂ อาจนำไปสู่​​แอ่งน้ำท้องถิ่นของตัวขนส่งที่ช่วยการนำกระแส มีหลายทฤษฎีที่ชี้ให้เห็นว่าการนำกระแสขั้นต่ำควรเป็น  อย่างไรก็ตามการวัดส่วนใหญ่จะได้ค่าเป็น  หรือมากกว่า และ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน

การทดลองที่ผ่านมาได้หยั่งอิทธิพลของสารเจือปนเคมีที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวขนส่งในแกรฟีน Schedin และคนอื่นๆได้ทำการโด๊ปแกรฟีนด้วยก๊าซชนิดต่างๆ (บางตัวเป็นผู้รับ บางตัวเป็นผู้ให้) พบว่าสถานะเริ่มแรกที่ไม่ได้โด๊ปของโครงสร้างแกรฟีนสามารถกู้คืนได้โดยให้ความร้อนอย่างนุ่มนวลแก่แกรฟีนในสุญญากาศ พวกเขาได้รายงาน ว่าแม้ความเข้มข้นสารเจือปนเคมีในส่วนที่เกินจาก 1,012 cm² ก็ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวขนส่ง Chen และคนอื่นๆได้โด๊ปแกรฟีนด้วยโพแทสเซียมในสูญญากาศที่สูงพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ พวกเขาพบว่าโพแทสเซียมไอออนทำหน้าที่ตามที่คาดไว้ สำหรับสิ่งสกปรกที่ประจุไว้ในแกรฟีน และสามารถลดความสามารถในการเคลื่อนที่ถึง 20 เท่า การลดลงของความสมารถในการเคลื่อนที่จะกลับกัน เมื่อให้ความร้อนแก่แกีฟีนเพื่อแยกโพแทสเซียมออก

เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นสองมิติของมัน การแยกออกเป็นส่วนเล็กๆของประจุ (ที่ซึ่งประจุที่เห็นได้ชัดของอนุภาคเทียมแต่ละชิ้นในระบบมิติต่ำมีค่าน้อยกว่าควอนตัมเดี่ยวอันหนึ่ง) มีความคิดว่าได้เกิดขึ้นในแกรฟีน เพราะฉะนั้น มันจึงอาจจะเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์แบบควอนตัมที่ใช้วงจร anyonic

คุณสมบัติทางแสง[แก้]

คุณสมบัติด้านแสงที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวของแกรฟีนทำให้มีความทึบแสงสูงอย่างไม่คาดคิด สำหรับอะตอมชั้นเดียวในสูญญากาศ โดยการดูดซับ πα≈ 2.3 % ของแสงสีขาว เมื่อ α คือค่าโครงสร้างละเอียดคงที่ นี่คือ "ผลพวงจากความผิดปกติของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พลังงานต่ำของ graphene monolayer ที่ทำให้แถบรูปทรงกรวยของอิเล็กตรอนและโฮลมาประจบกันที่ Dirac point [ซึ่ง] เป็นคุณภาพที่แตกต่างจากแถบขนาดใหญ่ที่ธรรมดาอื่นๆ". บนพื้นฐานของรูปแบบแถบของกราไฟต์ของ Slonczewski - Weiss - McClure (SWMcC) ระยะทางระหว่างอะตอม, ค่า hopping และความถี่จะหักล้างกัน เมื่อการนำแสงถูกคำนวณโดยใช้สมการของ Fresnel ในขีดจำกัดแบบ thin-film

สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลอง แต่การวัดไม่ได้แม่นยำพอที่จะปรับปรุงด้วยเทคนิคอื่น ๆ ในการหาค่าโครงสร้างละเอียดคงที่

ความกว้างของแถบของแกรฟีน สามารถปรับได้จาก 0 ถึง 0.25 eV (ความยาวคลื่น ประมาณ 5 ไมโครเมตร) โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับ ทรานซิสเตอร์แบบ FET ที่มีเกทสองชั้นประสานกัน (อังกฤษ: dual-gate bilayer graphene field-effect transistor) ที่อุณหภูมิห้อง การตอบสนองต่อแสงของ nanoribbons graphene ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถปรับแต่งให้มีค่าเป็น terahertz (ล้านล้านเฮริตซ์) โดยการใช้สนามแม่เหล็ก แสดงให้เห็นว่า ระบบแกรฟีน/แกรฟีนออกไซด์มีพฤติกรรมที่เป็น electrochromic ซึ่งยอมให้ทำการปรับแต่งได้ทั้งแบบคุณสมบัติเชิงเส้นและจากคุณสมบัติทางแสงที่รวดเร็วมาก

เมื่อเร็วๆนี้ ตะแกรงของแบรกก์ที่มีพื้นฐานมาจากแกรฟีน (คริสตัลไฟโต้โทนิคหนึ่งมิติ) ได้ถูกสร้างขึ้นและได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการกระตุ้นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผิว โดยใช้เลเซอร์ He-Ne 633 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดแสง.

คุณสมบัติเชิงกล[แก้]

ณ ปี 2009, แกรฟีนดูเหมือนจะเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดที่เคยทดสอบ วัดความแข็งแรงทำลายมากกว่า 100 เท่าของแผ่นเหล็กสมมุติที่มีความหนาเท่ากัน (บางอย่างไม่น่าเชื่อ) ด้วยโมดูลัสแรงดึง(ความแข็ง) จาก 1 TPa (150,000,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) อย่างไรก็ดี กระบวนการสกัดออกจากกราไฟท์ที่มีอยู่ในธรรมชาติ จะต้องมีการพัฒนาทางเทคโนโลยี ก่อนที่จะคุ้มค่ามากพอที่จะนำมาใช้ในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรม แม้เรื่องนี้อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงในไม่ช้า แกรฟีนมีน้ำหนักเบามากน้ำหนักเพียงประมาณ 0.77 มิลลิกรัมต่อตารางเมตร รางวัลโนเบลได้ประกาศว่า 1 ตารางเมตร ของเปลญวนที่ทำจากแกรฟีน สามารถรองรับแมวหนัก 4 กิโลกรัมได้ แต่เปลญวนจะมีน้ำหนักเพียงเท่ากับหนวดแมวหนึ่งหนวดเท่านั้น คือที่ 0.77 มิลลิกรัม (ประมาณ 0.001 % ของน้ำหนักของ 1 ตารางเมตรของกระดาษ)

กระดาษแกรฟีนเพิ่งได้รับการพัฒนาโดยแผนกวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซิดนีย์ โดย Guoxiu Wang ที่สามารถนำมาผ่านขบวนการต่างๆ, การเปลี่ยนรูปแบบ, การสร้างรูปแบบขึ้นมาใหม่จากสถานภาพของวัตถุดิบเดิม นักวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการสีกราไฟท์ดิบ โดยการทำให้บริสุทธิ์ และกรองด้วยสารเคมีเพื่อก่อร่างและปฏิรูปใหม่ให้อยู่ในรูปแบบโครงสร้างนาโน แล้วผ่านขบวนการให้เป็นแผ่นบางเท่ากระดาษ ตามข้อความของมหาวิทยาลัย หัวหน้านักวิจัย Ali Reza Ranjbartoreh กล่าวว่า "ไม่เพียงแต่มันมีน้ำหนักเบา แข็งแรง แกร่งและ ยืดหยุ่นมากกว่าเหล็กเท่านั้น แต่ยังเป็นผลิตภัณฑ์ที่นำมารีไซเคิลได้ และยั่งยืน เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีตันทุนที่มีประสิทธิภาพในการใช้งานอีกด้วย" Ranjbartoreh กล่าวว่าผลลัพธ์จะช่วยให้มีการพัฒนารถยนต์ที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง และเครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่า การสร้างมลพิษที่น้อยกว่า มีราคาถูกเพื่อให้ทำงานได้ และยั่งยืนทางด้านนิเวศวิทยา เขากล่าวอีกว่า บริษัทการบินและอวกาศที่มีขนาดใหญ่ ได้เริ่มต้นแล้วที่จะเปลี่ยนโลหะที่มีคาร์บอนไฟเบอร์ และวัสดุคาร์บอน และกระดาษแกรฟีนที่มี คุณสมบัติทางกลที่เปรียบไม่ได้ ที่จะเป็นวัสดุต่อไปสำหรับพวกเขาในการสำรวจเพื่อใช้งาน

เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม(อังกฤษ: Atomic Force Microscope) หรือ AFM ทำการวัดแรงดีดคงที่ของแผ่นแกรฟีนที่ถูกแขวนอยู่เหนือ SiO แผ่นแกรฟีนถูกแขวนอยู่ด้วยกันด้วยแรง van der Waals forces

ปลายของ AFM ถูกสอดเข้าไปในโพรงสองโพรงเพื่อทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ค่าแรงดีดคงที่จะอยู่ในช่วง 1-5 N/m และ ค่ามอดุลัสของ Young เป็น 0.5 TPa ซึ่งแตกต่างจากค่าของกราไฟท์ที่เป็นก้อน ค่าเหล่านี้ที่สูงมาก ทำให้แกรฟีนแข็งแกร่งและหนาแน่น คุณสมบัติแท้จริงเหล่านี้ อาจนำไปสู่การใช้แกรฟีน สำหรับการใช้งาน Nanoelectromechanical system หรือ NEMS เช่น เซ็นเซอร์ความดัน และ resonators

เป็นไปตามความจริงของวัสดุทั้งหมด หลายภาคส่วนของแกรฟีนจะมีการผันผวนของความร้อนและควอนตัมในการเคลื่อนย้ายสัมพันธ์ ถึงแม้ว่าขนาดของความผันผวนเหล่านี้อยู่ในรูปของโครงสร้าง 3D (แม้จะอยู่ในข้อจำกัดของขนาดที่ไม่มีที่สิ้นสุด) ทฤษฎีบทของ Mermin - Wagner แสดงให้เห็นว่า แอมพลิจูดของความผันผวนของความยาวคลื่นที่ยาวจะเพิ่มมากขึ้นแบบลอการิทึมที่มีขนาดตามโครงสร้าง 2D และดังนั้นจึงไม่มีทิศทางในโครงสร้าง ที่มีขนาดไม่สิ้นสุด ความผิดปกติท้องถิ่นและความเครียดยืดหยุ่นได้รับผลกระทบที่ตัดทิ้งได้โดยความแตกต่างในระยะยาวในการเคลื่อนย้ายสัมพันธ์ เชื่อได้ว่ามันเป็นโครงสร้าง 2D ขนาดใหญ่พอ ในกรณีที่ไม่มีความตึงเครียดด้านข้างที่ใส่เข้าไป จะโค้งงอและพังทลายในรูปแบบโครงสร้าง 3D ที่มีความผันผวน นักวิจัยได้สังเกตระลอกในชั้นแขวนของแกรฟีน และได้รับการเสนอว่า ระลอกเกิดจากความผันผวนของความร้อนในวัสดุ ผลจากการเสียรูป เหล่านี้ก็เป็นที่ถกเถียงกันว่า graphene เป็นโครงสร้าง 2D จริงหรือไม่

ศักยภาพในการนำมาใช้งาน[แก้]

แกรฟีนอยู่ในระหว่างการพัฒนาเพื่อนำไปใช้หลายอย่าง รวมถึง หน้าจอแสดงผล, วงจรไฟฟ้า, และเซลล์แสงอาทิตย์ ที่มีน้ำหนักเบา, บาง, ยืดหยุ่นแต่ยังคงทน เช่นเดียวกับ การแพทย์, กระบวนการทางสารเคมีและอุตสาหกรรมต่างๆ

ในปี 2013 นักวิจัยแกรฟีนนำโดยศาสตราจารย์ Jari Kinaret จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ของสวีเดน ได้รับทุนมูลค่า 1 พันล้านยูโร จากสหภาพยุโรปสำหรับการวิจัยต่อเนื่องในการพัฒนาแกรฟีน ในปีเดียวกัน สมาคมเรือธงแกรฟีนถูกจัดตั้งประกอบด้วย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers และ อีกเจ็ดมหาวิทยาลัยและศูนย์การวิจัยในยุโรป และ บริษัทโนเกียของฟินแลนด์ โนเกียยังได้ทำงานกับเทคโนโลยีแกรฟีนมาแล้วเป็นเวลาหลายปี

ทางการแพทย์[แก้]

มีรายงานว่า แกรฟีนช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส หรือ PCR โดยการเพิ่ม ผลผลิตของดีเอ็นเอ การทดลองได้แสดงให้เห็นว่าการนำความร้อนที่โดดเด่นของแกรฟีน เป็นเหตุผลหลักที่อยู่เบื้องหลังผลลัพธ์ที่ได้นี้ นอกจากนี้ แกรฟีนยังให้ผลผลิตดีเอ็นเอ เทียบเท่ากับการควบคุมบวก ที่ลดลงถึง 65% ในรอบ PCR

แผงวงจรรวม[แก้]

แกรฟีนมีคุณสมบัติในอุดมคติที่จะเป็นองค์ประกอบที่ดีของวงจรรวม แกรฟีนมีตัวขนส่งกระแสไฟฟ้าที่มีความคล่องตัวสูง และคลื่นรบกวนต่ำ ทำให้มันถูกนำมาใช้เป็นช่องทางในทรานซิสเตอร์แบบ FET ปัญหาก็คือแผ่นแกรฟีนเดี่ยวจะยากที่จะผลิต และยิ่งยากที่จะผลิต เหนือพื้นผิวที่เหมาะสม นักวิจัยกำลังมองหาวิธีการของการถ่ายโอนแผ่นกราฟีนเดี่ยวจาก แหล่งที่มาของมัน (การขัดด้วยกลไกบน SiO2/Si หรือการผลิตกราไฟต์ด้วยความร้อนของ พื้นผิว SiC) ลงบนพื้นผิวเป้าหมาย ในปี 2008 ทรานซิสเตอร์ที่เล็กที่สุดในเวลานั้น มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม, กว้าง 10 อะตอมทำจากแกรฟีน ไอบีเอ็มประกาศในเดือน ธันวาคม 2008 ว่าได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ทำจากแกรฟีน ทำงานที่ความถี่ GHz ในเดือนพฤษภาคม 2009 ทรานซิสเตอร์ ชนิด n-type และ p -type ถูกประกาศว่าได้ถูกสร้างขึ้นด้วยแกรฟีน วงจรรวมที่ทำงานด้วยแกรฟีนก็ยังถูกสาธิตให้เห็นด้วยตัวอินเวอร์เตอร์ ที่ทำงานเสิมกัน ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์แกรฟีนที่เป็น p-type หนึ่งตัว และ n-type หนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม อินเวอร์เตอร์นี้ ให้โวลเตจเกนที่ต่ำมาก

ตามรายงานเดือน มกราคม 2010, แกรฟีนถูกสร้างขึ้นบนชั้นของ epitaxy บน SiC ใน ปริมาณและคุณภาพที่เหมาะสมสำหรับการผลิตวงจรรวมปริมาณมากๆ ที่อุณหภูมิสูง, ควอนตัม ฮอลล์ เอฟเฟ็กสามารถวัดได้ในตัวอย่างเหล่านี้ ดูเพิ่มเติมที่ งานของ IBM ปี 2010 ในส่วนทรานซิสเตอร์ข้างต้น ในที่ซึ่ง 'โปรเซสเซอร์' ของทรานซิสเตอร์ 100 GHz ถูกสร้างขึ้นบนแผ่นแกรฟีนขนาด 2 นิ้ว (51 มม.)

ในเดือนมิถุนายน 2011, นักวิจัยของไอบีเอ็มประกาศว่าได้ประสบความสำเร็จในการสร้างวงจรรวมจากแกรฟีนเป็นครั้งแรก โดยสร้างเป็นตัวผสมวิทยุบรอดแบนด์ วงจรสามารถจัดการกับความถี่ได้ถึง 10 GHz และประสิทธิภาพการทำงานจะไม่ได้รับผลกระทบกับ อุณหภูมิที่สูงถึง 127 องศาเซลเซียส

ใน มิถุนายน 2013, วงจร oscillator วงแหวน 1.28 GHz ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ 8 ตัวก็ถูกสร้างขึ้น

ทรานซิสเตอร์[แก้]

แกรฟีนได้แสดงให้เห็นถึงการตอบสนองที่เด่นชัดกับสนามไฟฟ้าภายนอกที่ตั้งฉาก ซึ่งมีศักยภาพในการสร้างทรานซิสเตอร์แบบ FET เอกสารในปี 2004 กล่าวว่า FETs มีอัตราส่วน เปิดปิดอยู่ที่ ~ 30 ที่อุณหภูมิห้อง เอกสารในปี 2006 ประกาศเรื่องทรานซิสเตอร์ FET ที่เป็นแกรฟีนทั้งตัวมีเกทอยู่ด้านข้าง อุปกรณ์แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่ 2 % ที่อุณหภูมิแช่แข็ง FET ที่มีเกทด้านบนตัวแรก(อัตราการเปิดปิด <2) แสดงให้เห็นในปี 2007 nanoribbons Graphene อาจพิสูจน์โดยทั่วไปว่ามีความสามารถในการเป็นสารกึ่งตัวนำแทนซิลิกอน

เอกสารในปี 2008 แสดงให้เห็นถึง ผลของการสวิตชิ่งใหม่บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ผันกลับของชั้นแกรฟีน ที่ให้อัตราการเปิดปิดที่มากขึ้นกว่าหกเท่า สวิทช์ที่กลับทางได้เหล่านี้อาจจะนำไปใช้กับเมมโมรี่แบบลบเลือน

ในปี 2009 นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงลอจิกเกท สี่ประเภทที่แตกต่างกัน แต่ละประเภท ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ที่ใช้แกรฟีนเพียงตัวเดียว

การประยุกต์ใช้สำหรับวงจรเหล่านี้จะถูกจำกัดโดยโวลเตจเกนขนาดเล็กมาก โดยปกติแล้ว สัญญาณเอาต์พุตน้อยกว่าสัญญาณอินพุทถึง 40 เท่า นอกจากนี้ยังไม่มีวงจรใดที่ทำงานที่ ความถี่สูงกว่า 25 kHz

ในปีเดียวกัน การจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่าช่องว่างของแถบที่เหนี่ยวนำในทรานซิสเตอร์แบบ FET ที่เป็นแกรฟีนสองชั้น ไม่ได้มีขนาดใหญ่พอสำหรับทรานซิสเตอร์ ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานดิจิตอล แต่สามารถจะเพียงพอสำหรับการใช้งานที่ แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำเป็นพิเศษ เมื่อการใช้ประโยชน์จากสถาปัตยกรรม tunnel-FET

ในกุมภาพันธ์ 2010 นักวิจัยประกาศเรื่องทรานซิสเตอร์ที่มีการเปิด/ปิดด้วยอัตรา 100 กิกะเฮิรตซ์, ซึ่งไกลเกินอัตราของความพยายามก่อนหน้านี้และเกินความเร็วของทรานซิสเตอร์ ซิลิคอนที่มีความยาวเกทเท่ากัน อุปกรณ์ขนาด 240 นาโนเมตรนี้ถูกสร้างขึ้นมาด้วยอุปกรณ์ ที่ใช้ในการผลิตซิลิกอนธรรมดา

ในพฤศจิกายน 2011 นักวิจัยได้ใช้การพิมพ์อิงค์เจ็ท (การผลิตสารเติมแต่ง) เป็นวิธีการที่ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์แกรฟีน

ในปี 2013 นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเคลื่อนตัวสูงของแกรฟีนในเครื่องตรวจจับ ที่ช่วยให้ความสามารถในการเลื่อกความถี่แถบกว้างในช่วงตั้งแต่ THz จนถึงช่วง IR (0.76-33THz) นักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่งสร้างทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงถึง Tara Hz ด้วยคุณ ลักษณะแบบ bistable ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์สามารถสลับระหว่างสองสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ด้วยตัวของมันเอง อุปกรณ์ประกอบด้วยสองชั้นของแกรฟีนที่แยกจากกันโดยชั้นฉนวนของโบรอนไนไตรด์ หนาเพียงไม่กี่อะตอม อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านอุปสรรค นี้ได้โดยการขุดอุโมงค์ควอนตัม ทรานซิสเตอร์ใหม่เหล่านี้แสดง "conductance ความแตกต่างเชิงลบ" โดยที่การไหลของกระแสไฟฟ้าจะเท่ากัน ที่แรงดันที่จ่ายให้สองแรงดันที่แตกต่างกัน

ขั้วนำไฟฟ้าที่โปร่งใส[แก้]

แกรฟีนมีการนำไฟฟ้าสูงและมีความโปร่งใสทางแสงสูง ทำให้มันเป็นขั้วไฟฟ้าโปร่งใสที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเช่น หน้าจอสัมผัส (อังกฤษ: touchscreen), จอแสดงผลแบบคริสตัลเหลว, เซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ และไดโอดเปล่งแสงแบบอินทรีย์ (อังกฤษ: Organic light-emitting diode)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแข็งแรงทางกลของแกรฟีน และความยืดหยุ่นเป็นข้อได้เปรียบ เมื่อเทียบกับอินเดียมดีบุกออกไซด์ ซึ่งเปราะ และแผ่นฟิล์มแกรฟีนอาจถูกทิ้งไว้ในดินให้เป็นอาหารของพืชต่อไป

แผ่นฟิล์มแกรฟีนไม่กี่เลเยอร์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ติดกันอย่างต่อเนื่องโปร่งใสและมีการนำกระแสสูงจะถูกผลิตโดยไอสารเคมีสะสมและนำมาใช้เป็น anodes สำหรับการประยุกต์ใช้ ในอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน (PCE) สูงถึง 1.71 % ซึ่งเป็น 55.2 % ของ PCE ของอุปกรณ์ควบคุมบนพื้นฐานของอินเดียมทินออกไซด์

ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLEDs) ที่มี anodes เป็นแกรฟีนยังได้รับการสาธิตให้เห็นถึงประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์และทางออปติคอล ปรากฏว่าจะคล้ายกับอุปกรณ์ที่ทำด้วย อินเดียมดีบุกออกไซด์

อุปกรณ์ที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมดที่เรียกว่าเซลล์ไฟฟ้าเคมีเปร่งแสง (LEC) ได้รับการสาธิต กับแกรฟีนที่ทำจากสารเคมี เพื่อเป็นแคโทดและ PEDOT โพลิเมอร์การนำไฟฟ้าเป็นขั้วบวก โดย Matyba กับพวก อุปกรณ์นี้แตกต่างจากรุ่นก่อนซึ่งรุ่นนี้จะประกอบด้วยอโลหะ มีแต่ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนเท่านั้น การใช้งานของแกรฟีนเป็นขั้วบวกใน LECs ก็ยังได้รับการยืนยันในสิ่งพิมพ์เดียวกัน

การกลั่นเอทานอล[แก้]

เยื่อออกไซด์ของแกรฟีนยอมให้ไอน้ำซึมผ่านไปได้ แต่ไม่ยอมให้ของเหลวหรือแก๊สอื่นแม้แต่ฮีเลียมซึมผ่านได้ ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกนำมาใช้ในการกลั่นวอดก้าในขั้นตอนต่อไปเพื่อให้ได้ความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ที่สูงขึ้น ในห้องปฏิบัติการที่อุณหภูมิห้อง โดยไม่ต้องมีการใส่ความร้อนหรือสูญญากาศในวิธีการกลั่นแบบดั้งเดิม การส่งเสริมการพัฒนา และการค้าของเยื่อดังกล่าวอาจปฏิวัติเศรษฐศาสตร์ของการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพและอุตสาหกรรมเครื่องดื่มแอลกอฮอล์

กระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ[แก้]

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าตัวกรองแกรฟีนจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคนิคอื่นๆอย่างมีนัยสำคัญ

เซลล์แสงอาทิตย์[แก้]

แกรฟีนมีการผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของการนำไฟฟ้าสูงและความโปร่งใสของแสง ซึ่ง ทำให้มันเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ แผ่นเดียวของแกรฟีนเป็นสารกึ่งตัวนำที่มี bandgap เป็นศูนย์ ที่ซึ่งตัวขนส่งประจุจะไม่ถูกกระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าการกระจัดกระจายของตัวขนส่งจะไม่เกิดขึ้น เนื่องจากวัสดุนี้จะดูดซับเพียง 2.3 % ของแสงที่ตามองเห็นเท่านั้น มันจึงเป็นตัวเลือกสำหรับการใช้งานในฐานะตัวนำไฟฟ้าโปร่งใส แกรฟีนสามารถประกอบขึ้นเป็นขั้วไฟฟ้าบางที่มีผิวเรียบ แต่ในทางปฏิบัติ แผ่นแกรฟีนบางๆที่ถูกผลิตผ่านขบวนการสารละลายจะประกอบด้วยข้อบกพร่องของตาข่าย และ จุดวงรอบเล็กๆที่ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมตัวใหม่ และลดการนำไฟฟ้าของวัสดุ ดังนั้น แผ่นบางเหล่านี้จะต้องถูกทำให้หนากว่าหนึ่งชั้นอะตอม เพื่อให้ได้ความหนืดที่ผิวที่สัมผัสได้ ความหนืดที่ถูกเพิ่มเข้าไปนี้สามารถถูกต่อต้านโดยการผสมผสานวัสดุเพิ่มการนำไฟฟ้า เช่นเมทริกซ์ซิลิกา การนำไฟฟ้าของฟิล์มแกรฟีนที่ถูกลดลงไปยังสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยการติด​​โมเลกุลอโรเมทิกขนาดใหญ่เช่น เกลือโซเดียม pyrene -1- กรดซัลโฟนิก (Pys) และเกลือโซเดียม ของ 3,4,9,10 - perylenetetracarboxylic diimide bisbenzenesulfonic acid (PDI) โมเลกุลกรดอโรเมติกที่มีขนาดใหญ่เหล่านี้ ภายใต้อุณหภูมิสูงจะช่วยในการจับคู่แบบ π ของแผ่นฐานของแกรฟืนได้ดีขึ้น แผ่นแกรฟีนบางๆ มี ความโปร่งใสในระดับสูงในภูมิภาคที่ตามองเห็นได้และภูมืภาคใกล้อินฟราเรด และ นอกจากนี้ยังมีเสถียรภาพทางเคมีและความร้อนที่สูง

เพื่อให้แกรฟีนสามารถนำไปใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ได้ การผลิตขนาดใหญ่ ของวัสดุจะต้องประสบความสำเร็จ อย่างไรก็ตาม การปอกเปลือกของ graphene pyrolytic ดูเหมือนว่าจะไม่ได้เป็นขั้นตอนง่ายๆในการยกระดับขึ้น วิธีทางเลือกที่มีศักยภาพ ในการผลิตที่สามารถปรับขนาดของแกรฟีนที่ได้รับการแนะนำ คือการสลายตัวทางความร้อนของ ซิลิกอนคาร์ไบด์

การใช้แกรฟีนที่นอกเหนือไปจากฐานะที่เป็นออกไซด์การนำกระแสที่มีความโปร่งใส (อังกฤษ: transparent conducting oxide) หรือ TCO มันยังได้แสดงความสามารถในการเคลื่อนประจุที่สูง อาจนำไปสู่ข้อสรุปว่า มันอาจจะสามารถถูกนำไปใช้เป็นตัวสะสมและขนส่งประจุในเซลล์แสงอาทิตย์ การใช้งานของแกรฟีนใน OPVs สำหรับเป็นวัสดุ photoactive ต้องปรับ bandgap ให้อยู่ในช่วงของ 1.4 - 1.9eV ในปี 2010 Yong & Tour ได้รายงานประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แกรฟีนโครงสร้างนาโนเซลล์เดียว ได้กว่า 12% อ้างอิงถึงข้อเขียนเรื่องอนาคตของแกรฟีนใน OPV ของ P. Mukhopadhyay และ R. K. Gupta ว่า อาจจะเป็น "อุปกรณ์ในที่ซึ่งแกรฟีนกึ่งตัวนำถูกใช้เป็นวัสดุ photoactive และแกรฟีนโลหะถูกใช้เป็นขั้วไฟฟ้า"

ห้องปฏิบัติการโรงเรียนวิศวกรรม USC Viterbi ได้รายงานการผลิตขนาดใหญ่ของแผ่นฟิล์มแกรฟีนโปร่งใสมากจากไอสารเคมีสะสมในปี 2008 ในขั้นตอนนี้นักวิจัยได้สร้างแผ่น แกรฟีนบางเฉียบโดยตอนแรกเป็นการวางอะตอมของคาร์บอน ในรูปแบบของฟิล์มแกรฟีน บนแผ่นนิกเกิลจากก๊าซมีเทน แล้วพวกเขาก็วางชั้นป้องกันของเทอร์โมพลาสติคเหนือชั้น แกรฟีนและละลายนิกเกิลใต้อ่างน้ำกรด ในขั้นตอนสุดท้าย พวกเขาแนบแกรฟีนที่มีการป้องกันด้วยพลาสติกไปกับแผ่นโพลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นมากซึ่งจากนั้นจะสามารถรวมตัวเข้าไปในเซลล์ OPV (photovoltaics graphene) แผ่นแกรฟีน/ลิเมอร์ถูกผลิตที่มีขนาด ใหญ่ถึง 150 ตารางเซนติเมตร และสามารถใช้ในการสร้างอาร์เรย์ที่มีความหนาแน่นของเซลล์ OPV มีความยืดหยุ่นได้ ในที่สุดมันก็อาจเป็นไปได้ที่จะสั่งแท่นพิมพ์เพื่อวางเซลล์แสงอาทิตย์ราคาไม่แพงให้ครอบคลุมพื้นที่กว้าง เหมือนเช่นการพิมพ์หนังสือพิมพ์บนหนังสือพิมพ์ (ม้วนต่อม้วน)

ในขณะที่ซิลิกอนได้เป็นมาตรฐานสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์มานาน, การวิจัย ใหม่จากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งโฟโทนิค (ICFO) ในสเปนได้แสดงให้เห็นว่า แกรฟีน สามารถพิสูจน์ว่ามันมีประสิทธิภาพสูงขึ้นมาก เมื่อมันเปลี่ยนแสงให้เป็นพลังงาน การศึกษาพบว่ามันแตกต่างจากซิลิกอนที่สร้างเพียงหนึ่งอิเล็กตรอนที่ขับกระแสสำหรับแต่ละโฟตอนที่มันดูดซับ แต่แกรฟีนสามารถสร้าางได้หลายอิเล็กตรอน เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยแกรฟีนสามารถให้มีประสิทธิภาพได้สูงถึง 60% - สองเท่าของประสิทธิภาพสูงสุดที่ซิลิกอนทำได้

การตรวจจับแก๊สโมเลกุลเดี่ยว[แก้]

 ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มเติมข้อมูลในส่วนนี้ได้

ประวัติและการค้นพบ[แก้]

ค.ศ.1947 P. R. Wallace ^[1] ได้ทำนายถึงโครงสร้างแถบพลังงานของแกรไฟต์ ในเชิงทฤษฎีด้วยวิธีการที่เรียกว่า Tight binding approximation โดยยังไม่พบได้จากการทดลอง จนกระทั่ง ค.ศ.2004 K. S. Novoselov, A. K. Geim และทีมงาน ได้พบการมีอยู่ของวัสดุยุคใหม่นี้ที่ชื่อ แกรฟีน เป็นผลให้ K. S. Novoselov และ A. K. Geim ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี2010 ^[2]

 ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มเติมข้อมูลในส่วนนี้ได้

อ้างอิง[แก้]

1. Jump up↑ Phys. Rev. 71 (1947) 622
2. Jump up↑ The Nobel Prize in Physics 2010

หมวดหมู่:

• สารประกอบอะโรมาติก
• 
  

ทึ่ง! ไทยพลิกโฉมวิจัย “กราฟีน” สำเร็จในจักรวาล

     เผยทีมนักวิจัยเนคเทค สังเคราะห์กราฟีนสำเร็จ มุ่งเป้าใช้ทำหมึกนำไฟฟ้าสร้างเซ็นเซอร์ และเป็นทีมแรกของโลกที่
ผลิตกราฟีนผสมในหมึกนำไฟฟ้าใช้สร้างอุปกรณ์ราคาถูก ด้วยการพิมพ์อิงค์เจ็ต ก่อนพลิกโฉมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์...

20 ต.ค. นายอดิสร เตือนตรานนท์ ผู้อำนวยการหน่วยปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลจุลภาค ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ หรือ เนคเทค กล่าวว่า กว่า 6 เดือน ที่ทีมงานวิจัยกราฟีน ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้า ลอกเอาแผ่นกราฟีนบริสุทธิ์ออกจากขั้วกราไฟต์ และผสานเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์นำไฟฟ้าทำให้ได้หมึกนำไฟฟ้าที่สามารถนำไป พิมพ์เป็นอุปกรณ์ต่างๆ ด้วยเทคนิคอิงค์เจ็ตราคาถูก

นอกจากนี้ วิธีการทางเคมีเป็นครั้งแรกของประเทศไทย และเป็นทีมแรกของโลกที่สามารถผลิตกราฟีนผสมในหมึกนำไฟฟ้าใช้สร้างอุปกรณ์ ซุปเปอร์เซ็นเซอร์ราคาถูกด้วยการพิมพ์อิงค์เจ็ต โดยคาดหวังว่ากราฟีนจะเปลี่ยนโฉมหน้าของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต

     ทั้งนี้ กราฟีนเป็นวัสดุมหัศจรรย์ใหม่ ประกอบด้วย ชั้นของคาร์บอนอะตอมที่หนาเพียง 1 ชั้น มีลักษณะเป็นแผ่นที่มีโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง โดยมีความหนาเท่ากับความหนาของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว หรือประมาณ 0.34 นาโนเมตร กราฟีนมีคุณสมบัติที่น่าทึ่งหลายอย่าง อาทิ เป็นวัสดุที่แข็งแรงกว่าเหล็กกล้าหลายร้อยเท่าและแม้แต่เพชร สามารถยืดหยุ่นได้ถึง 20% สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงหลายเท่า และยังใสโปร่งแสง นอกจากนี้ อิเล็กตรอนที่อยู่บนโครงสร้างของแผ่นกราฟีน สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่ากับแสง

“ลักษณะเด่นกราฟีน คือการนำไฟฟ้า 2 มิติ มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดีมากกว่า ทองแดง 2 เท่าตัว และพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาได้ 2 เท่าตัว ความแข็งแรงมากกว่าเหล็กกล้า ถึง 2 เท่า ถือว่าแข็งแรงมากที่สุดในโลก และเหนือกว่าเพชร อีกทั้ง มีความยืดหยุ่นสูงถึง 20% จึงเหมาะกับการนำไปใช้ผสมในพอลิเมอร์ต่างๆ ในการนำไฟฟ้า เพื่อไม่ให้มีการขาดตอน และนำไฟฟ้าได้อย่างดี” นายอดิสร กล่าว

     ผู้อำนวยการหน่วยปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลจุลภาค เนคเทค กล่าวต่อว่า ขณะนี้ มีหน่วยงานที่เกี่ยวข้องกับพลังงานติดต่อเข้ามาเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ แต่อยู่ระหว่างการทดสอบประสิทธิภาพ โดยคาดการณ์ว่า ผลงานวิจัยจะช่วยอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และพลังงานของไทย เช่น ลดต้นทุนการสร้างขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์และจอภาพ เพิ่มประสิทธิภาพการเก็บประจุของแบตเตอรี่ เสริมความแข็งแรงให้วัสดุคอมโพสิต สร้างนวัตกรรมใหม่ๆ ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ที่ม้วนงอได้ เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ผลงานวิจัยนี้อยู่ระหว่างการจดสิทธิบัตร และได้รับเชิญให้ไปนำเสนอในการประชุมวิชาการ และอุตสาหกรรมระดับโลกเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์และโค้งงอได้ที่ ประเทศไต้หวัน

นายอดิสร กล่าวอีกว่า กราฟีนนั้น ถูกค้นพบเมื่อปี 2547 เมื่อ 6 ปีที่ผ่านมา โดยสองนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียรางวัลโนเบลในปีนี้ ได้แก่ นายแอนดริ กิม และ นายคอนสแตนติน โนโวเซลอฟ จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ผู้ได้ทำการทดลองและค้นพบความมหัศจรรย์ของกราฟีน จนได้รับความสนใจจากนักวิจัยทั่วโลกอย่างมาก

     ล่าสุด บริษัท ไอบีเอ็ม ได้ทดลองนำแผ่นแกรฟีนมาผลิตเป็นทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์ พบว่า ช่วยให้การประมวลผลมีความเร็วขึ้นถึง 100 กิกะเฮิร์ตซ ขณะที ซิลิลอน ที่ใช้อยู่เดิมมีการประมวลผลสูงสุดเพียง 3-4 กิกะเฮิร์ตซ เท่านั้น นอกจากนี้ ยังมีการวิจัยศึกษาสมบัติในการเรียกเก็บประจุ หรือกักเก็บพลังงานไฟฟ้า พบว่ามีศักยภาพเก็บประจุได้สูงมาก นับเป็นความหวังที่จะนำมาใช้เก็บพลังงานสะอาด เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น

สำหรับทีงานวิจัยประกอบด้วย นายอนุรัตน์ วิศิษฐ์สรอรรถ นายชาคริต ศรีประจวบวงษ์ และ นายดิษยุทธ์ โภคารัตนกุล

ไทยรัฐ

โซลูชั่นสำหรับการผลิตแกรฟีน

วัสดุ: ผลิตไฟฟ้าขัดแกรฟีนที่มีคุณภาพสูงในเวลาอันสั้น

โดยนีลโหด

ภาควิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
ช่องข่าว: วัสดุ SCENE , นาโน SCENE , JACS ใน C & EN
คำสำคัญ: แกรฟีน , เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีความยืดหยุ่น , ขัด , การประมวลผลการแก้ปัญหา , ไฟฟ้า

[+] ขยาย

แก้วน้ำ

แช่แพลทินัมและไฟท์ขั้วไฟฟ้าในสารละลายเกลือนินทรีย์และทำงานในปัจจุบันผ่านมัน (ซ้าย) ทำให้เกิดแผ่นแกรฟีนที่จะล่อนหลุดไฟท์ลงในสารละลาย (กลาง) ต่อมานักวิจัยแกรฟีนวาดลงบนกระดาษ (ขวา) ซึ่งรักษาสมบัติทางไฟฟ้​​าของมันเมื่องอ

เครดิต: เจ Am Chem Soc

แกรฟีนเป็นเรื่องง่ายที่จะได้รับอย่างน้อยที่สุดก็ในปริมาณน้อย นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่แยกแข็งแกร่งวัสดุคาร์บอนสองมิติเพียงกดชิ้นส่วนของสก๊อตเทปไปยังก้อนไฟท์และปอกเปลือกออก แต่การผลิตมวลของแกรฟีนสำหรับการใช้ในเชิงพาณิชย์ยังคงเป็นความท้าทายตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถอย่างรวดเร็วผลิตจำนวนมากของแกรฟีนที่ใช้อาบน้ำของเกลือนินทรีย์และกระแสไฟฟ้า ( เจ Am Chem Soc.. 2014 DOI:10.1021/ja5017156 )

วิธีการอื่น ๆ หลายคนได้รับการพัฒนาเพื่อการผลิต graphene แต่จะมีข้อเสียของมัน การเจริญเติบโตของแผ่นคาร์บอนใช้เวลานานเกินไปและไอสารเคมีสะสมต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีขั้นตอนที่สองในการลบโลหะ วิธีอื่น ๆ ที่ใช้ตัวทำละลายหรือลดแรงตึงผิวที่สามารถเป็นอันตรายต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนหรือผลิตผลผลิตที่ต่ำ

Xinliang ฮและเคลาส์มูลเล็นของสถาบันมักซ์พลังค์พอลิเมอวิจัยในไมนซ์, เยอรมนี, และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาตัดสินใจที่จะปรับปรุงเทคนิคทางไฟฟ้าในการผลิตกราฟีน แทนการใช้กรดซึ่งออกซิไดซ์แกรฟีนและลดการนำของนักวิจัยที่เตรียมการแก้ปัญหาของเกลือต่างๆรวมถึงแอมโมเนียมซัลเฟตโพแทสเซียมซัลเฟตและโซเดียมซัลเฟต เป็นส่วนผสมของพวกเขาที่พวกเขาวางสองขั้วไฟฟ้าหนึ่งที่ทำจากทองคำและอื่น ๆ ของแกรไฟต์ซึ่งเป็นหลักของการชุมนุมหลายชั้นของกราฟีน เมื่อพวกเขาวิ่ง 10 V ในปัจจุบันโดยตรงผ่านขั้วไฟฟ้ากราไฟท์มันก็เริ่มที่จะหลั่งชั้นลงในสารละลาย, กระบวนการที่เรียกว่าขัด พวกเขายังคงทำงานปัจจุบันเป็นเวลาสามถึงห้านาทีแยกสะเก็ด exfoliated จากการแก้ปัญหาและล้างออกเกลือส่วนเกินด้วยน้ำ

ขั้นตอนการเปิดกว่า 75% ของขั้วไฟฟ้ากราไฟท์เป็นชิ้นแกรฟีน ประมาณ 85% ของสะเก็ดประกอบด้วยหนึ่งถึงสามชั้นของกราฟีนสมบัติทางไฟฟ้​​าที่ต้องการมากที่สุดมาจากชั้นเดียวและสองของแกรฟีน

ของการแก้ปัญหาที่พวกเขาทดสอบแอมโมเนียมซัลเฟตทำงานที่ดีที่สุดในการผลิตกราฟีนที่มีคุณภาพสูงสุดในเวลาที่เร็วที่สุด หนึ่งในการทดสอบนักวิจัยที่มีความสามารถในการผลิตประมาณ 16.3 กรัมของแกรฟีนใน 30 นาที แต่ฮเห็นศักยภาพที่จะไต่ขึ้นการผลิตขนาดกิโลกรัมที่จำเป็นสำหรับใช้ในอุตสาหกรรม

ขัดของกราไฟท์เป็นแกรฟีนในสารละลายของเกลือนินทรีย์

• เอซีเอส ActiveView PDFHi-Res พิมพ์คำอธิบายประกอบการอ้างอิง QuickView
• PDF [1,992 KB]
• PDF w / ลิงค์[652 KB]
• HTML ข้อความแบบเต็ม

• นามธรรม
• สนับสนุนข้อมูล ->
• ตัวเลข
• อ้างอิง QuickView
• เพิ่ม ACS ChemWorx

เลด Parvez † , Zhong-Shuai วู † , Rongjin Li † ,Xianjie หลิว ‡ , โรเบิร์ตกราฟ † , Xinliang ฮ * † § และเคลาส์มูลเล็น * †

†มักซ์พลังค์สถาบันเพื่อการวิจัยพอลิเมอ, Ackermannweg 10, ไมนซ์ 55128, เยอรมนี

‡ภาควิชาฟิสิกส์เคมีและชีววิทยามหาวิทยาลัยLinköping , Linköping SE-58183, สวีเดน

§โรงเรียนเคมีและวิศวกรรมเคมีเซี่ยงไฮ้เจียวตองมหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้ 200240, PR จีน

เจ Am Chem Soc , 2014 , 136 (16), หน้า 6083-6091

DOI: 10.1021/ja5017156

วันที่ตีพิมพ์ (เว็บ): 31 มีนาคม 2014

Copyright © 2014 สมาคมเคมีอเมริกัน

feng@mpip-mainz.mpg.de

Section:

ไฟฟ้า Radiational และเทคโนโลยีพลังงานความร้อน

นามธรรม

การผลิตมวลของแผ่นแกรฟีนที่มีคุณภาพสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานจริงของพวกเขาในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ใยแก้วนำแสง, วัสดุและอุปกรณ์การจัดเก็บพลังงาน ที่นี่เราแจ้งขัดไฟฟ้าพร้อมแผ่นแกรฟีนในสารละลายของเกลือนินทรีย์ที่แตกต่างกัน ((NH 4 ) 2 SO 4 , นา2 SO 4 , K 2 SO 4 , ฯลฯ )ขัดในอิเล็กโทรไลเหล่านี้นำไปสู่การแกรฟีนที่มีผลตอบแทนสูง (> 85% ≤ 3 ชั้น) ขนาดใหญ่ด้านข้าง (ไม่เกิน 44 ไมครอน) ระดับออกซิเจนต่ำ (อัตราส่วนของ 17.2 C / O) และการเคลื่อนย้ายหลุมที่โดดเด่นของ 310 ซม. 2 V -1 s -1 . นอกจากนี้ภาพยนตร์ graphene นำไฟฟ้าสูง (11 Ωตาราง-1 ) จะถูกประดิษฐ์อย่างง่ายดายบนกระดาษขนาด A4 โดยใช้แปรงทาสีของหมึก graphene เข้มข้น (10 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร-1ในไม่มี , N ' -ไดเมทิล) Solid-state ทั้งหมด supercapacitors ผลิตที่มีความยืดหยุ่นบนพื้นฐานของภาพยนตร์ graphene ดังกล่าวส่งมอบพื้นที่ความจุสูง 11.3 ซม. mF -2และความสามารถในอัตราที่ดีของ 5000 mV s -1 . ขัดไฟฟ้าอธิบายแสดงให้เห็นสัญญาที่ดีสำหรับการสังเคราะห์ระดับอุตสาหกรรมของแกรฟีนที่มีคุณภาพสูงสำหรับการใช้งานขั้นสูงจำนวนมาก

ทำความสะอาดแกรฟีนเสนอผลการดำเนินงานที่ดีกว่าอุปกรณ์

วัสดุศาสตร์: เทคนิคใหม่ช่วยให้วิศวกรที่จะสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ graphene ตามโดยไม่มีการปนเปื้อนหรือทำลายวัสดุ

โดยเคทกรีน

ภาควิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 
ช่องข่าว: วัสดุ SCENE , นาโน SCENE
คำสำคัญ: แกรฟีน , ไอสารเคมีสะสม , ทองแดง , การประดิษฐ์สิ่งประดิษฐ์

แกรฟีนมีความลับสกปรกน้อย เมื่อนักวิจัยสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วยกระบวนการมาตรฐานที่ใช้ในการย้ายแผ่นที่ละเอียดอ่อนวัสดุเดียวอะตอมหนาเป็นสถานที่ที่สามารถนำไปสู่การปนเปื้อนหรือความเสียหายที่ช่วยลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ แต่ตอนนี้นักวิจัยในไต้หวันได้พัฒนาวิธีที่ง่ายและสง่างามในการถ่ายโอน grapheneที่ช่วยให้วัสดุที่สะอาด ( ACS Nano 2014 DOI: 10.1021/nn406170d )

นักวิทยาศาสตร์ผลิตที่มีคุณภาพสูงที่มีขนาดใหญ่พื้นที่แผ่นแกรฟีนโดยการเจริญเติบโตของพวกเขาบนพื้นผิวทองแดงโดยใช้วิธีการที่เรียกว่าการสะสมไอสารเคมี แผ่นเหล่านี้มักจะได้รับการใช้เป็นขั้วไฟฟ้าในอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นทรานซิสเตอร์ไดโอดเปล่งแสงและเซลล์แสงอาทิตย์เพราะการนำที่ยอดเยี่ยมของแกรฟีนและความโปร่งใส ขั้นตอนแรกในการสร้างอุปกรณ์เหล่านี้คือการลบ graphene จากพื้นผิวทองแดง แต่น่าเสียดายที่นี้เป็นที่ปัญหาการปนเปื้อนเริ่มต้นกล่าวว่าชี-I วูศาสตราจารย์วิศวกรรมไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน .

วิธีการโอนที่ใช้กันมากที่สุดขึ้นอยู่กับการวางวัสดุพอลิเมอที่ใช้ในแกรฟีนที่จะถือไว้ในสถานที่ในขณะที่โลหะด้านล่างจะถูกฝังไป ลิเมอร์ แต่ออกจากที่อยู่เบื้องหลังสารตกค้างอินทรีย์ที่ปนเปื้อนแกรฟีน บางส่วน แต่ไม่ทั้งหมดของสารตกค้างที่สามารถลบออกได้ด้วยตัวทำละลายต่างๆหรือการรักษาความร้อน นอกจากนี้การทำความสะอาดนี้เน้นวัสดุที่ทำให้เกิดความเสียหายของแผ่นแกรฟีนที่ไม่ได้ดำเนินการอย่างเหมาะสมวูกล่าวว่า

ทีมวูรายงานโดยตรงวิธีการทำความสะอาดที่เริ่มต้นด้วยพื้นผิวจมทองแดงและแกรฟีนที่แนบมาในจานที่เต็มไปด้วยการแก้ปัญหาการกัดโลหะ การแก้ปัญหาช่วยให้แกรฟีนซึ่งจะลอยอยู่บนพื้นผิว นักวิจัยแล้วแทนที่โซลูชั่นการแกะสลักที่มีส่วนผสมของแอลกอฮอล์ isopropyl และน้ำโดยใช้สองเข็มฉีดยาหนึ่งที่ช้าเอา etchant และอื่น ๆ ที่ฉีดผสมเครื่องดื่มแอลกอฮอล์น้ำ

ต่อไปนักวิจัยใบอุปกรณ์ที่พวกเขากำลังสร้างด้านล่างแผ่นแกรฟีนลอย การใช้เข็มฉีดยานักวิจัยเอาส่วนผสมเครื่องดื่มแอลกอฮอล์น้ำอย่างสมบูรณ์ซึ่งช่วยลด graphene ลงในอุปกรณ์ แวนเดอร์ Waals กองกำลังระหว่างแกรฟีนและด้านบนของอุปกรณ์ที่ติดสองวัสดุ

เพื่อทดสอบวิธีการโอนใหม่ของพวกเขานักวิจัยที่ทำชุดของอุปกรณ์รวมทั้งเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์โปร่งใส มือถือที่สามารถดูดซับแสงทั้งสองด้านโดยใช้แกรฟีนเป็นขั้วไฟฟ้าทั้งด้านบนและด้านล่างของเครื่อง นักวิจัยยังทำทรานซิสเตอร์ graphene ตาม ค่าใช้จ่ายไฟฟ้าสามารถย้าย 50% เร็วผ่านทรานซิสเตอร์กว่าในผู้ที่ทำกับแกรฟีนโอนโดยลิเมอร์แสดงให้เห็นว่าวิธีการใหม่ปรับปรุงคุณภาพของแกรฟีนโอน

ร็อดนีย์เอ Ruoff , nanoengineer ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสออสตินเรียกวิธีการ "ที่น่าสนใจและมีประโยชน์." เขาแสดงให้เห็นว่ามันสามารถนำมาใช้เพื่อให้ชนิดของทรานซิสเตอร์มากพลังงานต่ำที่มีผลควอนตัมที่น่าสนใจที่เรียกว่า BiSFET จะเป็นการดีที่แกรฟีนจะต้องสะอาดมากที่จะทำให้อุปกรณ์ดังกล่าว Ruoff กล่าวว่า

นักวิจัยวางแผนที่จะไต่ขึ้นกระบวนการของพวกเขา การสาธิตนี้อุปกรณ์ที่ใช้เก​​ี่ยวกับนิ้วกว้าง เพื่อแสดงให้เห็นวิธีการที่สามารถทำงานร่วมกับกระบวนการผลิตอุปกรณ์นักวิจัยหวังว่าในการทดสอบวิธีการที่มีขนาด 8 นิ้วหรือ 12 นิ้วเส้นผ่าศูนย์กลางเวเฟอร์ซิลิกอน

[+] ขยาย

ฟรีลอย

การถ่ายโอนแผ่นบาง ๆ ของแกรฟีน (รังผึ้งสีเหลือง) ไปยังอุปกรณ์ที่ถูกสร้างขึ้นนักวิจัยแรกลดแผ่นแกรฟีนที่ปลูกในทองแดง (ด้านบนซ้าย) ลงในจานที่มี etchant ผู้ถือไฟท์ทำให้กราฟีนในสถานที่ หลังจากที่แกะสลักออกทองแดงนักวิจัยแทนที่ etchant ด้วยตัวทำละลาย (สีฟ้าอ่อนด้านล่างซ้าย) และใบอุปกรณ์ (สีชมพู "ตั้งต้น") ภายใต้แผ่นแกรฟีนลอย (ขวาล่าง) สูบน้ำออกตัวทำละลายลด graphene บนพื้นผิว (บนขวา)

เครดิต: ACS Nano

กลยุทธ์ใหม่ในการผลิตกราฟีที่ใช้ทรานซิสเตอร์หนึ่งที่อาศัยอยู่กับวัสดุและวิธีการเข้ากันได้กับที่ใช้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม
ได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัยที่ไอบีเอ็ม ( ธรรมชาติ, DOI: 10.1038/nature09979 ) การทำงานอาจนำไปสู่เทคนิคการเชิงพาณิชย์
สำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของแกรฟีนชั้นของคาร์บอนหนึ่งอะตอมหนา

[+] ขยาย

ผลิตทรานซิสเตอร์ด้วยแถบของแกรฟีนนาโนเมตรยาวกับคาร์บอนเพชรเหมือนนัดอุปกรณ์นาโนเหล่านี้ไปในเชิงพาณิชย์

เครดิต: Phaedon Avouris / IBM

อิเล็กทรอนิกส์และอื่น ๆ ที่แกรฟีนที่
โดดเด่นได้จุดประกายคลื่นของ
การวิจัยมุ่งเป้าไปที่การทำให้ส่วน
ประกอบวงจรขึ้นอยู่กับวัสดุที่
บางเฉียบ เป้าหมายคือการ
ใช้แกรฟีนที่จะทำให้องค์ประกอบ
วงจรที่มีขนาดเล็กและอุปกรณ์
ที่ดีกว่าวันนี้

มีเป้าหมายในใจที่จำนวนของทีมวิจัย
ได้รวมขั้วไฟฟ้ากราฟีนเป็นคลื่นความถี่
วิทยุ (RF) ทรานซิสเตอร์อย่างรวดเร็ว
ทำหน้าที่ขยายสัญญาณที่มีบทบาท
สำคัญในระบบการสื่อสารไร้สาย แต่ขั้ว
ไฟฟ้ากราฟีนในที่เร็วที่สุดของทรานซิส
เตอร์เหล่านี้จะจัดทำขึ้นโดยขั้นตอน
คู่มือลำบาก

แกรฟีนสามารถเตรียมได้อย่าง
มีประสิทธิภาพมากขึ้นในกระบวนการ
ขนาดใหญ่ผ่านทางวิธีการสะสมไอ
 แต่ขั้นตอนโดยทั่วไปผู้ที่เรียกร้องให้
มีการฝากภาพยนตร์เรื่องนี้ในชั้นของ
ซิลิกอนไดออกไซด์ซึ่งมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ graphene

เพื่อหลีกเลี่ยงข้อ จำกัด เหล่านั้น Yanqing วู Yu-ming หลิน Phaedon Avouris และเพื่อนร่วมงานที่ไอบีเอ็มโทมัสเจวัตสันศูนย์การวิจัย
การพัฒนาวิธีการสะสมไอที่แกรฟีนจะสิ้นสุดลงในคาร์บอนเพชรเหมือนวัสดุที่รู้จักกันดีกับเซมิคอนดักเตอร์ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
ที่มีคุณสมบัติที่พึงประสงค์ เริ่มต้นการทดสอบแสดงให้เห็นว่าทรานซิสเตอร์ RF ทำผ่านวิธีการใหม่ทำงานที่ความถี่สูงมากและทำงาน
ได้ดีแม้ในที่อุณหภูมิแช่แข็ง

"วิธีการของทีมงานของไอบีเอ็มเป็นที่น่าสนใจมากเพราะมันเข้ากันได้กับการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์ที่พบบ่อย" แฟรงก์ Schwierz
ฟิสิกส์อุปกรณ์ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งอิลเมโนในเยอรมนีกล่าวว่า ในขั้นต้นนี้ก่อนที่จะวิธีการประดิษฐ์ที่ได้รับการปรับเป็น Schwierz
ระมัดระวังเกี่ยวกับการเรียกเทคนิคการพัฒนา "แต่มันอาจจะเปิดออกเพื่อเป็นประโยชน์อย่างมากในอนาคต" เขากล่าวว่า

กราฟีนวัสดุมหัศจรรย์ 

           ใครจะเชื่อว่าการศึกษาแร่ธรรมดาๆ ที่ใช้ทำไส้ดินสอจะนำไปสู่การค้นพบอันยิ่งใหญ่
จนได้รับรางวัลโนเบล แร่ที่ว่านี้คือแกรไฟต์ หรือ กราไฟต์ (graphite) 
ซึ่งเป็นที่รู้จักและใช้ขีดเชียนกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ จนเป็นที่มาของชื่อ กราไฟต์ (graph = เขียน, graphite = เพื่อเขียน) แม้แต่ในภาษาไทยยังเรียกว่าแร่ดินสอดำ คาร์บอน ธาตุธรรมดาที่ไม่ธรรมดา
 แร่กราไฟต์เกิดจากธาตุคาร์บอนบริสุทธิเช่นเดียวกับเพชร เพียงแต่มีการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกัน 
เพชรเกิดจากอะตอมคาร์บอนเรียงตัวเป็นผลึกทรงแปดหน้า (octahedron) 
ส่วนโครงสร้างของกราไฟต์มีลักษณะเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นเกิดจากอะตอมคาร์บอน
เรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยม (hexagon) ต่อเนื่องกันคล้ายรังผึ้ง การเรียงตัวที่ต่างกันนี้ส่งผลเพชร และ
กราไฟต์มีคุณสมบัติทางกายภาพแตกต่าง กัน ทั้งความแข็ง ความใส รวมทั้งมูลค่า 
นอกจากนี้เมื่อปี 2528 มีการค้นพบบัคกี้บอล ซึ่งเป็นคาร์บอนที่มีการจัดเรียงอะตอมอีกรูปแบบหนึ่ง 
และมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเพชรและกราไฟต์อย่างมาก (อ่านเรื่องบัคกี้บอลเพิ่มเติมได้ที่ วิชาการ.คอม) แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติต่างๆ ของคาร์บอนเปลี่ยนแปลงไป
ตามการจัดเรียงตัวของอะตอมได้อย่างน่าทึ่ง

การสังเคราะห์แกรฟีนด้วยวิธีการทางเคมี (Chemical Exfoliation)

     แกรฟีนถูกสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกด้วยวิธี Micromechanical exfoliation หรือการลอกชั้นบางๆ ของแกรฟีนออกจากแกรไฟต์ วิธีนี้จะได้แกรฟีนในปริมาณน้อย ซึ่งเป็นประโยชน์มากสำหรับการศึกษาสมบัติขั้นพื้นฐาน
แต่ในการสังเคราะห์แกรฟีนส่วนใหญ่เพื่อให้ได้ปริมาณมาก มีขนาดใหญ่อาจถึง 1 ตร.ซม.
สามารถปลูกบนวัสดุรองรับที่เป็นโลหะ และเป็นsingle layer ของแกรฟีนจริงๆ คือ วิธี Chemical Vapor Deposition (CVD)วิธีนี้มักจะใช้ในโรงงานผลิตฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำ แต่วิธีที่จะนำเสนอนี้เป็นวิธีการสังเคราะห์ทางเคมี
สามารถทำได้ในระดับห้องปฏิบัติการ ได้แกรฟีนในปริมาณมากเป็นสารแขวนลอย (suspension) และนำมาใช้ในงานได้หลากหลาย

         หลักการในการสังเคราะห์แกรฟีนด้วยวิธีทางเคมี[1,2] เริ่มต้นด้วยการใช้กรดแก่หรือตัวออกซิแดนท์
มาออกซิไดส์แกรไฟต์ได้เป็น “แกรไฟต์ออกไซด์”ซึ่งกลุ่มของออกไซด์, ไฮดรอกซิล, คาร์บอกซิลิกและคาร์บอนิล
จะเข้าไปแทรกและเกาะเต็มระนาบพื้นผิวในแต่ละชั้นของแกรไฟต์ ทำให้แต่ละชั้นของแกรไฟต์กว้างขึ้น
และลดแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างชั้นหากแกรไฟต์ออกไซด์ถูกกระตุ้นด้วยแรงเพียงนิดเดียว เช่น
ด้วยการใช้คลื่นความถี่สูง (Sonication)ก็สามารถหลุดลอกออกเป็น “แกรฟีนออกไซด์” (Graphene oxide)
ซึ่งมีสมบัติเป็น hydrophilic ละลายได้ดีในน้ำ แต่ไม่นำไฟฟ้า และสามารถรีดิวซ์ด้วยสารรีดักแทนซ์เช่น ไฮดราซีนไฮเดรต ได้เป็น “รีดิวซ์แกรฟีน” (Reduced Graphene oxide) ซึ่งสามารถกรอง และ
กระจายตัวได้ดีบนวัสดุสารรองรับ ใช้เป็นฟิล์มบางนำไฟฟ้า เช่น
กระดาษนำไฟฟ้า (Conducting graphene paper)[3]

 

รูปที่ 1: ขั้นตอนการสังเคราะห์แกรฟีน (1) ทำปฏิกิริยาออกซิเดชันได้แกรไฟต์ออกไซด์
(2) การใช้คลื่นความถี่สูง (Sonication)ในน้ำทำให้ชั้นของแกรไฟต์ออกไซด์หลุดลอกได้แกรฟีนออกไซด์[1]

รูปที่ 2: แบบจำลองใหม่ของแกรไฟต์ออกไซด์ที่มีกลุ่มออกไซด์เกาะบนผิวและขอบ[4]

รูปที่ 3: ลักษณะและโครงสร้างของกระดาษแกรฟีนออกไซด์[3] a. 

แสดงตราของ the NorthwesternUniversity

มีความหนา ~1mm, b. ฟิล์มบางนำไฟฟ้าที่มีความยืดหยุ่นหนาเพียง 5mm, c. ฟิล์มหนา 25mm โค้งงอได้, 

d. เป็นการทดสอบความทนแรงดึง (Tensile strength) และ e-g. เป็นภาพตัดขวางจากกล้องSEM 

ของฟิล์มบางแกรฟีนหนา 10mm [3]

 ปกติแล้วการสังเคราะห์แกรฟีนออกไซด์มีอยู่ 3 วิธีหลักๆ ได้แก่ วิธีของ Hummer และOffman[5], 

Staudenmaier[6] และ Brodie[7] ทางห้องปฏิบัติการวัสดุยุคใหม่นำโดย ศ.(พิเศษ) ดร. อิ มิง ถัง
และความร่วมมือจาก ดร.ปิยะพงษ์  อะสะนิธิห้องปฏิบัติการนาโนเทคโนโลยี 

ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ได้สังเคราะห์แกรฟีนด้วยวิธีการทางเคมี

โดยHummers method[5] วิธีนี้ใช้H2SO4(conc.) และ KMnO4เป็นตัวออกซิไดส์Graphite flakes

ที่มีความบริสุทธิ์สูง มีLocalized defectsใน p-structure จึงเป็น seed ในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน  

 แกรไฟต์ออกไซด์ที่ได้จะมีสีน้ำตาลอมเหลืองอยู่ในรูปของสารละลาย หรือสามารถนำมากรองได้ทันที

หลังจากทำปฏิกิริยาออกซิเดชัน หากนำสารละลายดังกล่าวมาsonicate จะได้สารละลายแกรฟีนออกไซด์ 

และสำหรับปฏิกิริยารีดักชันของแกรฟีนออกไซด์[8] จะใช้ไฮดราซีนไฮเดรท (Hydrazine hydrate) 

เพื่อรีดิวซ์กลับเป็นแกรฟีนอีกครั้ง แสดงดังภาพ Transmission electron microscope (TEM) ในรูปที่ 4

รูปที่ 4:ภาพ TEM แสดงชั้นบางๆ ของแกรฟีนออกไซด์ (ซ้าย) และรีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ (ขวา)

(ภาพโดย น.ส.พิชญ์สิณี สุวรรณแพทย์ นักศึกษาปริญญาเอก สาขาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล)

รูปที่ 5 แสดงรามานสเปคตรัมของแกรฟีนออกไซด์ (GO) และแกรฟีนที่ได้จากการทำปฏิกิริยารีดักชัน (RGO)
ความเป็นแกรฟีนสามารถตรวจสอบได้โดยใช้ Raman spectroscopy (Elaser= 2.41 eV)พบว่า defect
ที่เกิดจากการปฏิกิริยาเคมีส่งผลให้พีคของแกรฟีนออกไซด์หายไปในบริเวณ 2D เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันที่แทรกตัว
และเกาะบนระนาบของโครงสร้างแผ่นแกรฟีนหลังจากทำปฏิกิริยารีดักชันพบว่าเกิดพีคที่ไม่สูงมาก (~2700 cm-1) หลังจากการผ่านปฏิกิริยารีดักชันทำให้defect เพิ่มขึ้นไปทำลายลักษณะสัณฐานของแกรฟีน สังเกตได้จากสเปคตรัม
ของ RGO แสดง D bandที่ตำแหน่ง ~1350 cm-1มีพีคสูงขึ้นโดยค่าID/IGเพิ่มขึ้นจาก ~0.99 เป็น~1.25
และมี G band ที่ตำแหน่ง~1600 cm-1นอกจากนี้ ยังแสดงถึงขนาดที่ลดลงของ in-plane sp2แต่มีปริมาณ
ของแกรฟีนมากขึ้น

เอกสารอ้างอิง:

[1] S. Park and R.S. Ruoff, chemical methods for the production of graphenes, Nature Nanotechnology,
 4, 217 (2009).

[2]D. Shin, S.Bae, C. Yan, J. Kang, J. Ryu, J.-H.Ahn, and B.H. Hong, Synthesis and applications of
 graphene electrodes, Carbon Letters, 13(1), 1-16 (2012).

[3] D.A. Dikin, S.Stankovich, E.J. Zimney, R.D. Piner, G. H. B. Dommett, G.Evmenenko,S. T. Nguyen
 and R.S. Ruoff,Preparation and characterization of graphene oxide paper, Nature, 488, 457 (2007).

[4] W. Gao, L.B. Alemany, L. Ci and P.M. Ajayan, New insights into the structure and reduction of
 graphite oxide, Nature Chemistry, 1, 403 - 408 (2009).

[5] W.S. Hummers, Jr. and R.E. Offman, Preparation of graphitic oxide, J. Am. Chem. Soc., 80,
 1339 (1958).

[6] J. R. Lomeda, C. D. Doyle, D. V. Kosynkin, W. F. Hwang and J. M. Tour,Diazonium functionalization
 of surfactant-wrapped chemically converted graphene sheets, J. Am. Chem. Soc.,
130, 16201–16206(2008).
[7] H. K. Jeong, Y. P. Lee, R. Lahaye,M. H. Park, K. H. An, I. J. Kim, C. W. Yang, C. Y. Park, R. S. Ruoff
and Y. H. Lee, Evidence of Graphitic AB Stacking Order of Graphite Oxides, J. Am. Chem. Soc., 130,
 1362–1366(2008).

[8] S.Stankovich, D.A. Dikin, R.D. Piner, K.A. Kohlhaas,A.Kleinhammes, Y.Jia, Y. Wu,S.B. T. Nguyen,
 and R. S. Ruoff,Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide,Carbon 45, 1558–1565(2007).

สำนักงานกลางศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ 
ตู้ ปณ.70 มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50202
โทรศัพท์ (053) 942650-3 โทรสาร (053) 222774