Karbonun doğada bulunan allotropları bilindiği gibi grafit ve elmastır. Grafitte karbon atomları iki boyutlu düzlemde üst üste yığılmış levhalar şeklindedir. Grafen ise bal peteği örgüsündeki yapılarından bir tanesine verilen isimdir. Grafit ve grafenin arasındaki farkı anlamak için yapısal düzenlenmeleri şekilde gösterilmektedir.
Sekil 1: a) Grafit b) Grafen
1947’de P.R Wallace tarafından grafitin band yapısı hesaplanmıştır. Linus Pauling 1957 yılında grafenin elektronik yapısı ve özelliklerine yayınlandığı makalelerle ışık tutmuştur. 1980’e kadar karbonun sadece üç temel formu olduğu sanılıyordu. (elmas, grafit, amorf karbon) ve 2004 yılında Novaselov ve arkadaşlarının yayınladığı çalışma ile tek tabakalı, iki tabakalı ve birkaç tabakalı olarak sentezlenen iki boyutlu malzemeyi grafen olarak adlandırılmıştır (Novaselov et al. 2004). Novaselov ve arkadaşları grafeni tek tabaka halinde sentezlemeyi başarmış ve beklenenden çok daha değişik fiziksel ve elektronik özelliklere sahip olduğu ispatlanmıştır. 2010 yılında Andre Geim ve Konstantin Novaselov grafen üzerine yaptıkları grafenin tanıması, üretimi, izolasyonu, ve karakterizasyonu konulu çalışmalarıyla Nobel fizik ödülünü almışlardır.
Karbon atomlarının elektron dizilişi 1s2 2s2 2p2 şeklindedir. Karbon atomlarının son yörüngesinde yer alan dört değerlik elektronları kendi aralarında sp, sp2 ve sp3 hibritlerini oluşturabilmektedirler. Karbonun bal peteği örgülü yapıları olan grafen ve grafit, sp2 melezleşmesinin ürünüyken elmas ise sp3 melezleşmesi ve dört-yüzlü ağ örgüsü ile öncekilerden farklı bir kategoride değerlendirilir.
Sekil 2: Karbon atomunun sp2 hibrit orbitalleri
İki boyutlu malzeme olan grafen, temel yapısı kullanılarak farklı malzemeler geliştirilebilmektedir Grafen temelli malzemeler içerisinde en çok bilinenleri fulleren, karbon nanotüp ve grafittir. Bir grafen tabakası küresel halde yuvarlandığında yine zamanında bilim dünyasında yankı uyandıran fulleren oluşur. Fullerenler sıfır boyutlu yapılar olarak bilinmektedir. Grafene silindir şekli verildiğinde ise karbon nanotüp oluşur. Nanotüpler bir boyutlu yapılardır. Grafen tabakalarının üst üste dizilmesiyle de grafit oluşur. Grafit üç boyutlu bir malzemedir.(Sekil 3)
Sekil 3: a)fulleren b)karbon nanotüp c)grafit
Grafenden oluşturulan malzemelerin elektronik özelliklerinin malzemeyi oluşturan tabaka sayısına da bağlı olduğu, tabaka sayısı kontrol edilerek özelliklerin kontrol edilebileceği gösterilmiştir. Örneğin, çok tabakalı grafen bir metalik iletken olmasına karşın tek tabaka grafen bir yarı iletkendir (Alwarappan et al. 2012). Diğer karbon allotroplarının bazı fiziksel özellikleri Çizelge 1 ’de karşılaştırılmıştır.
Çizelge 1 :Bazı karbon allotroplarının fiziksel özellikleri
GRAFENİN OLAĞANÜSTÜ ÖZELLİKLERİ
Grafen yapısında karbon-karbon bağ uzaklığı yaklaşık olarak 1.42 Å’dur. Grafen tabakalarının üst üste gelmesi ile meydana gelen grafitte iki grafen tabakası arasındaki mesafe ise yaklaşık 3.35 Å’dur. Grafendeki güçlü karbon bağları ona yeryüzündeki bilinen en sağlam malzeme özelliğini kazandırmıştır. Bununla birlikte grafitteki grafen katmanları arasındaki Van der Waals bağları oldukça zayıftır. Kurşun kalemi kağıda sürtünce bu zayıf bağlar kırılmakta ve kağıda yayılan grafen ve grafit tabakaları yazı izlerini oluşturmaktadır.
Dijital teknolojinin süper-starı silikon (silisyum), grafen ile karşılaştırıldığında bir kaplumbağa gibi kalıyor. Elektronların silikon içindeki hızları grafen içindeki hızlarına göre 100 kez daha yavaştır.
Grafen elmastan sert ancak esnek yapıdadır, hafif ve kuvvetlidir. Düzenli kristalin yapı gösterir. Grafen ısıyı en iyi ileten malzemedir. Yüksek termal iletkenlik (5000 W/Mk)dir
Kaynaklar :
1) https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
2)Alwarappan, S., Boyapalle, S., Kumar, A., Li, C. and Mohapatra, S., 2012. Comparative study of single-, few-, and multilayered graphene toward enzyme conjugation and electrochemical response. J. Phys. Chem. C, 116, 6556−6559.
3)Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva, I.V. and Firsov, A.A., 2004. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 306, 666– 669.
