Grafen son zamanlarda oldukça ilgi çeken konulardan birisidir. Hem kullanım alanı olsun hem de sentez yöntemi olarak araştırılmaktadır. Literatürde grafen sentezi ile ilgili önerilen sentez yöntemleri elde edilmek istenilen tabaka sayısına bağlı olarak değişmektedir. İncelendiğinde uygulanan yöntemlere bağlı olarak elde edilen tabaka sayısı farklılık göstermektedir (Rao et al. 2010).
Şekil 1: Grafen sentezi ile ilgili kullanılan yöntemler
Bugüne kadar grafen hakkındaki çoğu araştırma mikromekanik ayrıştırma, grafit oksitin (GO) kimyasal indirgenmesi, grafitin sıvı faz ayrılması, epitaksiyel büyüme ve GO’in kimyasal ya da termal dağılması gibi yöntemleri de içine alan tek grafen tabakasının üretimi için etkili sentez teknikleri geliştirme üzerine odaklanmıştır. Belirtilen üretim yöntemleri arasında grafitin oksitleyicilerle etkileştirilmesiyle üretilen GO’in kimyasal ya da termal indirgenmesi en popüler yöntemlerden biri olarak düşünülmektedir. Bu yöntem bir veya birkaç grafen tabakasının üretilmesinde de başarılıdır.
1- Katman ayırma yöntemi
Bu yöntem ilk kez Manchester grubundan Giem ve arkadaşları tarafından sentezlenmiştir. Burada grafit tabakasını bir zemin üzerine kaydırırarak grafen tabakalarının ayrılması sağlanılır (Novaselov et al. 2004). 100 mikrometre büyüklükte grafen parçacıkları bu metot ile sentezlenebilmektedir. Hala yüksek kaliteli grafen üretmek için kullanılan en popüler tekniktir.
Bu yöntemde grafen yapısı yapıştırıcı içeriği ile kısmen kirlenebilmektedir. Mikromekanik ayrıştırmada başlangıçta yüksek kaliteli tek kristal grafit kaynağı kullanılırsa elde edilen grafenin elektriksel ve yapısal kalitesi en yüksek olmaktadır
Şekil 2: Katman ayırma yöntemi ile grafen sentezi
2- SİLİSYUM KARBÜR (EPİTAKSİYEL BÜYÜTME)
Grafen senteziyle ilgili yöntemlerden birisinin de tek kristal SiC’ün grafitlenmesi ve metal alttaşlar üzerinde büyütülmesi olduğu bildirilmiştir (Li et al. 2009). 1970’lerde grafenin katı alttaş yüzeyinde doğrudan büyümesi bilinmektedir ve iki farklı mekanizma ile gerçekleşebileceği önerilmiştir. Bu iki mekanizmadan birisi karbidlerin ısı ile bozunması diğeri ise hidrokarbonların kimyasal buhar depozisyonuyla metalik veya metal karbid alttaş yüzeyinde grafenin epitaksiyel büyümesidir. Vakum altında yaklaşık 1300°C’de silisyum karbid ısı ile etkileştirildiğinde silisyum atomlarının süblimleşmesi sonucunda yüzeyde karbon ile zengin bölgeler kalır ve yeteri kadar yüksek sıcaklıklarda bu bölgelerin yeniden düzenlenmesi ile grafitlenme gözlenir.
Şekil 3:Epitaksiyel Büyütme Yöntemi İle Grafen Sentezi
SiC ve metal alttaşlar üzerinde oluşturulan sentetik grafen kullanılarak üretilen alan etkili transistörler elektronik aygıtlar için oda sıcaklığında potansiyel gösterirler. Bu durumda yüksek mobiliteli aygıtlar üretilir fakat elektron hareketliliği hala askıda kalan doğal grafitten elde edilen grafen kadar yüksek değildir.
3- KİMYASAL BUHAR BİRİKTİRME(CVD)
CVD tekniği büyük boyutlarda grafen üretimi için en yoğun kullanılan tekniktir. Grafen çoğunlukla Cu, Ru, Ir ve Ni’in de aralarında bulunduğu metaller üzerinde kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği ile büyütülebilir. Bu teknik ile tek tabaka grafit veya grafen birçok metal yüzeyler üzerinde büyütülmektedir. Ancak çoğu uygulama grafenin bir yalıtkan üzerinde bulunması ve eğer grafen bir metal yüzeyinde büyütülürse uygun alttaşa transfer olmasını gerektirir. CVD yönteminde en çok tercih edilen metal alttaş Cu’dır. Cu aşındırılması kolay, ucuz ve grafen ile etkileşiminin fiziksel düzeyde olduğu bir metaldir. Şekil 4’de Cu alttaş yüzeyinde CVD tekniği kullanılarak grafenin büyümesi şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 4:CVD Yöntemi İle Grafen Sentezi
4- KİMYASAL AYRIŞTIRMA YÖNTEMİ
Bu teknik grafenin büyük miktarlarda üretilebilmesi için en uygun tekniktir. Grafit tabakalarının arasına sitrik asit gibi kimyasallar katılarak grafitin oksitlenerek tabakalarına ayrıştırılması sağlanabilmektedir.
Bu noktada üretilen malzeme grafen oksit (GO) olarak bilinmekte ve yapısındaki oksitlerden dolayı yalıtkan özellik göstermektedir. Bu yapıya tekrar iletkenlik özelliğini kazandırmak için oksitlerin yapıdan uzaklaştırılması gerekmektedir bunun içinde indirgeme adı verilen bir işleme tabi tutulur. Bu indirgeme termal veya kimyasal gibi farklı teknikler kullanılarak yapılabilir.
Şekil 5: Kimyasal ayrıştırma yöntemi ile grafen sentezi
Grafit oksit (GO); Brodie’nin nitrik asit ve potasyum nitrat karışımıyla grafit tozunu etkileştirdiği 1860’dan beri bilinmektedir. 1898’de, Staudenmaier reaksiyon üzerinde biraz değişiklikler yapmış, klorat ekleme ve konsantre sülfürik asit yerine nitrik asit buharı kullanarak bu yöntemi geliştirmiştir. Prosesteki bu küçük değişiklik özellikle daha pratik ve tek bir reaksiyonda çoğunlukla oksitlenmiş GO’in üretimini sağlamıştır. 1958’de Hummer bugün de yaygın olarak kullanılan metodu bulmuştur.
Sonuç olarak tek ve çoklu tabakalı ve iletken grafen elde edilir. Ancak elde edilen grafenlerin boyutları diğer metotlar ile karşılaştırıldığında küçük kalmaktadır.
Kaynak:
https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
Li, Y., Tang, L. and Li, J., 2009. Preparation and electrochemical performance for methanol oxidation of Pt/graphene nanocomposites. Electrochem.Commun., 11, 846-849.
http://physicsworld.com/cws/article/news/2010/oct/05/graphene-pioneers-bag-nobel-prize
