ابداع روشی ارزان برای بررسی ساختار گرافین توسط محققان دانشگاهی

[ERF@N]

محققان دانشگاه لرستان برای بررسی ساختار گرافین هیدروژن‌دار، روشی نوین و کم هزینه ارائه کرده‌اند که این روش محاسباتی، لزوم استفاده از تجهیزات گران‌قیمت و پرهزینه را برطرف کرده و زمان انجام آزمون‌ها را کاهش می‌دهد.

طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترونی، ابزاری بسیار دقیق و شناخته شده برای تعیین ویژگی‌هایی همچون خواص ساختاری، الکترونی و پیوندهای شیمیایی مواد است. در آزمایشگاه‌های پیشرفته‌ی دنیا، این خاصیت با استفاده از دستگاه میکروسکوپ الکترونی اندازه‌گیری می‌شود که از گران قیمت‌ترین و در عین حال دقیق‌ترین ابزارهای بررسی ساختار درونی مواد است. ضمن اینکه تهیه‌ی نمونه با ابعاد بسیار ظریف که قابلیت استفاده در دستگاه میکروسکوپ الکترونی را داشته باشد، از جمله نکات زمان‌بر بوده و نیازمند دقت فوق‌العاده است.

در این تحقیق با بهره‌گیری از محاسبات و با کمترین هزینه‌ها، ویژگی‌های ساختار جدید گرافین هیدروژن‌دار بررسی شده و شباهت‌ها و تفاوت‌های آن‌ها با گرافیت و گرافین مورد مطالعه قرار گرفته است.

مطالعه‌ی حاضر منجر به شناخت خواص الکترونی گرافین هیدروژن‌دار شده است. به دلیل پتانسیل بالقوه‌ی این ماده و ویژگی‌های منحصر‌بفرد آن نسبت به لایه‌ی گرافینی و گرافیت، استفاده از نتایج این تحقیقات در صنعت نانوالکترونیک و تجهیزات الکترونیکی، همچون تولید ترانزیستورها سودمند است. ضمن اینکه، بخاطر بهره‌گیری از شبیه‌سازی فیزیکی بجای استفاده از دستگاه پرهزینه و گران‌قیمت میکروسکوپ الکترونی، اقدامی به‌ صرفه برای تعیین خواص گرافین هیدروژن‌دار است و سبب کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

مهرداد دادستانی، عضو هیأت علمی گروه فیزیک دانشگاه لرستان، درباره تحقیقات انجام شده در این زمینه گفت: لایه‌ی گرافینی علی‌رغم ویژگی‌های جالب و متفاوت خود، به دلیل رسانندگی بالا و قابلیت زیاد حرکت حامل‌های بار در آن، در تولید ترانزیستورهای اثر‌میدانی غیرقابل استفاده است. با نتایج و توصیفات ارائه شده در این مطالعه، می‌توان در نیل به تولید ترانزیستورهای گرافین هیدروژن‌دار، به سرعت و دقت بیشتری دست یافت. پیش از این مطالعه، این نوع طیف‌سنجی در مورد گرافین هیدروژن‌دار و قیاس آن با گرافیت و گرافین اندازه‌گیری نشده بود.

دادستانی در ادامه افزود: مطالعات انجام شده بر روی گرافین هیدروژن‌دار تنها محدود به تعیین برخی خواص الکترونی همچون محاسبه‌ی گاف نواری و نیز خواص گرمایی آن است. بنابراین، لزوم بررسی دقیق‌تر این ساختار با استفاده از روش‌های طیف‌سنجی ملموس بود. به همین منظور، علاوه بر تعیین مقادیر دقیق گاف نواری در تقریب GW، خواص الکترونی این ماده را با استفاده از محاسبه‌ی اتلاف انرژی الکترونی نزدیک لبه‌ی K کربن در دو ساختار هندسی پایدارتر پیشنهادی آن مورد بررسی و تحلیل قرار دادیم. نتایج حاصل در قیاس با ویژگی‌های متناظر در گرافیت و گرافین دارای تفاوت‌های چشمگیری هستند که نشان از تفاوت در ساختار الکترونی ترکیبات نام برده دارد.

وی تصریح کرد: از آن‌جایی که ساختار نواری هر ترکیب، بیانگر نوع رفتار الکترون‌های آن است، در طی این مطالعات، در چارچوب روش‌های بس- ذره‌ای، به محاسبه و تحلیل ساختار نواری دو هم‌صورت گرافین هیدروژن دار (ساختار chair و tricycle) پرداخته شده است. بر این اساس، هر دو ترکیب نارساناهایی با گاف نواری بزرگ شناخته شدند.

محقق طرح افرود: در ادامه، برای شناخت بیشتر ساختار الکترونی ترکیبات مزبور، با استفاده از برخورد ناکشسان باریکه‌ی پرانرژی الکترونی به لایه‌های گرافین هیدروژن‌دار، شبیه‌سازی فرایند پراکندگی الکترون در میکروسکوپ الکترونی (TEM) انجام شده است. در این راستا، طیف‌های حاصل از اتلاف انرژی ناشی از انتقال الکترون 1s کربن (C K-edge ELNES) به حالت‌های اشغال‌نشده‌ی بالای تراز فرمی، با موارد متناظر در گرافیت و گرافین مقایسه شده است.

این محققان با استفاده از تناظر بین ELNES و چگالی حالت‌های اشغال نشده‌ی اتم برانگیخته، به توصیف منشأ ساختارهای موجود پرداخته‌اند.

نتایج این تحقیقات که با همکاری دکتر مهرداد دادستانی و هاجر نجاتی، دانشجوی دکترای فیزیک دانشگاه لرستان حاصل شده، در مجله Micron منتشر شده است.