وبلاگ

در سال های اخیر، تحقیقات گسترده ای در زمینه ی سیستم های نانوساختار انجام شده است. به خصوص با کوچکتر شدن اجزای تشکیل دهنده ی قطعات الکترونیکی، بررسی نانوساختارها اهمیت زیادی در علوم وصنعت پیدا کرده است. از میان انبوهی از نانوساختارها که هر کدام توان بالایی برای استفاده در سیستم های نانو دارند، ساختارهای گرافنی از اهمیت و جایگاه ویژه ای برخوردارند که به دلیل ابعاد بسیار کوچک و خواص الکتریکی جالب و منحصر به فردشان، به عنوان یکی از اجزای اصلی قطعات نانوالکترونیکی مدنظر قرار گرفته اند.

گرافن تک لایه ای از اتم های کربن است، که در یک شبکه شش گوشی منظم شده اند. اتم های کربن با پیوند کوالانسی به یکدیگر پیوند می خورند و یک الکترون از هر اتم کربن باقی می ماند که پیوند برقرار نمی کند. طبیعت دو بعدی گرافن منجر به بسیاری از ویژگی های جالب الاستیکی، گرمایی و الکترونیکی می شود. به عنوان مثال ، یکی از این ویژگی ها آن است که گرافن در دمای اتاق نیز اثر کوانتومی هال را نشان می دهد]1[. همچنین طول واهلش اسپین، به طور منحصر به فردی بالا بوده و به نزدیک 1.5 میکرومتر می رسد و این امر گرافن را برای کاربردهای اسپینترونیکی بسیار مناسب می سازد]2[. به این ترتیب کشف گرافن به علت ویژگی های الکترونیکی عالی و پایداری مکانیکی و شیمیایی، شاخه الکترونیک را دگرگون ساخته و راه نوینی را به سوی وسایل الکترونیکی فوق سریع و سنسورهای شیمیایی و زیستی گشوده است]3[.

امروزه الکترونیک آلی شاخه ای جذاب و در حال رشد برای علم و صنعت محسوب می شود. دراین میان، یک خانواده مهم از مواد آلی شامل آلوتروپ های کربن است. آلوتروپ های کربن ساختارهای تعریف شده ای شامل اتم های کربن هستند. الماس و گرافیت را می توان شناخته شده ترین اعضای این خانواده دانست. گرافیت طبیعی بیش از چهار صد سال پیش کشف گردید و از آن برای نوشتن استفاده می شد. با این وجود این ماده از قرن بیستم به علت رسانایی بالا، تولید ارزان و وزن کم به صنعت راه یافت]4[. گرافیت یک ساختار لایه ای، شامل لایه های دو بعدی از اتم های کربن است که به صورت شبکه های شش گوشی قرار گرفته اند. فاصله این لایه ها nm 3/0است]5[. اگرچه پیوندها در صفحات دو بعدی  کووالانسی و قوی هستند، در جهت عمود بر صفحات شاهد پیوندهای ضعیف واندروالسی هستیم. لذا

 گرافیت رسانای خوبی به شمار می رود. برخلاف گرافیت، در الماس، همه پیوند ها کووالانسی است و در نتیجه هیچ الکترون آزادی وجود ندارد و به همین دلیل رسانایی ضعیف است. همین پیوندها هستند که الماس را به یکی از سخت ترین مواد تبدیل می کنند.

بعدها آلوتروپ های جدیدی از کربن در آزمایشگاه ها تهیه شدند. ابتدا در سال 1980 میلادی، فولرن کشف شد که در آن اتم های کربن یک ساختار بسته را تشکیل می دهند. فولرن عمدتا به صورت یک سیستم صفر بعدی  رفتار می کند و لذا خواص الکتریکی جالبی دارد. در سال 1990 میلادی نانو لوله های کربنی کشف شدند. می توان این ساختار های استوانه ای از اتم های کربن را به عنوان سیستم های یک بعدی در نظر گرفت. کشف فولرن و نانو لوله های کربنی دریچه جدیدی را فراروی الکترونیک بر مبنای کربن گشود. خانواده آلوتروپ های کربن کامل به نظر می رسید و تنها آلوتروپ دو بعدی نداشت. این آلوتروپ دو بعدی، گرافن نامیده شد. پس از کشف فولرن و نانو لوله های کربنی، ساختار نواری گرافن با جزئیات بیشتری مورد مطالعه قرار گرفت]4[، زیرا می توان گرافن را به شکل کره در آورد که فولرن حاصل شود و یا به شکل استوانه ای لوله کرد که نانو لوله های کربنی را نتیجه دهد.

در سال 2004 میلادی نواسلف و گایم و همکارانشان با جداسازی گرافن در دانشگاه منچستر جامعه علمی را شگفت زده کردند. اساسا علت کشف دیرهنگام گرافن دوچیز بود، اول این که قبل از کشف آن تصور می شد که گرافن ناپایدار است  و دوم آن که هیچ ابزار آزمایشگاهی برای نمایش گرافن به ضخامت یک اتم وجود نداشت.  دلیل اینکه گرافن بر خلاف پیش بینی های نظری ناپایدار نشد را می توان در ناهمواری های موج گونه ای در سطح صفحه گرافن دانست که آن را پایدار می سازند]6[.

پدیده ابررسانایی که در اوایل قرن بیستم کشف شد شاید اولین پدیده ای باشد که نشان داد قوانین مکانیک کوانتومی می توانند در مقیاس ماکروسکوپی نیز بروز کنند. این پدیده،  نمونه بارزی از اشغال ماکروسکوپی حالت کوانتومی منفرد است. به عبارت دیگر خواص غیر عادی (در مقایسه با حالت هنجار) حالت ابررسانایی در نتیجه این امر رخ می دهند. صفر شدن مقاومت نرمال و دیامغناطیس شدن نمونه در حالت ابررسانایی دو مشخصه اصلی این پدیده می باشند. تعداد مقالات چاپ شده در باره پدیده ابررسانایی از اوایل قرن بیستم اکنون بیانگر این است که بی شک یکی از مسائل مهم و مورد علاقه جهان و بویژه علم فیزیک، پدیده ابررسانایی است. تعداد جوایز نوبل که به این موضوع اختصاص یافته در هیچ موضوع دیگری سابقه ندارد.

در سال 1913 میلادی به اونس برای کشف ابررسانایی در جیوه، در سال 1972 به باردین، کوپر و شریفر برای ارائه نظریه BCS، در سال 1973 برای ابداع روش تونل زنی در تعیین گاف انرژی به گیاور و به جوزفسون برای پیوندگاه جوزفسون و تونل زنی جفت و در سال 1987 به بدنورز و مولر برای کشف ابررساناهای دمای بالا.

حتی تصور دست یافتن به چنین تکنولوژیی در دمای اتاق هیجان انگیز است، چون این به معنای رسیدن به مقاومت صفر و دست یابی به شدت جریانها و میدانهای مغناطیسی بسیار بالا در دمای اتاق است که موارد کاربرد بسیاری در علوم و صنایع از جمله خطوط انتقال نیرو، حمل و نقل، پزشکی و ساخت ابرکامپیوترهای قدرتمند و ابرسریع در تکنولوژی آینده دارد. به این معنا انقلاب واقعی در صنعت با کشف پدیده ابررسانایی در دمای اتاق روی خواهد داد. علاوه بر جنبه کاربردی این مواد، فهم عمیقی که پژوهشگران در تلاش برای دستیابی به نظریه ابررسانایی (چه در گذشته برای ابررسانایی متعارف (BCS) و چه در حال برای ابررسانایی دمای بالا) از سیستم های شامل میلیاردها ذره با همبستگی شدید کسب کردند و شاید در تاریخ علم فیزیک ماده چگال بی سابقه باشد. مشکل اساسی در ابررسانایی متعارف، پایین بودن دمای گذار ابررسانایی، Tc در حدود دمای هلیم مایع بود که با پیشرفت های اخیر این دما با کشف سرامیک های ابررسانایی دمای بالا به حدود k 100 (k 135) در ترکیبی از جیوه، که تحت فشارهای خیلی بالا برای این ترکیب اکسید مس جیوه دمای گذار حدود k 165  نیز گزارش شده است) افزایش یافته و آینده روشنی را پیش رو می گذارد]7[.

در سال 1908 اونس با مایع کردن گاز هلیوم، فیزیک دماهای پایین را بنیان نهاد، او روی اثر دماهای خیلی پایین بر خواص فلزات مطالعه کرد. سه سال بعد او مشاهده کرد که در دمای k 18/4 و کمتر از آن مقاومت الکتریکی جیوه صفر می شود. با این کشف، مبحث ابررسانایی متولد شد. اونس دو سال بعد مشاهده کرد که با اعمال یک میدان مغناطیسی نسبتا قوی می توان جسم را از حالت ابررسانایی خارج کرد.