“Harika malzeme” olarak adlandırılan grafen malzemesi bal peteğine benzer bir hekzagonal örgüye sahip bir atom kalınlıklı karbon atomundan oluşur ve çok incedir, çok dayanıklıdır ve çok sert bir malzemedir. Son birkaç yıldır grafenin uygulamaları ve özellikleri üzerine kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır ve bu malzemenin çoğu elektronik uygulamalarda silikonun yerine geçebilecek potansiyele sahip olduğu öne sürülmektedir.
Grafen malzemesi yüksek mekaniksel dayanıklılığı, çok yüksek elektron hareketliliği ve üstün termal iletkenliği gibi çok sayıda kullanışlı özelliklere sahiptir. Elektronik aygıtların çeşitli bileşenlerinde grafenin uygulamaları aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Pillerde Grafen
Enerji depolama için bir çok uygun teknoloji vardır. Bunların her biri kapasite, ağırlık ve performans açısından bir çok özelliğe sahiptir. Kapasitörler hızlı yüklenirler ve hafiftirler ama büyük bir kapasiteye sahip değildirler. Piller daha fazla yük tutma kapasitesine sahiptirler ama ağırdırlar ve yeniden şarj edilmeleri uzun zaman alır. Bu çeşitlilik özel gereksinimleri karşılamak amacıyla daha iyi bir aygıt için çok sayıda seçenekler sunmasından dolayı iyidir.
Credit: nobeatsofierce / Shutterstock
Çinli araştırmacılar piller ve kapasitörler arasındaki boşluğu doldurabilen bir grafen köpük temelli pil tasarımı geliştirdiler. Bu tasarım lityum teknolojisine dayalıdır ve hatta deneysel formu bilinen lityum iyon pillerinin ağırlık oranı ile benzer bir kapasiteye sahiptir. Grafen köpük temelli pil bir kapasitör gibi hızlıca şarj edilebilir ve 20 saniyede de deşarj edilebilir. Yani hızlıca yükleyip boşaltabilirsiniz. Ayrıca esnektir ve büküldüğünde bile mükemmel çalışır.
Argonne Ulusal Laboratuvaru ile ortak bir işbirliğinde bulunan California Lithium Battery (CalBattery) şirketi yeni lityum iyon pil performans seviyelerine ulaşmak için yeni GEN3 silikon grafen kompozit anot malzemelerin kullanılmasıyla inovatif bir lityum pil anodunun ticarileştirilmesi için çalışmaktadır.
Dokunmatik Ekranlar için Grafen Elektrotlar
Grafen film şeffaf bir iletken olarak yaygın bir ticari kullanıma sahip indiyum tin oksitin (ITO) yerine geçmesi beklenen güçlü bir adaydır. Bu ITO malzemesi, bilgisayarlar ve akıllı telefonlardaki dokunmatik ekranlarda kullanılırlar ve güneş hücreleri ile OLED’lerde bir elektrot olarak da kullanılırlar.
Rice Üniversitesi araştırmacıları tarafından geliştirilen bir grafen temelli ince film ince bir metal nanotel ağ ile yüksek iletkenlikli grafen tek katman düzlemi entegre ettiler. Araştırmacılara göre, bu malzeme ITO’dan üstün olmaktadır ve diğer rakip malzemelere göre elektrik akımını karşı düşük dirençli ve yüksek şeffaflığa sahiptir.
Dokunmatik ekranlarla ilgili olarak grafen malzemesinin getirilerine ilişkin hazırladığımız şu yazıyı da incelemelisiniz: http://www.kuark.org/2012/07/dokunmatik-ekran-teknolojilerinin-geleceginde-grafenin-yeri/
Grafen ile Şeffaf Bellek
Rice Üniversitesi araştırmacıları aktif bileşen olarak silikon oksitin kullanıldığı şeffaf esnek bellek çiplerini geliştirmeyi de başardılar. Bu şeffaf bellek teknolojsi standart silikon dioksit aracılığı ile enerjik yüklü bir yükün 2010 yılındaki keşfine dayanır. Silikon dioksit elektronikte yaygın bir biçimde bir yalıtkan olarak kullanılır. Oksijen atomları kapalı şeritler halindedir ve böyle olması, 5 nanometre genişliğinden daha az saf silikon kristal kanallara yol açar.
2012 yılında, Rice Üniversitesi’nden bir araştırma grubu iki terminalli şeffaf bellek aygıtı yapmak için bu olguyu kullandı. Başlangıçtaki büyük akım nanokanallarda oluşmasından sonra, daha küçük yükler sonra ikili bilgilerin kodlanması için devre yapımında kullanılabilir, ve hala daha küçük akım yüklenme olmaksızın belleğin durumunu kontrol etmek için de kullanılabilir.
Grafen Transistörler ile Entegre Devreler
2011 yılının Haziran’ında, IBM araştırmacıları yüksek hızlı bir grafen devresi tasarımını duyurdular. 2010 yılında, IBM grafen malzemesinin kullanıldığı çalışan bir transistör üretmişlerdi. Bu ise grafen malzemesinin doğal bir yarıiletken olmamasından dolayı büyük bir başarıydı. Teknik bazı zorluklara karşın, bu bir silikon transistörün hızı ile kıyaslanabilecek ilk çalışan grafen transistör idi. Hatta kıyaslanmaktan öte, grafendeki elektronların silikon gibi malzemeler kadar saçılmamaları sonucu silikon temelli transistörlerden iki kat daha hızlı grafen transistörlerin yapılabildiğini söyleyebiliriz.
Çalışan transistör ifadesi bir dizi görevi gerçekleştirmek için çok sayıda transistöre bağlı olduğunu gösteren bir devre içine entegre edilmedikçe hiçbir anlama gelmediğini söyler. Bu durumda, IBM bilim insanları belli bir frekans aralığında sinyalleri işleyen radyo uygulamalarında kullanılabilen bir geniş band radyo frekans karıştırıcı yaptılar. Bu bir standart IC bileşenidir ve bu grafen transistörlerin daha karmaşık sistemlerde etkin bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir.
IBM bunu mümkün hâle getirmek için çok sayıda zorluğun üstesinden geldi. Örneğin, elektron demet litografisi ile yapılan etch süreci sırasında ultra ince grafen katmanın korunması gibi. Grafen malzemesinin bu aşındırma sürecinden zarar görmeden çıkması gerekiyor, üstelik malzeme oldukça hassas bir yapıda; bir atom kalınlığında. Neyse ki IBM bunun üstesinden gelebildi. Şimdi beklenen ise IBM’nin ticari olarak grafen transistörleri üretmesi ve sonunda elektroniğin yüzünü değiştirmesi. Yani silikondan grafen malzemesine doğru bir geçiş… Mümkün mü? Göreceğiz…
Esnek Grafen Güneş Panelleri ile Güneş Enerjisi Verimliliği
Grafen malzemesi ile geliştirilecek esnek, hafif ve yeni güneş panelleri araştırmacılar tarafından çatıların dışında binaların dış yüzeyini kaplayacak şekilde kullanılabilir hâle getirmeye çalışılıyor.
Görünür ışığa ve kızılötesi ışık ve ultraviyole gibi diğer elektromanyetik ışınım formlarına karşı grafen malzemesi hemen hemen saydamdır. Bu dalgaboylardaki ışığın sadece %2’sini absorbe eder.
2008 yılında, USC Viterbi Mühendislik Bölümü’nden bir araştırma grubu kimyasal buhar biriktirme tekniği ile yüksek saydam grafen filmlerin geniş ölçek üretimini yapabildiklerini bildirmişti. Araştırmacılar bu çalışmada, bir nikel plaka üzerinde grafen filmlerini metan gazından karbon atomların çöktürerek ultraince grafen düzlemler halinde ürettiler. Bu filmler sonra koruyucu bir termoplastik tabaka ile kaplandı ve nikel altlık bir asit banyosu içinde eritildi. Son olarak, araştırmacılar plastik korumalı grafene esnek bir polimer düzlem eklediler. Bu polimer düzlem organik fotovoltaik hücre (OPV) içine dahil edilebilen bir malzemedir. Grafen/polimer düzlemler esnek OPV hücreleri için 150 cm²’lik bir büyüklük aralığında üretildiler. Bu hafif ve esnek güneş hücreleri uygun bir otomobil kalıbı veya mobilya ya da giysi etrafında sarılı olabilecek şekildedir. Böylelikle bu güneş panelleri herhangi bir yüzeye eklendiğinde ışığı toplama ve enerji üretme potansiyeline sahiptir.
Günümüzde yaygınlaşan güneş hücreleri/panelleri genellikle silikondan veya GaAs’den yapılmaktadır. Ancak bu malzemeler maliyet/verimlilik açısından bakıldığında pahalı kaldığı söylenebilir. Dolayısıyla bu durum çoğu araştırmacıyı alternatifler geliştirmeye yöneltmiştir. Örneğin indiyum tin oksit (ITO) olarak adlandırılan bir malzemeye dayanan nanoyapılı veya hibrit güneş hücreleri bu alternatifler arasında.
Son zamanlarda MIT’ten bir araştırma grubu ITO’nun daha ucuz bir alternatifi olarak bir nanotel katmanı ile kaplı esnek grafen düzlemlerden yapılan yeni bir tür fotovoltaik hücre geliştirdiler. Araştırmacılar bu geliştirdikleri fotovoltaik hücreleri ile pencerelere, çatılara ve diğer yüzeylere konulabilen düşük maliyetli, saydam ve esnek güneş hücrelerinin yapılmasında önemli bir rol oynayacağına inanıyorlar. Ayrıca elde edilen sonuçlara göre, bu teknoloji kimyasal dayanıklılık, mekanik dayanıklılık, hafiflik ve esneklik gibi başka avantajlar da sağlayabilir.
Güneş panelleri için grafen malzemesinin diğer malzemelere göre daha düşük maliyetli seri üretime olanak tanıyacağı konusunda bazı gelişmelerin olduğunu görüyoruz. Ancak grafenin saydam oluşu ve esnekliği diğer malzemelerden kendisini ayıran en önemli özellikleri olduğu açıkça ortada. Bir binada, bir otomobilde ya da bir giyside kullanılabilir güneş pilleri ya da güneş panelleri uygulamalarını sunabilen bir malzeme olması bu teknolojinin geliştirilebilir ve uygulanabilir olduğu durumda günlük yaşantımızı da oldukça etkileyecektir.
Sonuç
Grafen malzemesi yazı içerisinde ifade edilmeye çalışıldığı gibi yeni sistem, devre ve aygıt türleri için gelecek vaad edici bir malzeme olarak görülüyor. Çok sayıda işlevselliğe sahip olan tek bir malzeme olarak düşündüğümüzde günümüz elektronik sanayisi için ne kadar nitelikli ve önemli bir malzeme olduğu aslında anlaşılabilir. Yine de bu çok yönlü işlevsellik ve diğer olumlu özelliklere rağmen elektronikte grafenin geniş ölçekte kullanımı ile ilgili kritik sorunların olduğunu da unutmamak lazım ve bu sorunlar da genellikle seri üretim ile ilgilidir. Bakır yüzeyleri üzerine grafenin büyük katmanlar hâlinde büyütülmesi mümkün olsa da, hem maliyet hem de kalite açısından grafenin ticarileştirilmesinin önünde aşılması gereken bir çok teknik zorluk bulunmaktadır.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynaklar:
- http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3204
- http://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=393
