Production of graphene based materials and their potential applications

Abstract

Grafen benzersiz özellikleri sayesinde pek çok uygulama alanı için umut vadeden bir malzemedir. Bununla birlikte, grafen-esaslı malzemelerin özellikleri ve miktarı hangi üretim yöntemi ile üretildiğine bağlı olarak farklılık gösterir. Bu nedenle, grafen-esaslı malzemelerin, kullanılacağı uygulama alanının gereksinimlerine bağlı olarak uygun bir üretim yöntemi ile üretilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, grafen esaslı malzemeler kalite, verim, maliyet ve elde edilen malzemenin uygulanabilirliği açılarından en avantajlı yöntemler olan sıvı faz eksfoliasyonu (tabakalara ayırma) ve kimyasal buharla biriktirme yöntemleri kullanılarak başarıyla üretilmiş ve grafen üretimi üzerine temel bir anlayış kazanılmıştır. Sıvı faz eksfoliasyonu, nanokompozit uygulamaları için yüksek miktarda grafen-esaslı malzeme üretimine imkan sağlamaktadır. Bu yöntemde aşılması gereken sorun, kaliteyi koruyarak grafen konsantrasyonunu mümkün olduğunca artırabilmektir. Bu amaçla, izopropil alkol (IPA) içerisinde etkin bir eksfoliasyon elde edebilmek için üç farklı grafit-esaslı tozun başlangıç malzemesi olarak kullanıldığı karşılaştırmalı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Yüksek konsantrasyona sahip (1.1 mg/ml), birkaç tabakalı (küçük 5 tabaka) grafen levhalardan oluşan dispersiyonlar, yüksek yüzey alanına sahip bir nano-grafit tozunun IPA içerisinde 90 dk sonikasyon işlemine maruz bırakılması ile üretilmiştir. Bu malzeme daha sonra Al2O3 matris nanokompozitlerde takviye faz olarak kullanılmış; sonuç olarak, anizotropik mekanik, ısıl ve elektriksel özellik gösteren seramik matris nanokompozitler spark plazma sinterleme yöntemi ile başarıyla üretilmiştir. Diğer taraftan, elektronik uygulamalar için gelecek vadeden, geniş alana sahip grafen filmler düşük-basınç kimyasal buharla biriktirme yöntemi ile Cu folyolar üzerinde sentezlenmiştir. Isıtma atmosferinin ve Cu folyo özelliklerinin sentezlenen grafen filmlerin kalitesi, kalınlığı ve safsızlık miktarı üzerine olan etkileri incelenmiştir. Hata oranı önemli ölçüde azaltılmış kaliteli grafen filmleri aygıt üretiminde kullanılmıştır. Bu aygıtların oda sıcaklığındaki elektriksel direnç ve Quantum Hall Etkisi rejimindeki (düşük sıcaklık ve yüksek manyetik alan) taşınım özellikleri ölçülmüştür. Ön sonuçlar, oda sıcaklığında yüksek elektronik hareketliliğe sahip (46500 cm2/Vs) tek tabakalı grafenin başarıyla üretildiğini göstermiştir.