Grafen gerçekten son yıllarda keşfedilen en muhteşem materyallerden biri , elektronik, piller , dokunmatik ekranlar gibi pek çok alanda kullanılması bekleniliyor. Son yıllarda üretiminde de gelişmeler yaşandı. Science dergisinde yayınlanan yeni bir araştırmada grafenin temel özelliklerini anlamada metaller üzerindeki elektronların ilk kez sıvılardaki elektronlar gibi davrandığı gözlendi.
Yapılan bu gözlem sayesinde ultra temiz grafen üretme metotları geliştirerek, termal iletkenliği ölçmek için yeni yöntem geliştirebilir. Bu sayede eşsiz termoelektrik cihazlar geliştirilerek, kara delikler ya da yüksek enerji plazmaları gibi sistemler modellenebilir.
Araştırma SEAS (School of Engineering and Applied Sciences)’den Fizik ve Uygulamalı Fizik ‘den Profesör Philip Kim liderliğinde yapıldı.
Elektron Süper Otobanı
Normalde üç boyutlu metallerde, elektronlar birbiriyle zor etkileşir. Grafenin iki boyutlu yapısı bal peteği şeklindedir ve elektronlar için süper bir otoban gibi parçacıkların aynı şeritte ilerlediği bir yapı gibi davranır. Garafendeki elektronlar kütlesiz rölativistik nesneler gibi davranara, bazı pozitif ve negatif yükler gibi davranırlar. Bu parçacıklar ışık hızının 1/300’ü hızında hareket ediyor ve oda sıcaklığında saniyede 10 trilyon kez birbiriyle çarpıştığı tahmin ediliyor. Bu yoğun etkileşimler bilinen metallerde hiç gözlenmedi.
Ekip sadece bir atom kalınlığında grafen yapraklarından onlarca katmanlı, ultra temiz bir grafen numunesi yaratarak, tabakaları grafenin atomik yapısına benzeyen çok transparan bir kristalle yalıttı.
Bir atom kalınlığındaki tabakların çevreden etkilenip bozulmasını engellemek için teknik geliştirilmiş oldu.Sonrasında ekip pozitif ve negatif grafenin yüzeyinde yüklenmiş parçacıklardan termal bir çorba oluşturarak, bu parçacıklarda termal ve elektrik akımların nasıl hareket ettiğini gözlemledi.
Çip Üzerindeki Kara Delik
Çok ufak tanecikler , atomlar, elektronlar gibi parçacıklar kuantum mekaniğiyle açıklanırken, büyük ve hızlı nesneler galaksiler, gezegenler gibi Albert Einstein’ın kuantum mekaniğiyle tanımlanır.
Normalde bu iki fizik yasasının birleştirmek oldukça zor olsa da bazı ekstrem örnekler buna imkan verebilir. Süper novalar ve kara delikler gibi yüksek enerjili sistemler , klasik hidrodinamik teorileri Einstein rölativite teorileri ile birlikte tanımlanabilir.
Fakat bir karadelik üzerinde deney yapmak çok zordur. İşte grafendeki yoğun etkileşimli parçacıklar elektrik alanından güç alarak, tekli parçacıklar gibi değil de hidrodinamikteki gibi bir sıvı gibi hareket ederler.
“Elektrik veya termal bir kuvvet tarafından etkilenen tek bir parçacığı izlemek yerine, bir grup parçacık tarafından depolanan enerjiyi görebiliriz ,sanki sudaki bir dalga gibi..” diyor Crossno.
Endüstriyel kullanım içinse, elektron sisteminde taşınan ısıyı ölçmek için bir yöntem geliştirilmesi gerekiyordu. Fakat bunu yapmak çok zor olduğu için materyalin ilettiği ısı ya atomik yapı ya da kafes yapısındaki titreşimler sayesinde olabilir.
“Kafeste olan ısı transferini ihmal ederek, elektronlar tarafından sadece ne kadar ısı taşındığına odaklanmalıyız, “ diyor Fong.
Sınırlı bir sıcaklıkta elektronları rastgele hareket ediyorlar; daha yüksek sıcaklıkta daha fazla gürültü yapıyorlar. Elektronların sıcaklığını üç noktadan ölçerek, ekip elektronların termal iletkenliğini bulmayı başardı.
“Termal enerjiyi elektrik akımına dönüştürmek ya da tersi normal materyallerde hepimizi bildiği gibi zordur. Fakat prensip olarak temiz bir grafen numunesinde iyi bir cihaz yaparsanız belki sınır olmayabilir,” diyor Lucas.
Referans:
Observation of the Dirac fluid and the breakdown of the Wiedemann-Franz law in graphene Science 11 Feb 2016: DOI: 10.1126/science.aad0343 ,
Kaynak: http://phys.org/news/2016-02-metal.html#jCp
