Çoğu polimer ve seramik malzeme, elektronların serbestçe hareket edememesi nedeniyle elektriği iyi iletmezler. Grafen ise, her bir karbon atomunun bir serbest elektrona sahip olduğu, pi bağları sayesinde elektronların kolayca hareket edebildiği bir yapıya sahiptir. Bu temel fark, grafenin kompozitlere eklendiğinde elektriksel iletkenlikte devasa bir artış sağlamasının nedenini açıklar.
Grafenli bir kompozitin elektriksel iletken hale gelmesinin temelinde perkolasyon teorisi yatar. Bu teoriye göre, yalıtkan bir matris içinde iletken dolgu malzemesinin (bu durumda grafen) konsantrasyonu belirli bir kritik eşiğe ulaştığında, bu iletken parçacıklar birbirleriyle sürekli bir yol (ağ) oluşturmaya başlar. Bu sürekli iletken ağ, elektronların malzeme boyunca kolayca hareket etmesini sağlayarak kompoziti iletken hale getirir. Bu kritik eşiğe perkolasyon eşiği denir.
Grafenin iki boyutlu, yaprak benzeri (lamelar) yapısı, diğer tek boyutlu (nanotüpler) veya sıfır boyutlu (nanoparçacıklar) dolgu malzemelerine kıyasla çok daha düşük konsantrasyonlarda bile perkolasyon ağının oluşmasını sağlar. Bunun nedenleri şunlardır:
Yüksek Aspect Oranı: Grafen levhaları, kalınlıklarına (tek atom) kıyasla çok geniş bir yüzeye sahiptir. Bu yüksek aspect oranı, levhaların daha kolay birbirine temas etmesine ve iletken yollar oluşturmasına olanak tanır.
Düzlemsel Yapı: Grafenin düzlemsel yapısı, rastgele dağılımda bile iletken yolların oluşma olasılığını artırır.
Perkolasyon ağı oluştuktan sonra, elektriksel iletkenlik temel olarak iki mekanizma üzerinden gerçekleşir:
İletken Grafen Ağı Üzerinden Elektron Taşınımı: Grafen levhaları birbirine doğrudan temas ettiğinde veya çok yakın olduğunda, elektronlar bu iletken ağ üzerinden neredeyse serbestçe hareket edebilir. Bu, yüksek iletkenliğin ana kaynağıdır.
Tünelleme (Tunneling): Grafen levhaları arasında çok küçük yalıtkan boşluklar (tipik olarak birkaç nanometre) bulunduğunda, elektronlar kuantum mekaniksel bir olay olan tünelleme yoluyla bu boşlukları aşabilirler. Bu mekanizma, perkolasyon eşiğinin hemen üzerinde ve düşük grafen konsantrasyonlarında iletkenliğe katkıda bulunur.
Grafenli bir kompozitin elektriksel iletkenliği, çeşitli faktörlerden etkilenir:
Grafen Konsantrasyonu: İletkenlik, grafen konsantrasyonu arttıkça, özellikle perkolasyon eşiğinin üzerinde önemli ölçüde artar.
Grafenin Kalitesi: Kusurlu veya oksitlenmiş grafen (örneğin, Grafen Oksit - GO), saf grafene göre daha düşük iletkenliğe sahiptir. İndirgenmiş Grafen Oksit (rGO), iletkenliği iyileştirmek için kullanılan bir ara malzemedir.
Grafenin Boyutu ve Şekli: Daha büyük ve daha yassı grafen levhaları, daha iyi bir perkolasyon ağı oluşturma eğilimindedir.
Grafenin Dağılımı: Grafenin matris içinde homojen bir şekilde dağılması, topaklanmayı önleyerek daha etkili bir iletken ağ oluşmasını sağlar. Topaklanma, iletken yolların kesintiye uğramasına ve iletkenliğin düşmesine neden olabilir.
Grafen ve Matris Arasındaki Arayüzey Etkileşimi: Grafen ile polimer veya seramik matris arasındaki güçlü bir arayüzey, yük transferini kolaylaştırabilir ve mekanik özelliklerin de iyileşmesine katkıda bulunabilir.
Üretim Yöntemi: Kullanılan üretim tekniği (çözelti karıştırma, eriyik karıştırma, in-situ sentez vb.), grafenin dağılımını ve yönlenmesini etkileyerek iletkenliği dolaylı olarak etkileyebilir.
Grafenli kompozitlerde elde edilen yüksek elektriksel iletkenlik, çok çeşitli uygulamaların önünü açmaktadır:
Elektromanyetik Girişim (EMI) Kalkanlama: Hafif ve esnek EMI kalkanlama malzemeleri, elektronik cihazları parazitten korur ve veri güvenliğini sağlar.
Antistatik Malzemeler: Statik elektrik birikimini önleyerek elektronik bileşenlerin zarar görmesini ve patlama riskini azaltır.
Esnek ve Giyilebilir Elektronikler: Bükülebilir ekranlar, sensörler, enerji depolama cihazları ve akıllı tekstiller için iletken katmanlar.
Sensörler: Basınca, gerinime, sıcaklığa veya kimyasal maddelere karşı yüksek hassasiyetli sensörler.
Enerji Depolama: Yüksek iletkenliğe sahip elektrot malzemeleri sayesinde daha hızlı şarj/deşarj olabilen ve daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip batarya ve süperkapasitörler.
Termal Yönetim: Grafenin yüksek termal iletkenliği de elektriksel iletkenlikle birlikte kullanılarak, elektronik cihazların soğutulmasında etkili malzemeler elde edilebilir.
Sonuç: Grafenli kompozitlerde elektriksel iletkenlik artışı, grafenin temel elektronik yapısından ve matris içinde oluşturduğu perkolasyon ağından kaynaklanmaktadır. Malzemenin nihai iletkenliği, grafenin kalitesi, konsantrasyonu, dağılımı ve matrisle olan etkileşimi gibi birçok faktöre bağlıdır. Araştırmalar devam ettikçe, daha kontrollü üretim yöntemleri ve optimize edilmiş grafen-matris arayüzeyleri sayesinde, grafenli kompozitlerin elektriksel iletkenlik potansiyelinin tam olarak açığa çıkarılması ve bu sayede çok daha gelişmiş ve yenilikçi teknolojilerin hayata geçirilmesi beklenmektedir.
