Znajdź zawartość
Wyświetlanie wyników dla tagów 'grafen' .
Znaleziono 62 wyników
-
Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley powstał grafenowy modulator optyczny. Jak mówią jego twórcy, potencjalnie takie urządzenie może pozwolić w przyszłości pobranie np. na smartfona całego filmu w ciągu kilkunastu sekund. Urządzenie jest dziełem zespołu pracującego pod kierunkiem profesora Xianga Zhanga. To najmniejszy na świecie modulator optyczny, a w komunikacji to właśnie modulatory decydują o prędkości przesyłu danych - stwierdził Zhang. Dzięki grafenowi możemy tworzyć niezwykle małe modulatory, pracujące z prędkością do 10 razy większą niż umożliwiają to współcześnie wykorzystywane urządzenia - dodaje uczony. Grafenowe modulatory powinny być bardzo tanie. Jak stwierdził Ming Liu, współautor badań, grafit zawarty z jednym tylko ołówku wystarczy do zbudowania miliarda modulatorów. Zespół Zhanga dostosował grafen do tego, by absorbował światło o długości fali wykorzystywanej w telekomunikacji. Zauważyli bowiem, że energia elektronów może być łatwo zmieniana za pomocą napięcia elektrycznego przykładanego do materiału. Zatem za pomocą energii elektrycznej można zdecydować, czy grafen zaabsorbuje światło czy też nie. Przy odpowiednim napięciu ujemnym elektrony opuszczają grafen i nie absorbuje on fotonów stając się dla nich całkowicie przezroczysty. Jest też przezroczysty przy pewnych wartościach dodatnich, gdyż wówczas elektrony stają się tak gęsto upakowane, że nie mogą absorbować fotonów. Naukowcy znaleźli optymalny punkt, w którym można przełączać grafen. Jeśli porównamy grafen do korytarza, a elektrony do ludzi, to gdy korytarz jest pusty, nie ma nikogo, kto byłby w stanie zatrzymać foton. Innym przypadkiem jest sytuacja, gdy w korytarzu jest tak dużo ludzi, że nie mogą się poruszać. Wówczas również nie mogą blokować fotonów. Gdzieś pośrodku znajduje się idealny punkt, w którym elektrony mogą absorbować fotony, a cały grafen jest dla nich półprzezroczysty - wyjaśnia Xiaobo Yin z zespołu badawczego. Podczas eksperymentów prototypowy modulator pracował z częstotliwością 1 GHz. Uczeni mówią, że teoretycznie można tę wartość zwiększyć do 500 GHz. Grafenowy modulator stwarza też szanse na zbudowanie komputerów optycznych. Światło pozwala na znacznie szybsze przetwarzanie danych niż elektrony, jednak problem stanowi długość fali, sporo większa niż wielkość pojedynczego elektronu. Dlatego też elektrony lepiej radzą sobie w ciasnych minaturowych układach elektronicznych, a światło używane jest tam, gdzie mamy do czynienia z dużymi przestrzeniami, np. w światłowodach. Grafenowy modulator pokonuje te przeszkody. Prototypowe urządzenie z Berkeley ma powierzchnię zaledwie 25 mikronów kwadratowych. Obecnie wykorzystywane modulatory liczą sobie po kilka milimetrów kwadratowych. Ponadto grafen może pracować z bardzo szerokim spektrum światła, od ultrafioletu po podczerwień. Grafenowe modulatory nie tylko oferują zwiększenie prędkości przetwarzania danych. Pozwalają też na upakowanie większej ich ilości w pojedynczym impulsie. W miejsce łączy szerokopasmowych będziemy mieli ‚łącza ekstremalne'. Grafenowy modulator to kolosalny krok naprzód nie tylko w elektronice konsumenckiej, ale wszędzie tam, gdzie napotykamy obecnie na ograniczenia w prędkości przesyłania danych, a więc np. w bioinformatyce czy meteorologii - mówi profesor Zhang i dodaje, że pierwsze grafenowe modulatory mogą trafić na rynek w ciągu najbliższych kilku lat.
-
Przestrzeń jest zwykle postrzegana jako nieskończenie podzielna. Jeśli wybierzemy dwa dowolne punkty w przestrzeni, to możemy wyznaczyć pomiędzy nimi połowę odległości. Tymczasem dwóch naukowców z UCLA (Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles) zauważyło, że podzielenie przestrzeni na nieciągłe fragmenty, podobne do szachownicy, wyjaśnia pewne właściwości elektronów. Profesor Chris Regan i student Matthew Mecklenburg pracowali nad tranzystorami z grafenu gdy stwierdzili, że potraktowanie przestrzeni jak szachownicy wyjaśnia, w jaki sposób elektrony mogą otrzymywać spin. Naukowcy stwierdzili, że elektrony zyskują spin dzięki temu, że przebywają w określonej pozycji, na "czarnych" bądź "białych" polach "szachownicy". Moment własny pędu - czyli właśnie spin - pojawia się, gdy te "pola" są na tyle blisko siebie, że nie można znaleźć dzielącej ich granicy. "Spin elektronów może pojawiać się dlatego, że przestrzeń w bardzo małych wymiarach nie jest gładka, ale pofragmentowana, jak szachownica" - stwierdził Regan. Spin, dzięki temu, że może przyjmować tylko dwie wartości, pozwala wyjaśnić stabilność materii, naturę wiązań chemicznych i wiele innych zjawisk. Nie wiadomo jednak, w jaki sposób elektrony "zarządzają" spinem i związanym z nim ruchem obrotowym. Jeśli elektron ma średnicę, to jego powierzchnia musiałaby poruszać się szybciej od prędkości światła, co narusza teorię względności. Eksperymenty wykazały, że elektron nie ma średnicy, jest punktem bez powierzchni i mniejszych struktur. Już w pierwszej połowie XX wieku Paul Dirac dowiódł, że spin elektronu jest związany ze strukturą czasoprzestrzeni, łącząc mechanikę kwantową z teorią Einsteina. Jednak równanie Diraca nie wyjaśnia, w jaki sposób elektron, który jest punktem, uzyskuje moment pędu, ani dlaczego spin przyjmuje tylko dwie wartości. Teraz Regan i Mecklneburg wpadli na proste wyjaśnienie zagadki. "Chcieliśmy obliczyć wzmocnienie sygnału w grafenowym tranzystorze" - stwierdził. Do przeprowadzenia wyliczeń konieczne było zbadanie, w jaki sposób światło wpływa na elektrony w grafenie. Elektrony te przeskakują pomiędzy atomami grafenu tak, jak figury po szachownicy, z tą jednak różnicą, że grafenowa "szachownica" jest trójkątna. Pola "ciemne" wskazują na "góra", pola "jasne" na "dół". Gdy elektron w grafenie zaabsorbuje foton, przeskakuje z pola jasnego na ciemne. To prowadzi do zmiany kierunku spinu. Innymi słowy, przesunięcie elektronu na inną pozycję zmienia jego spin. Spin jest zaś określany przez układ geometryczny siatki krystalicznej grafenu i jest różny od dotychczasowego spinu elektronu. "Mój promotor doktoryzował się ze struktury elektronu. Byliśmy niezwykle podekscytowani stwierdzając, że spin zależy od siatki krystalicznej. To z kolei każe nam się zastanowić, czy zwykły spin elektronu nie powstaje w ten sam sposób" - mówi Mecklenburg. Profesor Regan dodaje, że byłoby dziwne, gdyby tylko grafen posiadał sieć krystaliczną zdolną do generowania spinu.
-
Na University of Maryland odkryto nową metodę kontrolowania właściwości magnetycznych grafenu. Zespół profesore Michaela S. Fuhrera zauważył, że grafen zyska właściwości magnetyczne, gdy... „podziurawimy" jego strukturę krystaliczną. Wystarczy usunąć z grafenu niektóre atomy, a powstałe w ten sposób puste miejsca będą działały jak niewielkie magnesy, zyskają moment magnetyczny. Co więcej, ten moment oddziałuje tak silnie z elektronami w grafenie, że pojawia się efekt Kondo, czyli anomalna zależność oporu od temperatury. Efekt Kondo występuje zwykle, gdy do metali niemagnetycznych, takich jak złoto czy miedź, dodamy niewielkie ilości metalu magnetycznego (np. żelaza czy niklu). Odkrycie efektu Kondo w grafenie zaskoczyło naukowców. Po pierwsze, badaliśmy system składający się z czystego węgla, bez żadnych tradycyjnych magnetycznych domieszek. Pod drugie, grafen charakteryzuje się bardzo niską gęstością elektronów, co oznacza, że efekt Kondo powinien pojawiać się tylko w skrajnie niskich temperaturach - mówi Fuhrer. Tymczasem w przypadku grafenu efekt Kondo zmierzono w 90 kelvinach. W takich temperaturach można go obserwować w metalach o bardzo wysokiej gęstości elektronów. Co więcej, temperatura Kondo, poniżej której występuje efekt Kondo, może być dostrajana za pomocą napięcia elektrycznego. Takiego zjawiska nie zaobserwowano w metalach. Naukowcy spekulują, że te niezwykłe właściwości grafenu wynikają z faktu, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, przez co wyjątkowo mocno oddziałują z nieregularnościami siatki krystalicznej. Zdaniem Fuhrera, jeśli znajdziemy odpowiedni wzorzec „dziurawienia" grafenu, to materiał ten może zyskać właściwości ferromagnetyczne. Poszczególne momenty magnetyczne mogą zostać połączone za pomocą efektu Kondo i ustawione w jednym kierunku. W ten sposób uzyskamy ferromagnes wykonany z węgla. Magnetyzm w grafenie umożliwi stworzenie wielu nowych nanoczujników. A połączenie właściwości magnetycznych ze świetnymi właściwościami elektrycznymi grafenu może mieć zastosowanie w spintronice - stwierdza profesor Fuhrer.
-
Naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowali technologię uzyskiwania dużych płacht grafenu wysokiej jakości. Co prawda już wcześniej Amerykanie potrafili tworzyć duże kawałki grafenu, jednak polska technologia pozwala na uzyskanie materiału lepszej jakości, co jest niezwykle istotne, jeśli chcemy budować z niego układy elektroniczne. Amerykanie korzystali z dobrze znanej techniki epitaksjalnego wzrostu grafenu poprzez sublimację krzemu z węglika krzemu. Proces odbywa się w bardzo wysokiej temperaturze, a jako że krzem odparowuje najpierw tam, gdzie w strukturze węglika występują niedoskonałości, uzyskany grafen ma sporo wad. Polscy uczeni, wśród nich profesor Jacek Baranowski, zastosowali technikę chemicznego osadzania z warstwy gazowej na podłożu z węglika krzemu. Dzięki temu pozyskany grafen jest mniej wrażliwy na niedoskonałości węglika, zapewnia wysoką ruchliwość elektronów rzędu 1800 cm2/Vs, umożliwia określenie liczby warstw jakie chcemy uzyskać oraz stopnia wzbogacenia innym materiałem. Badania wykazały nie tylko lepsze właściwości tak pozyskanego grafenu ale również istnienie w nim przerwy energetycznej.
-
Naukowcy z Electro-Optics Center (EOC) Material Division na Pennsylvania State University stworzyli 100-milimetrowy plaster grafenowy. To niezwykle ważny krok w kierunku wykorzystania grafenu do budowy urządzeń elektronicznych. Grafen to dwuwymiarowa forma grafitu, w której elektrony poruszają się znacznie szybciej niż w krzemie. Ocenia się, że dzięki zastąpieniu krzemu grafenem uda się stworzyć procesory, które będą od 100 do 1000 razy bardziej wydajne, od obecnie wykorzystywanych. David Snyder i Randy Cavalero z EOC wykorzystali proces znany jako sublimacja krzemowa. Podgrzewali oni plastry z węglika krzemu tak długo, aż krzem przemieścił się z jego powierzchni i pozostała na niej warstwa grafenu o grubości 1-2 atomów. Dotychczas udawało się to uzyskać na 50-miliometrowym plastrze. Teraz przeprowadzono eksperyment z plastrem o średnicy 100 milimetrów. To największe dostępne na rynku plastry krzemowe. Jak poinformował Joshua Robinson, naukowcy z Penn State umieszczają teraz na plastrze tranzystory i wkrótce rozpoczną testy wydajności. Ich celem jest zbliżenie się do maksymalnej teoretycznej wydajności grafenu wykonanego z węgliku krzemu. Elektrony powinny poruszać się w nim około 100-krotnie szybciej niż w krzemie. To jednak wymaga bardzo czystego materiału, przed uczonymi zatem sporo pracy. Z kolei inna grupa specjalistół już zaczęła prace nad urządzeniami i technologiami, które pozwolą produkować grafenowe plastry z 200-milimetrowych plastrów krzemowych.
-
Naukowcy z University of Illinois zaobserwowali w grafenie zjawisko termoelektryczne i odkryli, że w nanoskali materiał ten chłodzi się efektywniej niż krzem. Zespół pracujący pod kierunkiem profesora Williama Kinga wykorzystał końcówkę mikroskopu sił elektronowych w roli czujnika temperatury. Uczeni dowiedzieli się, że w miejscu, w którym grafenowy tranzystor dotyka metalowych połączeń, chłodzący efekt termoelektryczny jest silniejszy niż ogrzewanie się materiału wywołane oporami w przepływie prądu. Oznacza to, że w tym miejscu tranzystor samodzielnie się schładza. Zjawisko termoelektryczne zachodzi wskutek bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego pomiędzy dwoma punktami na różnicę temperatur. W krzemie i większości materiałów nagrzewanie się spowodowane przepływem prądu jest znacznie większe niż samodzielne chłodzenie. Odkryliśmy jednak, że w tych tranzystorach grafenowych istnieją miejsca, w których chłodzenie jest większe niż nagrzewanie, co pozwala urządzeniom na samodzielne schłodzenie się. Dotychczas nie obserwowano tego zjawiska w grafenie - mówi King. Dzięki nowo odkrytej kolejnej przydatnej właściwości grafenu, elektronika grafenowa, o ile powstanie, będzie wymagała niewiele wspomaganego chłodzenia, a niewykluczone, że obejdzie się bez niego.
-
Doskonalsza elektronika dzięki grafenowym nanowstążkom
KopalniaWiedzy.pl dodał temat w dziale Technologia
Na Georgia Institute of Technology powstała nowa technika uzyskiwania nanowstążek epitaksjalnego grafenu, dzięki której otrzymano struktury o szerokości 15-40 nanometrów przewodzące prąd niemal bez żadnego oporu. To pozwoli na łączenie grafenowych urządzeń z obecnie stosowanymi architekturami. Możemy teraz tworzyć bardzo wąskie, przewodzące nanowstążki, które wykazują właściwości przewodnictwa balistycznego. Te wąskie wstążki są niemal jak idealne metale. Elektrony poruszają się w nich bez rozpraszania, jak w węglowych nanorurkach - mówi profesor Walt de Heer. Nowa technika pozwala na otrzymanie epitaksjalnego grafenu o gładkich brzegach. Dotychczas uzyskiwano grafenowe wstążki o nierównych brzegach, co prowadziło do rozpraszania elektronów i interferencji. To z kolei powodowało, że ich właściwości były bliższe izolatorom niż przewodnikom. Wyeliminowaliśmy brzegi, które uniemożliwiały otrzymanie grafenu o pożądanych właściwościach. Brzegi w epitaksjalnym grafenie łączą się z węglikiem krzemu i otrzymujemy ciekawe wyniki - dodaje de Heer. Jego zespół najpierw na podłożu z węgliku krzemu umieścił maskę z wzorem, według którego miał się odbywać wzrost grafenu. W samym węgliku wyryto też kontury wzdłuż brzegów wzoru. Gdy taki plaster podgrzano do temperatury około 1500 stopni Celsjusza, rozpoczął się proces topnienia, który wyrównał i wypolerował nierówności w konturach. Następnie na tak przygotowanym podłożu rozpoczęto proces wzrostu grafenu poprzez usunięcie atomów krzemu z węgliku. Szerokość uzyskanych nanowstążek jest proporcjonalna do głębokości wyrytych konturów, co daje możliwość precyzyjnego kontrolowania ich rozmiarów. W celu uzyskania złożonych struktur wystarczy przeprowadzić wieloetapowy proces tworzenia konturów. Ta technika pozwala nam uniknąć skomplikowanej litografii strumieniem elektronów, którą obecnie stosuje się celem uzyskania epitaksjalnego grafenu. Uzyskany materiał ma bardzo dobre właściwości i może być używany w elektronice - zapewnia de Heer. Uczony już od kilku miesięcy udoskonala wspominaną technikę i nie wyklucza, że wkrótce uda się wyprodukować nanowstążki o szerokości mniejszej niż 10 nanometrów. Naukowiec przypomina, że jego zespół od dawna pracuje nad grafenową elektroniką i posiada patenty na różne techniki uzyskiwania epitaksjalnego grafenu. To oznacza, że sposób w jaki chcemy produkować grafenową elektronikę będzie inny od tradycyjnego. Nie będziemy naśladowali standardowego modelu tranzystora polowego, ale pracujemy nad urządzeniami wykorzystującymi balistyczne przewodniki i interferencję kwantową. Naszym celem jest wykorzystanie w grafenie efektu fali elektronowej - dodaje. Jeśli uda się taki efekt uzyskać, to manipulowanie elektronami w urządzeniach elektronicznych będzie odbywało się za pomocą technik podobnych do używanych w optyce. Na przykład przełączanie będzie można uzyskać za pomocą interferencji strumieni elektronów. Zespół profesora de Heera chce w ciągu najbliższych 12 miesięcy skonstruować prototypowy przełącznik wykorzystujący zjawisko interferencji kwantowej. -
Bakterie w grafenowej osłonce lepiej widać
KopalniaWiedzy.pl dodał temat w dziale Nauki przyrodnicze
Dzięki grafenowym osłonom można uzyskać pod mikroskopem elektronowym precyzyjniejszy obraz bakterii. Widać je w naturalnych rozmiarach, wzrasta też rozdzielczość. Grafen tworzy warstwę o jednoatomowej grubości, jest nieprzepuszaczalny, optycznie przezroczysty, poza tym charakteryzuje go wysoka przewodność cieplna. Choć ma grubość zaledwie jednego atomu, nie przepuszcza nawet najdrobniejszych cząsteczek. Co więcej, jest wytrzymały i bardzo elastyczny, można mu więc nadać każdy kształt – wyjaśnia prof. Vikas Berry z Uniwersytetu Stanowego Kansas. Zespół Berry'ego zajmuje się badaniem grafenu już od 3 lat, jednak dopiero ostatnio naukowcy wpadli na pomysł wykorzystania tego nanomateriału w obrazowaniu komórek pod mikroskopem elektronowym. Wiązka elektronów może być w urządzeniu emitowana tylko w wysokiej próżni. Wytwarza się ją dzięki systemowi pomp. Prowadzi to jednak do usunięcia wody z komórek (zawierają jej od 70 do 80%) i obkurczenia. W rezultacie trudno uzyskać dokładny obraz komórki i jej składowych w stanie naturalnym. Gdy jednak bakterię lub inną komórkę otoczy się grafenową kapsułką, woda pozostaje na swoim miejscu. Grafen można "owinąć" wokół bakterii na dwa sposoby. Pierwsza metoda polega na ułożeniu na niej arkusza nanomateriału (naukowcy porównują to do przykrywania kocem czy pościelą). Druga polega na umieszczeniu komórki w roztworze, gdzie arkusze ją opatulają ze wszystkich stron. Obie techniki uwzględniają wykorzystanie białka, która nasila wiązanie arkuszy ze ścianą komórkową. Podczas eksperymentów po zapakowaniu w grafen bakterie nie zmieniały wielkości przez pół godziny, co dawało dużo czasu na badania. Ponieważ grafen jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności, odprowadza je poza powłokę, zapewniając klarowny obraz. Nieosłonięte komórki bakteryjne wydają się zaś pod mikroskopem elektronowym ciemne i nie da się odróżnić ich ścian. Berry ma nadzieję, że dzięki pomysłowi jego zespołu w przyszłości będzie można w czasie rzeczywistym obserwować biochemię bakterii. Łatwiej też będzie badać białka, które zachowują się inaczej, gdy są suche, a inaczej, kiedy znajdują się w roztworze wodnym. -
Od kilku lat ekscytujemy się możliwościami grafenu, który być może w niektórych zastosowaniach zastąpi krzem. Tymczasem grafenowi wyrósł właśnie bardzo groźny konkurent - molibdenit. Ten minerał z gromady siarczków (MoS2 - siarczek molibdenu) występuje na całym świecie, również w Polsce. Jest on używany w stopach stali oraz do produkcji lubrykantów. Dotychczas jednak nie badano jego właściwości elektronicznych. A te, jak informują uczeni z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), są niezwykle interesujące. To dwuwymiarowy [podobnie jak grafen - red.] materiał, bardzo cienki i łatwy do wykorzystania w nanotechnologii. Potencjalnie można go wykorzystać do produkcji LED, małych tranzystorów i ogniw słonecznych - mówi profesor Andras Kis. Uczony podkreśla jego przewagę nad krzemem i grafenem. Dzięki swojej dwuwymiarowej strukturze molibdenit pozwoli na produkcję mniejszych, w porównaniu z krzemowymi, podzespołów elektronicznych. W warstwie MoS2 o grubości 0,65 nanometrów elektrony mogą poruszać się równie swobodnie jak w warstwie krzemu o grubości 2 nanometrów - stwierdza Kis. A obecnie nie jesteśmy w stanie wyprodukować tak cienkich warstw krzemu jak monowarstwa siarczku molibenu - dodaje. Jednak to nie wszystko. Tranzystory wykonane z molibdenu pobierałyby o w stanie spoczynku o 100 000 razy mniej energii niż tranzystory krzemowe. Jakby jeszcze tego było mało, molibdenit ma też kolosalną przewagę nad grafenem. Otóż półprzewodniki wykorzystywane w elektronice muszą posiadać przerwę energetyczną, Jej szerokość ma podstawowe znaczenie w elektronice. Przerwa w molibdenicie ma wartość 1,8 eV, co czyni go świetnym materiałem na tranzystory. Wspomniany na wstępie grafen nie posiada w ogóle przerwy energetycznej i trzeba ją sztucznie tworzyć, co jest skomplikowanym procesem. Badania nad molibdenitem przyszły w samą porę. Przed kilkoma dniami IBM ogłosił, że grafen nie może zastąpić krzemu w tranzystorach. Okazało się bowiem, że grafenowych tranzystorów nie można całkowicie wyłączyć.
-
Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla, odkrywcy grafenu Kostya Novoselov i Andre Geim, stworzyli najcieńszy izlolator na świecie. Fluorografen powstał na bazie grafenu, jednak w przeciwieństwie do niego nie przewodzi prądu. Grafen jest bardzo dobrym przewodnikiem, gdyż z obu stron warstwy tego materiału znajdują się chmury elektronów. Uczeni z University of Manchester do każdego atomu węgla doczepili atom fluoru w ten sposób, by zaburzyć pracę chmury elektronów, ale jednocześnie, by nie zniszczyć heksagonalnej struktury grafenu. Wcześniej używali w tym celu atomów wodoru, jednak całość okazała się niestabilna w wysokich temperaturach. Zdaniem naukowców fluorografen to najcieńszy możliwy do uzyskania izolator, stworzony dzięki dołączeniu atomów fluoru do każdego atomu węgla w grafenie. To pierwszy stoichiometryczna chemiczna pochodna grafenu i jednocześnie półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym. Flurografen jest mechanicznie silnym oraz chemicznie i termicznie stabilnym związkiem. Właściwości tego materiału są bardzo podobne do teflonu. Nazywam go 2D Teflon. Nowy materiał, po dalszych udoskonaleniach, może znaleźć szerokie zastosowanie w elektronice. Stanie się np. wysokiej jakości izolatorem w elektronice organicznej, a dzięki szerokiemu pasmu wzbronionemu może być całkowicie przezroczystym dla światła widzialnego półprzewodnikiem. Twórcy nie wykluczają zatem użycia go w LED-ach i wyświetlaczach przyszłości.
-
Abdulaziz Alhaidari wraz ze współpracownikami z Saudyjskiego Centrum Fizyki Teoretycznej wysunęli hipotezę, że wśród niezwykłych cech grafenu znajduje się również... możliwość tworzenia masy. Jednym z najbardziej interesujących pomysłów dotyczących grafenu jest nadzieja, że materiał ten będzie mógł służyć do prowadzenia eksperymentów na gruncie fizyki relatywistycznej. Okazało się bowiem, że właściwości elektroniczne grafenu można dostosować tak, że elektrony i dziury poruszające się z prędkością miliona metrów na sekundę są matematycznym odpowiednikiem zachowania elektronów podróżujących w próżni z prędkością bliską prędkości światła. To oznacza, że elektrony nie podlegają konwencjonalnemu równaniu Schrodingera, ale równaniu Diraca, wykorzystywanemu w fizyce relatywistycznej. Równanie Diraca nie bierze pod uwagę masy, a zatem elektrony i dziury zachowują się tak, jakby nie miały masy. Spostrzeżenie takie jest niezwykle ważne dla badań, gdyż dotychczas relatywistyczne zachowanie elektronów mogli obserwować tylko ci naukowcy, którzy mieli dostęp do akceleratorów cząstek. Teraz badać je będzie mogło każde laboratorium dysponujące grafenem. Takie właściwości mogą też oznaczać powstanie urządzeń elektronicznych korzystających z zasad fizyki relatywistycznej. Uczeni rozważając czym jest masa spekulują, że występuje ona dlatego, że wszechświat ma dodatkowe wymiary, które istnieją tylko w najmniejszej skali. Wymiary te są uzwarcone. Takie wymiary mają niezwykły wpływ na mechanikę kwantową zmieniając dotyczące jej równania tak, że zawierają masę. Stąd, w teorii, bierze się masa. Alhaidari i jego zespół spekulują, że podobny efekt może występować w grafenie jeśli znajdujące się w nim wymiary zostaną uzwarcone (skompaktyfikowane). Grafen, jak wiemy, jest strukturą dwuwymiarową. Jeśliby zatem udało się zmniejszyć liczbę wymiarów grafenu z dwóch do jednego, wówczas równania opisujące zachowanie elektronów i dziur w grafenie - które, jak pamiętamy, nie biorą pod uwagę masy - zmieniłyby się w takie, które biorą pod uwagę masę. W wyniku tego, uzwarcenie wymiarów stworzyłoby masę. Saudyjscy uczeni wiedzą też, w jaki sposób można skompaktyfikować wymiary grafenu. To bardzo proste zadanie. Wystarczy płachtę grafenu zwinąć w rurkę. Z punktu widzenia elektronów i dziur taka struktura będzie jednowymiarowa. Wywody Abdulaziza Alhaidariego są niezwykłe. Jeśli bowiem uczony ma rację, będzie to oznaczało, że generowanie czy niszczenie masy może odbywać się za pomocą zwykłej zmiany geometrii grafenu. Z dokumentem Dynamical mass generation via space compactification in graphene [PDF] można zapoznać się w sieci.
-
Tegoroczną Nagrodę Nobla z fizyki otrzymali odkrywcy grafenu, Andre Geim i Kostya Novoselov z University of Manchester. Grafen to jednoatomowej grubości, a więc dwuwymiarowa, powłoka z atomów węgla. O jego odkryciu informowaliśmy już przed ponad trzema laty. Już od momentu stworzenia grafenu mówiono i jego wyjątkowych właściwościach i olbrzymich nadziejach związanych z tym materiałem. I rzeczywiście, w ciągu ostatnich trzech lat grafen udowadnia, jak ważnym jest wynalazkiem i jak olbrzymie znaczenie ma obecnie i będzie miał w przyszłości. Już w październiku 2007 roku donosiliśmy, że naukowcy IBM-a wyprodukowali grafenowy tranzystor polowy. Niecały rok po stworzeniu grafenu informowaliśmy o pracach uczonych, którzy udowodnili, że elektrony w grafenie poruszają się znacznie szybciej niż w jakimkolwiek innym materiale. To z kolei czyni go idealnym kandydatem do zastosowań w elektronice. W rok po tym, jak powstał nowy materiał uczeni z IBM-a opracowali metodę zapobiegania interferencji, a zatem redukcji szumu, w grafenie. Tym samym pokonali jedną z najpoważniejszych przeszkód stojących na drodze do produkcji grafenowych urządzeń. Nie próżnowali też twórcy grafenu, którzy w kwietniu 2008 roku stworzyli najmniejszy tranzystor na świecie. Następne miesiące przyniosły kolejne odkrycia. Szybko okazało się, że grafen jest najbardziej wytrzymałym materiałem znanym ludzkości. Nieco później poinformowaliśmy o przypadkowym stworzeniu balonu z grafenu, co pozwoliło na zaobserwowanie kolejnej niezwykłej właściwości tego materiału. Okazało się bowiem, że warstwa o grubości jednego atomu może stanowić nieprzepuszczalną barierę. Natomiast pod koniec 2008 roku uczeni z Rice University stwierdzili, że grafen świetnie nadaje się do produkcji pamięci komputerowych, a w laboratoriach IBM-a powstał najszybszy grafenowy tranzystor. W styczniu 2009 Koreańczycy zaprezentowali metodę produkcji dużych płacht grafenu o bardzo dobrych właściwościach przewodzących, a w październiku uczeni z Rugers University ostatecznie udowodnili, że grafen może zastąpić krzem. Bieżący rok rozpoczął się bardzo dobrymi wiadomościami. Otóż na Pennsylvania State University powstał pierwszy 100-milimetrowy plaster grafenowy, co stanowi bardzo ważny krok na drodze do wdrożenia grafenu do przemysłowej produkcji układów elektronicznych. Zaledwie trzy dni później informowaliśmy, że inżynierowie IBM-a otworzyli pasmo wzbronione w tranzystorze polowym wykonanym z grafenu. Dzięki temu osiągnięciu grafen będzie mógł konkurować z obecnie wykorzystywanym tranzystorami wykonanymi w technologii CMOS. Na jaw zaczęły wychodzić coraz to nowe właściwości grafenu. Okazało się, że jest on świetnym przewodnikiem ciepła, a jeśli proces ten wspomożemy... falą dźwiękową, to grafen będzie przewodził ciepło 10-krotnie bardziej wydajnie niż miedź czy złoto. W maju bieżącego roku donieśliśmy, że grafen świetnie współpracuje z DNA, a w czerwcu uczeni na bazie grafenu skonstruowali nowy materiał i nazwali go grafanem. Okazało się również, że grafen może zrewolucjonizować medycynę, gdyż ma właściwości antyseptyczne i nadaje się do produkcji bandaży, opakowań do żywności czy antyzapachowych wkładek do butów. W końcu, przed miesiącem, poinformowaliśmy, że grafen jest... najszybciej obracającym się znanym obiektem, gdyż jego fragment może kręcić się z prędkością miliona obrotów na sekundę, a to dopiero początek jego możliwości. W najbliższym czasie z pewnością będziemy mogli przeczytać kolejne doniesienia o niezwykłym grafenie, a w nadchodzących latach zobaczymy, jak grafen zmienia otaczającą nas rzeczywistość.
-
Bruce Kane z University of Maryland przeprowadził eksperyment, który wykazał, że najszybciej obracającym się znanym nam obiektem jest... fragment grafenu. W komorze próżniowej jest on w stanie wykonać 60 milionów obrotów w ciągu minuty. Kane rozpylił w komorze próżniowej mikrometrowej wielkości naładowane fragmenty grafenu. Za pomocą oscylujących pól elektrycznych utrzymał je uniesione. Później wprawił je w ruch za pomocą spolaryzowanego promienia światła. Fragmenty zaczęły kręcić się z prędkością miliona obrotów na sekundę - najszybciej ze wszystkich znany obiektów makroskopowych. Wcześniejszy rekord należał do kryształów obracających się z prędkością 30 000 razy na sekundę. Grafen może osiągać olbrzymie prędkości obrotowe dzięki swojej olbrzymiej wytrzymałości. To właśnie ona powoduje, że siła odśrodkowa nie rozrywa grafenu. Co więcej, jak twierdzi Kane, biorąc pod uwagę jego szacowaną wytrzymałość, grafen mógłby obracać się... tysiąc razy szybciej. Amerykański naukowiec uważa, że wykorzystana przez niego technika może posłużyć zarówno do badania właściwości grafenu, jak i jego wytwarzania. Podczas bardzo szybkich obrotów materiał rozciąga się, co pozwoli na obserwowanie interesujących właściwości i zjawisk fizycznych.
-
Grafen wydaje się być materiałem jutra. Dopiero niedawno odkryto, jak produkować go metodami przemysłowymi, a pomysły i koncepcje na jego wykorzystanie w elektronice, czy nanotechnologii trudno zliczyć. A będzie ich jeszcze więcej, ponieważ nie tylko sam grafen obiecuje wielorakie zastosowania, trwają prace nad jego modyfikacjami i materiałami pokrewnymi. Jak wiadomo, grafen to płachta z atomów węgla ułożonych jedną warstwą, heksagonalną strukturą przypominająca plaster miodu. Grubość jednego atomu nadaje jej różne ciekawe właściwości. Można je zmieniać, na przykład wprowadzając do jego struktury atomy innych pierwiastków, albo powlekając go inną warstwą. W taki sposób - poprzez nałożenie na obie strony grafenowej płachty atomów wodoru - powstaje inny materiał: grafan, złożony z trzech jednoatomowych warstw. Materiał taki z przewodnika staje się izolatorem. Ale to nie koniec pomysłów. Boris Yakobson, wykładowca inżynierii mechanicznej i materiałowej i chemii na Uniwersytecie Williama Rice'a odkrył bardzo ciekawe właściwości grafanu. Zaproponowana przez niego modyfikacja to usunięcie pojedynczych atomów wodoru lub ich grup z obu stron materiału. „Dziury" takie zawsze zachowują kształt sześciokąta i wyraźne granice. Co ważniejsze, stają się w ten sposób kwantowymi kropkami, których parametry można dokładnie dobierać poprzez zmianę ich rozmiaru. Kwantowe kropki to krystaliczne cząstki o rozmiarach atomowych, reagujące na światło i pole magnetyczne w unikatowy sposób. Mogą służyć na przykład jako czujniki chemiczne, pułapki na pojedyncze, określone cząsteczki, jako ogniwa słoneczne, nanoukłady, itp. Jednym zdaniem: otwierają szerokie pole dla nowatorskich technologii w nanoskali. Zaproponowany przez prof. Yakobsona sposób ich wytwarzania byłby małą rewolucją. Możliwość dokładnego dostosowywania ich parametrów, a więc właściwości, dałaby olbrzymie możliwości konstruowania nowych materiałów i urządzeń. Prawdopodobnie byłby to najlepszy materiał do tworzenia kwantowych kropek. Jego wyjątkowe właściwości optyczne już są brane pod uwagę przy projektowaniu układów optoelektronicznych, czy półprzewodnikowych laserów. Niestety, na razie są to konstrukcje teoretyczne, nie ma bowiem gotowej technologii precyzyjnego usuwania atomów wodoru z grafanowej matrycy. Jednak Abhishek Singh i Evgeni Penev, współautorzy pracy na ten temat, uważają, że nie jest to problem. Stworzenie odpowiedniej technologii to ich zdaniem jedynie kwestia czasu i zajęcia się tematem, zwłaszcza, że cel jest określony. Eksperymenty już są przeprowadzane w kilku ośrodkach i choć autorzy pomysłu nie są w stanie powiedzieć, kiedy ich koncepcja zostanie wcielona w życie, uważają, że to niedługo.
-
Grafen, który ma w przyszłości zmienić oblicze elektroniki, jest bardzo trudny w produkcji. Wkrótce może się to zmienić, dzięki najnowszym osiągnięciom zespołu z Rice University i Izraelskiego Instytutu Technologii Technion. Profesor Matteo Pasquali z Rice, który przewodził grupie badaczy, mówi: Istnieją wydajne metody produkcji tlenku grafenu, który nie jest tak dobrym przewodnikiem jak grafen, oraz mało wydajne metody produkcji czystego grafenu. Nasza metoda pozwalana wytworzenie bardzo czystego materiału i korzysta z wydajnego procesu produkcyjnego, od dawna używanego w przemyśle chemicznym. Naukowcy stwierdzili, że grafit można rozpuszczać w kwasie chlorosiarkowym i szukali nowych metod pomiaru właściwości takiego roztworu. W trakcie prac okazało się, że kwas spowodował, iż z grafitu spontanicznie oddzieliły się warstwy tworzącego go grafenu. Dalsze prace pozwoliły na rozpuszczenie aż dwóch gramów grafenu w litrze kwasu, co oznacza co najmniej 10-krotnie większą wydajność pozyskiwania grafenu, niż w dotychczas stosowanych metodach. Następnie, by zbadać jakość grafenu, uczeni wynaleźli nowatorką technikę kriogeniczną, potrzebną do obrazowania warstw grafenu w kwasie za pomocą mikroskopu elektronowego. Badania wykazały wysoką czystość uzyskanego materiału. Następnie udało się uzyskać z niego przezroczyste warstwy, które przewodziły prąd. Te mogą posłużyć do produkcji wyświetlaczy dotykowych, tańszych niż obecnie używane urządzenia. Jakby tego było mało, naukowcom udało się również wyprodukować ciekłe kryształy. Jeśli potrafisz zrobić ciekłe kryształy, możesz wyciągnąć włókna. W ciekłych kryształach poszczególne warstwy układają się w domeny, a mając informacje na temat ich ułożenia możesz wykorzystać krawędzie materiału do tworzenia włókien - mówi James Tour, jeden z autorów badań. Teraz pozostaje mieć nadzieję, że nowo opracowana metoda pozwoli produkować grafenowe włókna na skalę przemysłową.
-
Nie kończą się nowe pomysły i koncepcje na zastosowanie grafenu - pojedynczej warstwy atomów węgla - w nanotechnologii. Do listy jego wielu atrakcyjnych cech trzeba dodać jeszcze jedną: dobrze współpracuje z DNA. Stworzenie nowych bioczujników, pozwalających na szybkie i bezbłędne identyfikowanie przyczyn chorób, to zajęcie wielu naukowców i laboratoriów na świecie. Narodowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku, należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Princeton osiągnęły w tej dziedzinie wymierny sukces, łącząc grafen z ludzkim DNA. Podczas badań okazało się, że pojedyncza spirala DNA silnie i trwale łączy się z powłoką grafenową. To podsunęło myśl do sporządzenia czujnika, wykrywającego konkretne DNA w badanych próbkach. Pojedyncza spirala DNA z genu poszukiwanego czynnika chorobotwórczego jest umieszczana na powierzchni grafenu. Ponieważ naturalnym stanem cząstek DNA jest podwójna spirala, oddzielona nitka „poszukuje" odpowiadającej sobie pary. Zatem kiedy taki czujnik zanurzymy w krwi, lub innym płynie ustrojowym, umocowana na grafenie pojedyncza nić DNA będzie działać jak bardzo wybiórczy haczyk, łapiący swój odpowiednik. Jeśli poszukiwany czynnik „złapie przynętę" i przyczepi się do czujnika, ten generuje sygnał, który można zarejestrować. Sprawdzono, jaka jest czułość i wybiórczość projektowanego bioczujnika. Podczas prób z dołączanymi do wolno pływających nici DNA fluorescencyjnymi molekułami wykazano, że „łapanie" dokładnie poszukiwanych fragmentów jest dwukrotnie silniejsze niż łapanie fragmentów jedynie podobnych, które mogłyby fałszować wyniki. Zbadano też trwałość takiego czujnika - i tu dokonano kolejnego rewelacyjnego odkrycia. Okazało się, że grafen stanowi doskonałą ochronę nici DNA. Podczas prób z DNAzą - enzymem trawiącym DNA - okazało się, że podczas gdy wolno pływające nici są rozkładane natychmiast, nici DNA przytwierdzone do grafenowej powierzchni unikają zniszczenia przez 60 minut. Prostota działania i wykonania, oraz wysoka trwałość i skuteczność mogą sprawić, że rozpowszechnienie się tego typu czujników stanie się przełomem w diagnostyce medycznej. Nie koniec to jednak planów zespołu badawczego związanych z odkrytymi właściwościami grafenu. Skoro grafen tak dobrze współdziała z DNA, chcą poszukać sposobu na jej wykorzystanie do dostarczania leków bezpośrednio do chorych komórek, a może nawet wykorzystanie jej w terapii genowej.
-
W 2008 roku profesor Alexander Balandin z University of California Riverside wykazał, że pojedyncza warstwa niedawno odkrytego grafenu jest świetnym przewodnikiem ciepła. Zrodziło to nadzieję na wykorzystanie grafenu do chłodzenia układów scalonych, jednak dotychczas pozostawało to w sferze projektów z powodu olbrzymich trudności związanych z produkcją dużych, wolnych od wad fragmentów grafenu o grubości pojedynczego atomu. Teraz, w artykule opublikowanym w Nature Materials ukazał się artykuł, w którym Baladin i jego zespół informują, że warstwa grafenu o grubości wielu atomów, a taką jest łatwiej wyprodukować, równie dobrze przewodzi ciepło. Przy okazji badań dokonano znaczących odkryć, dzięki którym wyjaśnili, jak materiał przewodzi ciepło gdy ma grubość jednego atomu i jakie zmiany w przewodnictwie zachodzą w materiale wielokrotnie grubszym. To z kolei może pomóc w skutecznym usuwaniu ciepła z układów scalonych. Zdaniem Balandina grafenu można użyć w połączeniu z krzemem. Co prawda uczony twierdzi, że obecnie nie jesteśmy w stanie produkować jego dużych ilości, ale prace badawcze szybko postępują i w ciągu roku lub dwóch sytuacja może zmienić się diametralnie. Początkowo, jego zdaniem, grafen będzie stosowany w bardzo ograniczonym zakresie, np. w obudowach układów scalonych czy w roli przezroczystych elektrod w ogniwach fotowoltaicznych. Jednak w ciągu pięciu lat może trafić do samych układów scalonych, gdzie zostanie użyty do tworzenia połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami czy jako wymiennik ciepła.
-
Boris Yakobson, fizyk z Rice University, i jego studenci opracowali teoretyczny model pokazujący, że fale dźwiękowe wędrujące w grafenie mogą wspomagać chłodzenie układów elektronicznych. Z dokonanych obliczeń wynika, że grafen może transportować energię cieplną w postaci fali. Można do jej transportu wykorzystać falę dźwiękową, która w grafenie wędruje szybko i daleko, a umożliwiałaby sprawne usuwanie nadmiaru ciepła. Oczywiście, jak zauważa Yakobson, skala jest tak mała, iż człowiek nie słyszałby żadnych dźwięków. Współautor opracowania, Enrique Munoz, stwierdza, że dzięki szczególnym właściwościom fononów - dźwiękowych odpowiedników fotonów - grafen może aż 10-krotnie bardziej wydajnie przewodzić ciepło niż miedź czy złoto. Naukowcy zauważają, że nie wystarczy po prostu przesłać fali dźwiękowej przez grafen. Trzeba dokładnie określić w jaki sposób ciepło w nim wędruje i tam, gdzie ma ono opuścić układ chłodzący, konieczne jest zastosowanie ośrodka gazowego lub ciekłego, w którym się rozproszy. W przeciwnym razie fala się odbije. Dlatego też swój teoretycznie opracowany system porównują do ciepłowodów
-
Grafen - strukturalną odmianę węgla tworzącą warstwy o grubości zaledwie jednego atomu, odkryto zaledwie sześć lat temu. Od tego czasu zrewolucjonizował on wiele kierunków nauki i techniki i wydaje się być najbardziej obiecującym i uniwersalnym materiałem przyszłości. To z niego tworzą się słynne fulereny, czy węglowe nanorurki. Jak się okazuje, do badań nad jego właściwościami można będzie wykorzystać efekt mory. Prążki mory (moiré) to efekt powstający w wyniku nałożenia na siebie dwóch regularnych wzorów, które są względem siebie przesunięte lub obrócone o niewielki kąt. W naturze możemy go obejrzeć na przykład nakładając na siebie dwa sitka, albo dwie firanki i poruszając nimi - powstaje wtedy trzeci, regularny wzór. Widać ją też na ekranie telewizora, gdy ktoś ma na sobie ubranie w drobną kratkę, albo jodełkę. Mora często jest utrapieniem dla grafików, pojawiając się przy skanowaniu, drukowaniu materiałów, fotografii cyfrowej, czy komputerowej obróbce grafiki. Efekt mory, który jest w zasadzie po prostu zakłóceniem - interferencją, można jednak wykorzystać, przykładowo znając wzór jednej warstwy i analizując wzór tworzony przez morę można wydedukować wzór drugiej warstwy. Tę sztuczkę postanowili wykorzystać w praktyce naukowcy z amerykańskiego Instytutu Technologii stanu Georgia i Narodowego Instytutu Standardów i Technologii. Grafen, który jest płaską, bo o grubości jednego atomu, warstwą węgla, doskonale się do tego nadaje, ponieważ tworzy regularny, sześciokątny wzór. Jeśli nałożymy go na drugą warstwę grafenu, albo innego materiału o regularnej budowie, to każde odkształcenie powierzchni, przesunięcie, przekręcenie czy wygięcie - poskutkuje powstaniem w tym miejscu interferencyjnych prążków mory. Badacze stworzyli w tym celu warstwy grafenu na powierzchni węglika krzemu (inaczej zwanego karborundem). Uzyskano ją przez jednostronne podgrzewanie karborundu: usunęło to krzem i pozostawiło same atomy węgla. Przy wykorzystaniu tunelowego mikroskopu skaningowego można było obserwować nałożone na siebie warstwy grafenu i rejestrować prążki mory powstające przy najmniejszych zmianach zachodzących w obserwowanej strukturze (zobacz ilustrację). Nazwano ten sposób „atomową interferometrią mory". Wykorzystana w badaniu technika pomiarowa jest tak dokładna, że pozwala wykryć odkształcenia rzędu 0,1% w odległościach pomiędzy atomami węgla. Projekt był częścią badań mających na celu dokładne poznanie właściwości grafenu, który w przeciwieństwie do innych materiałów nie rozciąga się, lecz raczej marszczy podczas zmian temperatury. Opracowana „atomowa interferometria mory" pozwoli np. na dokładne analizowanie i śledzenie przebiegu ładunków elektrycznych, czy rozchodzenia się ciepła i stanowić będzie wyśmienite narzędzie podczas prac nad stworzeniem grafenowych układów elektronicznych. Przydatna może być również do wykrywania i badania mikroskopowych naprężeń w innych materiałach. Autorami pracy na ten temat są D. Miller, K. Kubista, G. Rutter, M. Ruan, W. de Heer, P. First oraz J. Stroscio, pracownicy National Institute of Standards and Technology oraz Georgia Institute of Technology.
-
Badacze IBM-a zaprezentowali najszybszy tranzystor grafenowy na świecie. Urządzenie pracuje z częstotliwością 100 GHz i powstało w ramach finansowanego przez DARPA programu Carbon Electronics for RF Appplications (CERA), którego zadaniem jest opracowanie urządzenie komunikacyjnych kolejnej generacji. Grafenowy tranzystor został wyprodukowany za pomocą technologii kompatybilnej z obecnie używanymi technikami produkcji elektroniki krzemowej, co oznacza, że stosunkowo łatwo będzie można wdrożyć go do masowej produkcji. Od dłuższego już czasu wiadomo, że grafen jest niezwykle obiecującym materiałem, w którym elektrony poruszają się znacznie szybciej niż w krzemie. Teraz udało się udowodnić, że z grafenu można tworzyć bardzo wydajne podzespoły. Tranzystor powstał dzięki technice sublimacji krzemowej, za pomocą której niedawno stworzono 100-milimetrowy plaster grafenowy. Tranzystor IBM-a korzystał z metalowej bramki, polimerowego izolatora i tlenku o wysokiej stałej dielektrycznej. Był dość spory, gdyż długość bramki wynosiła aż 240 nanometrów, co oznacza, że możliwy jest dalszy postęp. Jednak najbardziej istotny w pracach IBM-a jest fakt, że, pomimo iż tranzystory grafenowe dopiero raczkują, już pracują z wyższą częstotliwością, niż układy krzemowe o tej samej długości bramki. W krzemie udało się bowiem osiągnąć około 40 GHz.
-
Specjaliści z IBM-a otworzyli pasmo wzbronione w tranzystorze polowym (FET) wykonanym z grafenu, pokonując tym samym jedną z ostatnich przeszkód na drodze do skomercjalizowania grafenowej elektroniki. Ich grafenowy FET, jak zapewniają, będzie w przyszłości mógł konkurować z tranzystorami CMOS. W grafenie w sposób naturalny nie występuje energetyczne pasmo wzbronione, które jest potrzebne do większości zastosowań elektronicznych. Możemy ogłosić, że otworzyliśmy pasmo o wartości do 130 meV w naszym dwuwarstwowym grafenowym tranzystorze polowym. Z pewnością można osiągnąć też pasma o wyższych wartościach - powiedział Phaedon Avouris z IBM-a. Otwarcie pasma pozwala na zastosowanie grafenu w elektronice oraz optoelektronice. Brak pasma wzbronionego w grafenie powoduje, że, pomimo iż ruchliwość elektronów w tym materiale jest znacznie wyższa niż w krzemie, to współczynnik on/off wynosi w nich zaledwie 10, podczas gdy w krzemie jest liczony w setkach. IBM poinformował, że po otwarciu pasma w temperaturze pokojowej udało się osiągnąć w grafenie współczynnik bliski 100, a gdy urządzenie jest schłodzone wzrasta on do 2000. Ekspertom udało się to wszytko osiągnąć głównie dzięki odizolowaniu bramki za pomocą polimeru. To zredukowało rozpraszanie elektronów, prowadząc do zwiększenia współczynnika on/off. Teraz badacze IBM-a rozpoczynają prace nad zmniejszeniem grubości warstwy izolującej, otwarciem szerszego pasma wzbronionego i zwiększeniem współczynnika on/off.
-
W najbliższych tygodniach w Nature ukaże się artykuł Evy Andrei i jej kolegów z Rugers University, w którym opisują odkryte przez siebie nowe właściwości grafenu. W przyszłości ich odkrycie może doprowadzić do powstania wyjątkowo wydajnych urządzeń elektronicznych. Naukowcy zaobserwowali, że elektrony w grafenie mogą silnie ze sobą oddziaływać. Wcześniej jedynie teoretyzowano, iż jest to możliwe. Teraz zjawisko, podobne do nadprzewodnictwa, zaobserwowano w laboratorium. W grafenie zachodzi ono dzięki nowemu stanowi materii, w skład którego wchodzą częściowo naładowane kwazicząsteczki i dochodzi do transportowania ładunku bez jego rozpraszania się. W większości materiałów elektrony mają masę, jednak w grafenie jej nie mają, co kazało wielu naukowcom wątpić, czy w takiej sytuacji uda się zaobserwować silne oddziaływania pomiędzy elektronami. Nasza praca wykazała, że wcześniejsze nieudane próby zaobserwowania skorelowanego zachowania nie były powodowane naturą grafenu - mówi Eva Andrei. Przyczyną były interferencje ze strony materiału, na którym umieszczano grafen oraz próbników wykorzystywanych podczas badań. Do obserwacji zachowania relatywistycznych kwazicząsteczek w grafenie wykorzystano ułamkowy kwantowy efekt Halla. Ma on miejsce, gdy nośniki ładunku poruszają się w dwuwymiarowej przestrzeni i są poddane działaniu pola magnetycznego. Gdy interakcje pomiędzy takimi nośnikami są wystarczająco mocne, dochodzi do powstania nowych kwazicząsteczek o ładunku stanowiącym ułamek ładunku elektronu. Występowanie ułamkowego kwantowego efektu Halla to dowód na silne skorelowane zachowanie naładowanych cząstek. Dotychczas nie było jednak pewne, czy pozbawione masy elektrony będą zachowywały się w ten sam sposób. Odkrycie naukowców z Rutgers University powinno zachęcić innych specjalistów do badań nad grafenem, dowodzą one bowiem, że materiał ten może w przyszłości zastąpić krzem.
-
Na Narodowym Uniwersytecie Singapuru powstały grafenowe układy pamięci. Wykonano je w dość prosty sposób, co przybliża nas do dnia rynkowego debiutu tego typu urządzeń. Uczeni, pracujący pod kierunkiem profesora Barbarosa Özyilmaza, nałożyli na grafen cienką warstwę materiału ferroelektycznego. Materiały takie mają wewnętrzne pole elektryczne, którego kierunek zmienia się po przyłożeniu napięcia. Z kolei zmiana polaryzacji pola ferroelektryka wpływa na zmianę przewodnictwa grafenu, a więc można spowodować, by grafenowa pamięć przybierała wartości "1" i "0". Andre Geim, odkrywca grafenu, zauważa, że metoda jego kolegów z Singapuru jest niesamowita ze względu na swoją prostotę. Ferroelektryki są dobrze poznane. Wiadomo też, że pole elektryczne zmienia oporność grafenu o rząd wielkości. Oni połączyli te dwa dobrze znane fakty - mówi Geim. Grafenowe układy pamięci będą miały olbrzymie zalety w porównaniu z obecnie stosowanymi kośćmi. Pracują około 30-krotnie bardziej wydajnie i umożliwiają znacznie bardziej gęsty zapis danych. Ocenia się, że możliwość współczesnych technologii skończą się przy gęstości rzędu 1 terabita na cal kwadratowy. Wówczas pojedyncze komórki pamięci będą miały wielkość 25 nanometrów, co nie pozwoli na utrzymanie kierunku namagnetyzowania i będzie dochodziło do utraty danych. Tymczasem grafenowe układy poradzą sobie przy komórkach wielkości 10 nanometrów i mniejszych. Nowa prototypowa pamięć została zbudowana z szerokich na 2 mikrometry pasków grafenu, które umieszczono na krzemie. Następnie przyłączono doń złote elektrody, a grafen pokryto ferroelektrykiem. Tak skonstruowany układ charakteryzował się pięciokrotnie krótszym od współczesnych pamięci cyklem odczytu/zapisu. Wiadomo, że jest w stanie wytrzymać 100 000 cykli pracy, podczas gdy obecnie wykorzystywane układy przechodzą ich całe miliony. Dodatkową zaletą prac singapurskich naukowców jest fakt, iż specjaliści wiedzą, dlaczego całość zachowuje się tak, a nie inaczej. To umożliwia dalszy rozwój układów i pozwoli zbadać ich rzeczywistą przydatność w codziennych zastosowaniach. Wcześniej podobne rezultaty osiągały inne zespoły naukowe, jednak przyczyny pewnych zachodzących zjawisk fizycznych były niezrozumiałe, co znakomicie utrudnia prace.
-
Naukowcy z MIT stworzyli eksperymentalny grafenowy powielacz częstotliwości. Urządzenia takie odbierają sygnał elektryczny o danej częstotliwości i zwielokratniają go, dzięki czemu na wyjściu otrzymujemy wyższą częstotliwość. Powielacze są bardzo często stosowane w komunikacji radiowej. Wyprodukowany przez MIT prototyp jest obecnie w stanie dwukrotnie zwiększyć częstotliwość sygnału. Ma jednak olbrzymią przewagą nad już istniejącymi powielaczami. Urządzenia te wymagają bowiem zastosowania licznych podzespołów, które zakłócają sygnał. Zakłócenia te trzeba filtrować, co z kolei wymaga dostarczenia dodatkowej energii. Tymczasem grafenowy powielacz korzysta z pojedynczego tranzystora i tworzy bardzo czysty sygnał, którego nie trzeba filtrować. Szczegóły budowy powielacza zostaną opisane w majowym numerze Electron Device Letters. Już teraz jednak wiadomo, że przed urządzeniem rysuje się niezwykle obiecująca przyszłość. W elektronice ciągle próbujemy zwiększyć częstotliwość, by uzyskać szybsze układy scalone czy szybciej przesyłać sygnały. Ale bardzo trudno jest osiągnąć częstotliwość wyższą niż 4-5 gigaherców - mówi Tomás Palacios, profesor z MIT-u. tymczasem dzięki grafenowi możliwe jest powstanie urządzeń pracujących z częstotliwością od 500 GHz do nawet 1 teraherca. Jako, że do produkcji nowego powielacza wykorzystuje się standardowe techniki przemysłu półprzewodnikowego, grafenowe urządzenia mogą znaleźć się na rynku już w ciągu najbliższych dwóch lat.
-
Jednym z paliw dla samochodów przyszłości może być wodór. Jednak, zanim będzie on powszechnie używany, trzeba opracować tanie technologie jego produkcji, dystrybucji i przechowywania w ogniwach paliwowych pojazdów. Dzięki pracom greckich naukowców już wkrótce może powstać ekonomicznie opłacalne ogniwo wodorowe. Amerykański Departament Energii informuje, że obecnie najdoskonalsze materiały wykorzystywane do produkcji ogniw paliwowych są w stanie przechowywać zaledwie 2% wodoru. Amerykanie szacują, że samochodowe ogniwo paliwowe będzie opłacalne dopiero wówczas, gdy wodór będzie stanowił 6% jego wagi. Georgios Froudakis i jego zespół z uniwersytetu na Krecie poinformowali, że z symulacji komputerowych wynika, iż ogniwo zbudowane z warstw grafenu połączonych za pomocą węglowych nanorurek byłoby w stanie przechować 6,1% wodoru. Obecnie inny Grek, Dimitrios Gournis z holenderskiego uniwersytetu w Groningen zaczął konstruować takie ogniwo. Stworzył już strukturę składającą się z 40 warstw grafenu połączonych za pomocą fullerenów. Do końca bieżącego roku fullereny zostaną zastąpione nanorurkami. Następnie struktura zostanie napełniona wodorem i zbadana. Jeśli wyliczenia zespołu Froudakisa się potwierdzą, pokonamy jedną z najpoważniejszych przeszkód na drodze do powstania samochodów o napędzie alternatywnym wobec paliw kopalnych.