Znajdź zawartość

Pojawienie się materiałów grubości jednego atomu, a zatem dwuwymiarowych, zrewolucjonizuje elektronikę i technologie związane z przechowywaniem energii. Taka rewolucja jest możliwa dzięki ostatnim pracom uczonych z Oxford University i Trinity College Dublin. Naukowcy odkryli metodę na tworzenie dwuwymiarowych płacht z najróżniejszych materiałów. Nowa metoda jest prosta, szybka i tania oraz nadaje się do zastosowania na skalę przemysłową. Obecnie najbardziej znanym materiałem o grubości pojedynczego atomu jest grafen. Każda milimetrowa warstwa grafitu składa się z około 3 milionów warstw grafenu. Ze względu na swoje niezwykłe właściwości elektryczne grafen przyciągnął uwagę całego świata, a jego wynalazcy otrzymali Nagrodę Nobla - mówi doktor Valeria Nicolosi z Oxford University, która wraz z profesorem Jonathanem Colemanem z Trinity College kierowała zespołem badawczym. W rzeczywistości setki innych materiałów składają się z warstw i umożliwią nam stworzenie potężnych nowych technologii - dodaje. Profesor Coleman zauważa, że właściwości chemiczne i elektroniczne tych nowych materiałów powodują, że świetnie nadają się one do tworzenia nowych urządzeń elektrycznych, niezwykle wytrzymałych kompozytów, można je wykorzystać do tworzenia i przechowywania energii. Tego typu materiałów znamy w tej chwili ponad 150. Są wśród nich azotek boru, disiarczek molibdenu czy disiarczek wolframu. Wszystkie one, w zależności od składu chemicznego i ułożenia atomów, mogą mieć właściwości metaliczne, półmetaliczne czy półprzewodzące. Uczeni od dawna próbowali uzyskać z nich warstwy grubości pojedynczych atomów, jednak wszelkie proponowane metody były niezwykle drogie, praco- i czaso chłonne, a uzyskany materiał był bardzo nietrwały i nie nadawał się do większości zastosowań. Nasza metoda jest tania i wysokowydajna. W ciągu kilku godzin, mając do dyspozycji 1 miligram materiału wyjściowego możemy stworzyć miliardy nanopłacht - mówi doktor Nicolosi. Uzyskane płachty można następnie natryskiwać na różne podłoża, w tym na krzem.

Uczeni z University of Manchester wpadli na pomysł, który przybliża moment praktycznego wykorzystania grafenu do budowy komputerów. Grafen jest bardzo obiecującym materiałem, ale sprawia on spory kłopot, gdy... przewodzi elektrony zbyt dobrze. To powoduje, że dochodzi do olbrzymich wycieków prądu z grafenowych urządzeń. Co prawda specjaliści zaprezentowali już pojedyncze grafenowe tranzystory, które pracują z częstotliwością nawet do 300 GHz, ale wycieki prądu powodują, że tranzystory takie nie mogą być zbyt gęsto upakowane. Natychmiast uległyby bowiem stopieniu. Naukowcy z Manchesteru zaproponowali interesujące rozwiązanie problemu. Ich zdaniem należy stworzyć grafenową diodę tunelującą. W diodzie takiej elektrony tunelują się pomiędzy metalicznymi warstwami za pośrednictwem rozdzielającego je dielektryka. Doktor Leonid Ponomarenko, który stał na czele zespołu badawczego, mówi: Stworzyliśmy projekt nowej grafenowej elektroniki. Nasze tranzystory pracują dobrze. Myślę, że można je jeszcze udoskonalić, zminiaturyzować i przystosować do pracy z zegarami taktowanymi z częstotliwościami subterahercowymi. Nowe podejście zakłada połączenie warstw grafenu, azotkuboru i disiarczku molidenu. Tranzystory układa się warstwa po warstwie. Profesor Geim, jeden z wynalazców grafenu, mówi, że projekt takiego tranzystora to bardzo ważne wydarzenie, ale jeszcze ważniejsze jest prawdopodobnie wykazanie, iż można w skali atomowej układać warstwy. Drugi wynalazca grafenu, profesor Novoselov dodaje, iż tranzystor tunelowy to jeden z niewyczerpanej gamy urządzeń, które mogą powstać za pomocą układania warstwami.

Grafen to niezwykle obiecujący materiał, jednak jest bardzo wrażliwy na działanie czynników zewnętrznych, które mogą negatywnie wpływać na jego użyteczne właściwości. Dlatego też niezwykle ważnym jest znalezienie podłoża pozwalającego na pracę z grafenem i zachowanie jego interesujących nas cech. Nawet samo podłoże może niekorzystanie wpłynąć na grafen. Naukowcy z Wydziału Nauk materiałowych Lawrence Berkeley National Laboratory oraz profesorowie z University of California, Berkeley, połączyli siły w celu znalezienia najlepszego substratu dla grafenu. Każdy substrat wpływa na właściwości grafenu, zatem najlepszą metodą jego badania jest nałożenie go na substrat. Problem jednak w tym, że taki grafen jest niestabilny gdy zostanie poddany badaniu skaningowym mikroskopem tunelowym, gdyż grafenowa membrana może zacząć drgać pod wpływem końcówki mikroskopu - mówi Regis Decker z uniwersytetu w Hamburgu. W listopadzie ubiegłego roku naukowcy z Columbia University poinformowali, że grafen osadzony na podłożu z azotku boru cechuje się znacznie lepszą mobilnością elektronów niż grafen na dwutlenku krzemu. Dobry substrat dla grafenu powinien mieć szerokie pasmo wzbronione i nie powinien mieć wolnych wiązań, by nie zmieniać struktury elektronicznej grafenu. Musi być też bardzo płaski. Azotek boru to dobry kandydat - dodaje Decker. Związek ten ma i tę pożądaną cechę, że ułożenie atomów azotu i boru jest bardzo podobne do ułożenia węgla w grafenie. W celu połączenia grafenu z azotkiem boru najpierw za pomocą taśmy klejącej pobrano z azotku boru cienkie płatki, które osadzono na dwutlenku krzemu wyhodowanym na krzemie wzbogaconym innym pierwiastkiem. Działał on jak bramka. Grafen uzyskano metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej na miedzi. Dzięki zastosowaniu Cu atomy węgla samodzielnie uformowały dwuwymiarową strukturę. Następnie grafen przeniesiono za pomocą miękkiego plastiku na azotek boru i uziemiono za pomocą elektrody z tytanku złota. Stworzono w ten sposób trzy próbki grafenu na azotku boru, który porównywano z grafenem na dwutlenku krzemu. Michael Crommie, szef jednej z grup badawczych wspomina, że już poprzednio testowano grafen na SiO2 i udowodniono, że gorsze od możliwych właściwości elektryczne grafenu nie wynikają z niedoskonałości czy uszkodzeń węglowej struktury, ale z zanieczyszczeń występujących w krzemie. Jednym z ich źródeł są zanieczyszczenia uwięzione pomiędzy grafenem a krzemem, podczas nakładania grafenu. Są wśród nich bąbelki powietrza czy molekuły wody. Gdy nakładaliśmy grafen na azotek boru szukaliśmy tych atmosferycznych zanieczyszczeń, ale nie stwierdziliśmy, by wywierały one jakiś wpływ. To dobra wiadomość, bo oznacza ona, że grafenowe urządzenia nie muszą być wykonywane w próżni - stwierdza Victor Brar. Szczegółowe badanie ujawniły szereg różnic pomiędzy grafenem na azotku boru i na dwutlenku krzemu. Grafen osadzony na pierwszym z tych materiałow jest znacznie bardziej płaski, a różnice w wysokości poszczególnych fragmentów nie przekraczają 40 pikometrów, gdy tymczasem w grafenie na dwutlenku krzemu sięgają one 1200 pikometrów. Pod względem elektronicznym różnice w gęstości ładunku w grafenie na azotku boru są niemal niezauważalne. Jak widać na załączonych grafikach, wyniki obu pomiarów - topograficznego i elektronicznego - są znacznie bardziej jednorodne w przypadku grafenu na azotku boru. W końcu bardzo istotna cecha, jaką jest pasmo wzbronione, które, przypomnijmy, naturalnie w grafenie nie występuje. Jako że siatka krystaliczna [azotku boru - red.] jest bardzo podobna do siatki grafenu, teoretycy przewidują, że powoduje ona pojawienie się pasma wzbronionego w grafenie - mówi Decker. System złożony z grafenu i azotku boru jest w wielu zastosowaniach znacznie lepszy od każdego innego systemu. Charakteryzuje się mniejszą liczbą zanieczyszczeń, znacznie bardziej równomiernym rozłożeniem ładunku, mniejszymi różnicami w wysokości i dużo lepszą stabilnością. Podsumowując, jest czystszym środowiskiem do badania właściwości grafenu. Azotek boru to naprawdę cudowny materiał dla praktycznych zastosowań grafenu - powiedział Michael Crommie.