Nanoszabászat, spintronika és magányos okoshűtők – mit adhat nekünk a grafén?

A grafén a szén alig több mint egy évtizede felfedezett módosulata, melyet hihetetlen mechanikai és elektromos tulajdonságai miatt a jövő egyik legígéretesebb szerkezeti és nanoelektronikai anyagának tartanak. Hasznos ragasztószalagokról, nanoszabászatról és a jövő elektronikájáról beszélgettünk az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben működő Nanoszerkezetek Laboratórium vezetőjével, Biró László Péterrel.

A szénmódosulatok rövid története

A kémikusok a nyolcvanas évek közepén jöttek rá: a szénatomok nemcsak úgy tudnak egymáshoz kapcsolódni, hogy a jól ismert gyémántot vagy grafitot alkossák, hanem nanoméretű (vagyis a méter egymilliárdod részének mérettartományába eső) gömböcskék – fullerének – is összeállhatnak belőlük. A kilencvenes években felfedezték, hogy ezeknek a gömböknek nem kell feltétlenül bezáródniuk, s így a fullerének mellett szén nanocsövek is keletkezhetnek.

Szén nanocső szálak  Forrás: CSIRO
Szén nanocső szálak

A fullerénekben rejlő lehetőségek főként a vegyészek és biokémikusok számára voltak érdekesek, a szén nanocsövek hihetetlen szakítószilárdsága és különleges áramvezetési tulajdonságai viszont már inkább a fizikustársadalmat hozták lázba. Biró László Péter fizikusként ekkor – azaz a kezdetek kezdetén -kapcsolódott be a terület kutatásába. Lassacskán kiderült azonban, hogy hiába izgalmasak ezek az atomi méretű csövecskék, még laboratóriumi körülmények között is rendkívül nehéz nanométeres pontossággal bármit is összeállítani belőlük – sorozatgyártásról pedig álmodni sem érdemes.

A szén nanocsövek megmaradtak hát a teniszütők, biciklivázak és szélerőmű-lapátok szerkezeti anyagainak, és csöndben várják azt a kort, amikor a nanotechnológia eljut arra a szintre, hogy más felhasználási területeik is megnyíljanak.

Két orosz kutató esete a ragasztószalaggal

Mielőtt azonban a szénnel foglalkozó anyagtudósok végképp átnyergeltek volna valamilyen barátságosabb atomra, jött két orosz, akik megmutatták, hogy igenis van élet a nanocsövek után:Konsztantyin Novoszjolovnak és Andre Geimnek egy pofonegyszerű módszerrel sikerült egyetlen atomnyi vastagságú szénlemezt előállítani.

„Huszonöt éve használtunk közönséges ragasztószalagot arra, hogy tiszta grafitfelületet állítsunk elő – de a grafittömbről a szalaggal letépett rétegeket mindig eldobtuk. Novoszjolov és Geim azonban ezzel a haszontalannak tartott hulladékkal kezdett el dolgozni” – mondta el az MTA Energiatudományi Kutatóközpont Nanoszerkezetek Laboratóriumának vezetője, Biró László Péter. Addig téptek le újabb és újabb rétegeket a ragasztószalagon maradt grafitpelyhekről, míg végül mindössze néhány atomnyi vastagságú réteg nem maradt, ezt pedig rányomták egy megfelelően oxidált szilícium-egykristály felszínére. A fény hullámhosszával összemérhető anyagrétegek esetében fellépő, úgynevezett vékonyréteg-interferencia (ezért szivárványszínű például az olajfolt) segítségével pedig sikerült kimutatniuk, hogy ezzel a meglepően egyszerű módszerrel valóban egyetlen atom vastagságú szénlemezeket, vagyis grafént állítottak elő a szilícium-dioxid-réteg felszínén.

Konsztantyin Novoszjolov és Andre Geim ajándéka a stockholmi Nobel Múzeumnak: grafittömb, grafén tranzisztor és egy ragasztószalag-tépő
Konsztantyin Novoszjolov és Andre Geim ajándéka a stockholmi Nobel Múzeumnak: grafittömb, grafén tranzisztor és egy ragasztószalag-tépő

Mindez 2010-re elvezetett a világtörténelem egyik legkülönlegesebb Nobel-díjához: a grafén előállításában jeleskedő két díjazott egyike, Konsztantyin Novoszjolov mindössze 36 éves volt, Andre Geim pedig ekkorra már magáénak tudhatta a „Bolond-Nobel”-nek is nevezett Ignobel-díjat -, méghozzá egy olyan kísérletért, melynek során elektromágneses térben élő békát lebegtetett. A fizikustársadalom, miután túltette magát a sokkon, hogy egy kölyökkorú kolléga, meg egy békalebegtetős fickó a titkárnő celluxával ellopta a show-t, gyorsan bebizonyította, hogy grafén valóban létezhet – sokáig tartotta magát ugyanis az a vélekedés, hogy ez elméleti okokból lehetetlen -, és Novoszjolovék módszeréből kiindulva megkezdődhetett az anyag tüzetes vizsgálata.

A szuperanyag titkai

A grafénban – amely gyakorlatilag a grafit egyetlen atom vastagságú rétegeként képzelhető el, úgy, mintha egy pakli kártyából kihúznánk egyetlen lapot – a szénatomok mindig három szomszédos szénatomhoz kapcsolódnak, hatszöges rácsot alkotva. A szénatomok egy-egy vegyértékelektronja nem vesz részt kovalens kötésben, ezek adják a grafit és a grafén elektromos vezetőképességét. A szén-szén kovalens kötések igen erősek, így rendkívüli rugalmasságot és mechanikai stabilitást adnak a grafénnak.

A grafén elméleti vizsgálata és számítógépes szimulációk során meglepő tulajdonságait azonosították. Kiderült, hogy a grafénban a töltéshordozók tömeg nélkülinek tekinthetők, vagyis a kvázirészecskék a fénykvantumok, a fotonok viselkedéséhez hasonlóan terjednek a szénrács síkjában, a fénysebesség háromszázad részével. A grafén fizikája izgalmas alkalmazásokkal kecsegtetett, azonban sokáig csak papíron létezett. Ezért jelentett nagy áttörést Novoszjolov és Geim eredménye, melynek nyomán kísérletileg is igazolták a várt tulajdonságokat, és megnyílt az út az alkalmazások felé.

Hogyan gyártsunk grafént?

Elég gyorsan világossá vált, hogy a Nobel-díjat érő ragasztószalagos-tépkedős módszer legfeljebb kicsiny, a felfedező kutatásokat megalapozó vizsgálatokhoz alkalmas minták előállítására elég. Így aztán két irányból közelítették meg a problémát. Az egyik módszerrel magas hőmérsékletű gáztérből szénatomokat juttatnak egy sík felületre, és ezekből áll össze a grafén. Ezt a módszert kémiai gőzfázisú leválasztásnak nevezik (chemical vapor deposition, CVD). A másik irány módszerei is kémiai reakciókon alapulnak – a grafitról választanak le egy atom vastagságú rétegeket, hiszen a grafit voltaképpen nem más, mint párhuzamos grafénrétegek sokasága.

Utóbbiak elvükben hasonlítanak a ragasztószalagos eljárásra, és sajnos eredményükben is: igen kis méretben jól használható mintákat adnak, de nagy, egybefüggő grafénlemezek nem állíthatók így elő. További hátrányuk, hogy a kémiai „hasogatás” hibákat eredményez a grafénlemezkékben; óriási előnyük viszont a módszer olcsósága és nagy termelékenysége.

A CVD-eljárás során az átmeneti fémek, például réz, sík felületére juttatott szénatomokból viszont nem egyetlen, egységes grafénlemez áll össze, hanem folytonos síkot képező grafénszigetek – szemcsék – sokasága, amelyek szabálytalan határvonalakkal kapcsolódnak egymáshoz. A grafén rendkívüli elektromos vezetőképességi tulajdonságai ezeken a határvonalakon – a szemcsehatárokon – azonban igencsak leromlanak.

Töltéshordozók áthaladása rendezetlen grafén szemcsehatáron (balra fent: szemcsehatár szerkezeti modellje) számítógépes szimulációban.  A töltéseket a szemcsehatár jobb oldalára injektáljuk a sötét körrel körülölelt pontba ( a körön belül és azon kívül eltérő megjelenítési szabályok érvényesek). Jól látható, hogy a piros körökkel jelölt vakanciák környezetében a töltések lokalizálódnak és a szemcsehatár akadályozza a töltések áthaladását az ábra bal oldalára.
Töltéshordozók áthaladása rendezetlen grafén szemcsehatáron (balra fent: szemcsehatár szerkezeti modellje) számítógépes szimulációban. A töltéseket a szemcsehatár jobb oldalára injektáljuk a sötét körrel körülölelt pontba (a körön belül és azon kívül eltérő megjelenítési szabályok érvényesek). Jól látható, hogy a piros körökkel jelölt vakanciák környezetében a töltések lokalizálódnak, és a szemcsehatár akadályozza a töltések áthaladását az ábra bal oldalára

A grafén-szigetvilág erényei

„A grafénsziget belsejében haladó elektront úgy képzelhetjük el, mintha egy üres, nyílegyenes folyosón mennénk előre. Egyszer csak elérkezünk egy csúnyán feltúrt építési területhez, majd ismét kievickélünk egy nyílegyenes folyosóra. Ilyenek a szigetek határai” – magyarázza Biró László Péter. Ilyen, mikrométeres szigetekből álló grafénlemezből manapság akár lepedőnyi méretűt is gyártanak, és bár a nanoelektronikában nem alkalmazhatók, hajlékonyságuk, átlátszóságuk és vezetőképességük nagyszerűen felhasználható flexibilis kijelzők, hajlékony érintőképernyők és más átlátszó, ugyanakkor jó vezetőképességű rétegek gyártásában.

Együttműködés Dél-Koreával

Nemrég Magyarországra látogatott a dél-koreai National Research Council of Science and Technology (NST) elnöke, hogy Lovász Lászlóval, a Magyar Tudományos Akadémia elnökével aláírja azt a szerződést, amely újabb három éven át biztosít támogatást közös dél-koreai-magyar kutatólaboratóriumok működéséhez. A három kedvezményezett egyike az MTA Energiatudományi KutatóközpontMűszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben működő Nanoszerkezetek Laboratórium volt.

Az ilyen szemcsés grafén volt az egyik központi témája a koreai-magyar kutatásnak, amely most a második hároméves ciklus közepén tart. A magyar kutatók mutatták meg először, kísérletileg és számítógépes szimuláció alkalmazásával, hogy a szemcsék határain jelentkező rendezetlen szerkezetű rész – a szemcsehatár – milyensége nagymértékben befolyásolja az elektromos vezetőképességet. A közös munka folytatása az újszerű, még a grafénnál is „fiatalabb”, atomi-molekuláris vastagságú anyagokat célozza.

Zászlóshajón az alagút vége felé

Az előbbiekben tárgyalt szigetes szerkezetű grafén, valamint a kémiailag hasogatott változat más alkalmazások szempontjából is ígéretes, mint a nanoelektronika. Így például hat, egymással párhuzamos, szendvicsszerűen műanyagba ágyazott grafénréteg olyan bevonatot ad, amely elnyeli a mikrohullámú sugárzás felét, emellett szinte teljesen átlátszó. Az ilyen alkalmazások várhatóan egyre nagyobb szerepet kapnak életünkben, ahogy mind több háztartási eszközünk WiFin kommunikál majd egymással. „Márpedig nem szeretnénk, ha a szomszéd mosógépe kikapcsolná a hűtőnket” – jegyzi meg Biró László Péter. Ezzel a témával csatlakozott az MTA EK MFA Nanoszerkezetek Laboratórium az Európai Unió „Grafén Zászlóshajó” programjának első szakaszához egy olyan nemzetközi csoport tagjaként, amelynek keretében Márk Géza vezetésével már korábban is vizsgálták a szén nanoszerkezetek és az elektromágneses hullámok kölcsönhatásait.

A jövő okoshűtőjének és intelligens mosógépének tervezői azonban nemcsak a mikrohullámú jelek kavarodása miatt aggódhatnak, hanem amiatt is, hogy a számítástechnikai eszközök sebessége rohamosan közelíti a hagyományos, szilíciumalapú technológia határait. A tranzisztorok már olyan kicsik lettek, hogy – mint a kutató fogalmaz – „az elektronok lassan elkezdik úgy érezni, hogy dobozban vannak”, vagyis olyan kvantummechanikai hatások is fellépnek, amelyek lehetetlenné teszik, hogy még több, az eddigi elven működő áramkört zsúfoljanak a processzorokba. Ezt a határt a jelenlegi becslések szerint 2022-ben érjük el, és mivel nagyjából hét év, míg egy új technológiából piacra dobható termék lesz, igencsak ideje lenne megtalálni a megoldást erre a problémára.

A legígéretesebb jelölt erre az újító szerepre nem más, mint a grafén – ezért is lehet, hogy az Európai Unió két, 2013-ban indult zászlóshajóprogramja közül az egyik témája a grafénkutatás, melynek keretében tíz éven át összesen egymilliárd euróra lehet pályázni. Magyarországról a témában egyedüliként Biró László Péter kutatócsoportja kapott támogatást.

Nanoelektronika grafénszabászattal

A kutatócsoport 2005-ben, vagyis jó időben kapcsolódott be a grafénkutatásba, három évvel később pedig a Nature Nanotechnology címlapon hozta tanulmányukat arról, hogyan lehet pásztázó alagútmikroszkóppal néhány nanométer széles grafénszalagokat kivágni. A pásztázó alagútmikroszkóp egy igen hegyes – egyetlen atomban végződő – tűvel tapogatja le a vizsgált felszínt. A tűt úgy pozicionálják, hogy ne érjen hozzá a mintához, azonban elég közel legyen hozzá ahhoz, hogy az elektronok az ún. kvantummechanikai alagúteffektus hatására néha „átugráljanak” a tű csúcsa és az anyag felülete között. Az ugrások gyakoriságából kiszámítható, milyen távolságban van a tű hegye a felszíntől, és máris összeáll az atomi domborzat képe.

Ez azonban csak a kezdet. Ha a tű és a vizsgált felszín között növelik az elektromos feszültséget, a tű békés megfigyelőből vágószerszámmá válik, hiszen immár jelentős mennyiségű elektron mozog ahhoz, hogy kémiai változások menjenek végbe a vizsgált felületen.

Biró László Péter
Biró László Péter

A magyar kutatócsoport grafénszabászati módszere egy igen ügyes trükkön alapul. A grafén felszínére tapadt vízmolekulákat használták arra, hogy atomi méretű kémiai reakciókat hozzanak létre a felszínen, nagy feszültséget kapcsolva az alagútmikroszkóp tűje és a felület közé. Az alagútáram hatására a tű hegyénél elbomlanak a vízmolekulák, a keletkező atomos oxigén pedig nyomban oxidálja a legközelebbi szénatomokat, melyek gáz (szén-monoxid) formájában távoznak. A grafénban keletkezett lyuk szabaddá vált széleit a vízmolekula bomlásából keletkezett hidrogénatomok kötik le. Így tetszőleges méretű és irányú szalagok vághatók ki egy grafénlemezből, sőt, ha több grafénréteg van egymás fölött, a feszültség beállításával még a vágás mélysége is szabályozható.

Ígéretes szabásminták

A nanométeres grafénszabászat lehetősége azért igen fontos, mert a nagy kiterjedésű grafénlemezben nem létezik az elektronok számára tiltott energiasáv, így félfémes viselkedést mutat, azaz nem készíthető belőle olyan tranzisztor, amelynek van kikapcsolt állapota. Márpedig a digitális információfeldolgozásban nemcsak az egyes, hanem a nulla is nagyon fontos. A megfelelő irányban és szélességben kivágott szalagokból viszont már létrehozható szobahőmérsékleten is működőképes, kikapcsolt állapottal is rendelkező nanotranzisztor.

Nemrégiben a 2014-ben Lendület-pályázat-nyertes Tapasztó Leventevezetésével még izgalmasabb eredményeket értek el az MTA EK MFA Nanoszerkezetek Laboratóriumban. Kísérletekkel igazolták, hogy a grafén „karosszék-irányával” párhuzamos nanoszalagok viselkedése teljes mértékben megfelel az elméleti elvárásoknak: a szalagok félvezető viselkedésűek, és a tiltott sáv nagysága fordítottan arányos a szalag szélességével. Így, ha elég keskeny – mindössze néhány atom szélességű – a szalag, akár szobahőmérsékleten is működő tranzisztor készíthető belőle.

Balra karosszék élű grafén nanoszalag, jobbra cikcakk élű grafén nanoszalag. Az él szerkezetét meghatározó szénatomokat pirossal emeltük ki
Balra karosszék élű grafén nanoszalag, jobbra cikcakk élű grafén nanoszalag. Az él szerkezetét meghatározó szénatomokat pirossal emeltük ki

Az igazi meglepetést azonban a „cikcakk-irányban” kivágott szalagok okozták. A kutatók arra jutottak, hogy a 7 nanométernél keskenyebb szalagok félvezetők, viszont a szalagok viselkedése hirtelen fémesre vált a 7 nanométeres szélesség fölött. Ráadásul ezeknél a szalagoknál felismertek egy meglepő kvantummechanikai jelenséget: a szalag szélein, a cikcakkos határ mentén azonos spinű (mágneses momentumú) elektronok sorakoznak fel. Ha a szalag 7 nm-nél keskenyebb, a két sor spinje ellentétes (antiferromágneses állapot), és a szalag félvezető, ha pedig szélesebb, a spinek megegyeznek (ferromágneses állapot), és a szalag fémes viselkedésűvé válik. A keskeny szalagok e meglepő mágneses tulajdonságuk miatt alkalmazhatók meghatározott spinű elektronok továbbítására, így a nanoelektronika mellett úgynevezett spintronikai rendszerekben is felhasználhatók lehetnek.

Hogyan tovább?

A félvezető grafénszalagok megnyithatják az utat a jövő nanoelektronikája felé, azonban van egy apró probléma: nem igazán könnyű nagy (vagyis legalább centiméteres) méretű grafén egykristályokat növeszteni. A jelenlegi, ipari méretekben is használható módszerek apró szigeteket adnak, amelyek határai elrontják a fent említett kedvező tulajdonságokat. A fizikusok és az ipar tehát most lélegzet-visszafojtva várja, hogy az évi nagyjából húszezer tudományos publikációt termelő grafénkutató közösség mikor akad rá az egykristálygyártás gazdaságos módjára.

Mindeközben Biró László Péter és munkatársai már a továbblépésen gondolkodnak. A grafénkutatás ugyanis hatalmas lendületet adott a kétdimenziós anyagok – vagyis a néhány atom vastagságú lapok – vizsgálatának, így az Európai Unió zászlóshajóprogramjának 2016-18-as szakaszában már ezzel az általánosabb problémával foglalkoznak Tapasztó Leventével és Márk Gézával, de a szűkebb értelemben vett grafénprogramot sem hanyagolják el: több kutató viszi tovább a Nanoszerkezetek Laboratóriumban.

A cikk eredetileg az mta.hu-n jelent meg, itt olvasható.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s