Grafen materiał przyszłości.

Transkrypt

1 Inga Wądrzyk* Grafen materiał przyszłości. Co to jest? Grafen jest zbudowany z jednego z najpowszechniejszych pierwiastków na ziemi -węgla. Węgiel w naturze znamy raczej pod postaciami grafitu czy diamentu. Każda z jego odmian ma diametralnie różne właściwości. W latach 80. ubiegłego wieku odkryto inną postać węgla - okrągłe fulereny, natomiast dzisiaj zaskakuje świat pod postacią grafenu. Czym jest ta najnowsza odmiana? Jest to warstwa węgla o grubości jednego atomu, a więc jest to najcieńszy materiał, jaki możemy sobie wyobrazić. Swoją budową przypomina plastry miodu. Powstał przez oddzielenie plastra kryształu grafitu. Odkryli go w 2004 r. Andre Gejm oraz Konstantin Novoselov z uniwersytetu w Manchesterze. Oderwali za pomocą zwykłego przylepca marki Scotch warstwę atomów z kryształu grafitu. Następnie poddali go badaniom i okazało się, że grafen ma właściwości, które zrewolucjonizują wiele sfer życia. W 2010 r. dostali za zbadanie jego właściwości nagrodę Nobla. Grafen powstaje jako cienka warstewka węgla wytworzona na powierzchni węglika krzemu na drodze procesów fizyko-chemicznych przebiegających w wysokiej temperaturze. Właściwości. Czym różni się grafen od dotychczasowych materiałów? Jest to kilka cech, które składają się na jego możliwości dalszego wykorzystania. Po pierwsze, ma doskonałe przewodnictwo elektryczne, które można osiągnąć bez chłodzenia materiału do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu, jak ma to miejsce w przypadku nadprzewodników. - Nośniki ładunku w tym materiale poruszają się 200 tysięcy razy szybciej niż na krzemie. To sugeruje, że można wykonać przyrządy elektroniczne, które będą działały z taką szybkością - mówi dr Zygmunt Łuczyński, dyrektor Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych. Prof. Jacek Baranowski z ITME twierdzi, że elektrony w grafenie płyną tak szybko, że zachowują się jak fotony. Ilustracja 1: Grafen powstaje przez oddzielenie plastra kryształu grafitu.

2 Po drugie grafen jest niezwykle cienki i lekki. To może mieć kluczowe znaczenie w elektronice. Pod koniec roku firma Intel zapowiada debiut procesorów wykonanych w technologii 22 nm. Jest to już Ilustracja 2: Struktura grafenu, którego właściwości doceniono przyznaniem Nagrody Nobla tylko krok do 20 (czy nawet 10) nm, dla niektórych oznaczających kres możliwości wykorzystania krzemu. Poniżej tej granicy pojawią się uboczne efekty związane z prawami fizyki kwantowej, które utrudnią poprawne działanie tych układów. Zastosowanie grafenu pozwoli tę granicę przekroczyć i stworzyć znacznie szybsze procesory niż obecnie. Grafen jest 100 razy bardziej wytrzymały niż stal. Tę cechę najlepiej opisali naukowcy z Uniwersytetu Columbia. Jak twierdzą, by przebić folię grafenową o grubości popularnej folii do żywności, trzeba ustawić słonia na starannie zaostrzonym ołówku. Grafen jest odporny także na naprężenia mechaniczne. Można go rozciągnąć o 20 proc. bez ryzyka rozerwania. Jednocześnie grafen jest przezroczysty, jedna warstwa pochłania ok. 2 proc. światła. Dlatego, jak tłumaczy Włodzimierz Strupiński, nie można go zobaczyć naniesionego na powierzchnię bez skorzystania z czujników, które wykrywają przewodnictwo elektryczne. Gafen z Polski? Zasadniczy problem z grafenem dotyczy produkcji. Opracowana w 2008 roku pierwsza metoda produkcji przez mechaniczne oddzielanie warstw grafenu z kryształu grafitu, pozwalała na uzyskiwanie płatków wielkości ludzkiego włosa kosztem 1000 dolarów. Grafen o powierzchni 1 cm 2 uzyskany tą metodą kosztował 100 mln dolarów. Od tego czasu udało się radykalnie obniżyć ten koszt i obecnie wiórki grafenu, np. do zastosowania w kompozytach, można kupować już na tony. Wyzwaniem pozostaje produkcja dużych powierzchni czystego grafenu do zastosowań elektronicznych. Koreańscy naukowcy, wspierani przez tamtejszych potentatów przemysłu, opracowali metodę napylania warstwy grafenu na podłoże z węglika krzemu, a następnie podłoże usuwano przez rozpuszczenie, co pozostawiało warstwę pożądanego materiału. Niedawno udało się w ten sposób uzyskać powierzchnie grafenu o średnicy 30 cali, które nadają się np. do produkcji wyświetlaczy. Jednak czystość tego surowca pozostawia sporo do życzenia. Ma za wiele skaz, by można go było użyć do produkcji układów scalonych. Było to jednak tak wielkie osiągnięcie, że pracę na ten temat opublikowało prestiżowe pismo "Nature". Próbowali również amerykańscy naukowcy, ale tak jak w poprzednim przypadku uzyskany grafen nie był najwyższej jakości. Jak podkreśla kierujący zespołem badawczym w ITME dr Włodzimierz Strupiński, "polska" metoda pozawala na wytwarzanie nieuszkodzonych i powtarzalnych płytek grafenu na komercyjną skalę.

3 Do tej pory nie udało się to nikomu na całym świecie. - Robimy to nie za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia laboratoryjnego, ale za pomocą urządzenia produkcyjnego do wytwarzania struktur epitaksjalnych, czyli warstw kryształów, używanego standardowo w przemyśle elektronicznym tak mówi dr Włodzimierz Strupiński o technologii wytwarzania. Po modyfikacjach urządzeń będzie można produkować go na skalę przemysłową w istniejących fabrykach. W ten sposób powstają powierzchnie grafenu o wysokiej jakości, o średnicy 2-4 cali, które idealnie się nadają do tworzenia tranzystorów czy diod. W maju 2010 r. wynalazek zgłoszono do opatentowania. W marcu tego roku zespół naukowców z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych wraz z fizykami z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zaprezentował metodę nanoszenia grafenu na standardową płytkę podłożową SiC, stosowaną w przemyśle elektronicznym. Ich sukces opisuje jeden z numerów prestiżowego czasopisma NanoLetters. Wynalazek jest już chroniony w Polsce. Teraz Ministerstwo Nauki przyznało im fundusze na zdobycie ochrony patentowej ważnej na całym świecie. Raczej nie mają konkurencji. - Te pieniądze zostały nam przyznane, już podpisałem umowę z ministerstwem na realizację tego grantu. Ministerstwo zapewniło nam środki na opłacenie procedury związanej z ochroną na cały świat - przez najbliższe 18 miesięcy, a na kolejne lata w Unii Europejskiej, Stanach Zjednoczonych Ilustracja 3: Dr Włodzimierz Strupiński kierujący zespołem badawczym wytwarzania grafenu na skalę przemysłową w Polsce. i w Japonii, a niewykluczone, że dalej cały świat. (...)Dotychczasowe osiągnięcia dają nam silną pozycję w konkurencji o fundusze z europejskiego programu Flag Ship, który od 2012 roku na badania nad grafenem ma przeznaczać 100 milionów euro rocznie przez 10 kolejnych lat. ( ) Skoro już zrobiliśmy pierwszy krok w tej dziedzinie i jesteśmy w tej chwili w światowej czołówce jeśli chodzi o technologię wytwarzania grafenu, to dobrze by było, żeby w Polsce rozwijać ją dalej. Polskie firmy są gotowe do inwestowania, choć trzeba dopiero zorganizować w naszym kraju podstawę technologiczną i infrastrukturę związaną z grafenem - ocenia Strupiński. Badacz nie wyklucza, że w przyszłości powstanie komercyjna firma współpracująca z jednej strony z UW, a z drugiej z funkcjonującym w strukturach ITME, laboratorium EpiLab. - ITME będzie co najmniej udziałowcem firmy, która powstanie aby skomercjalizować nasze badania. Już zgłaszają się do nas różne grupy biznesowe, a rozmowy są bardzo zaawansowane.

4 Wspiera nas również Ministerstwo Gospodarki, które kojarzy nas z firmami krajowymi, które mogłyby zainwestować w działalność związaną z grafenem - zdradza dr Strupiński. Laboratoria na świecie opatentowały już blisko 200 innych metod otrzymywania i zastosowania grafenu. Ale metoda jego wzrostu wynaleziona w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie może mieć szanse na podbój świata. Teraz pracują oni nad grafenowym tranzystorem, który ma być gotowy za rok. Gdzie stosować? Grafen to przyszłość komputerów. Dzięki zastosowaniu go w produkcji podzespołów, będą one mniejsze, bardziej oszczędne i co najważniejsze - dzięki masowej produkcji grafenu komputery przyspieszą nawet do kilkuset razy. Powstał już tranzystor grafenowy o grubości 1 nm (czyli 1 atomu) w 2008 r. Stworzył go zespół naukowców z Manchesteru. Z kolei w 2010 roku IBM zaprezentował tranzystor grafenowy, który pracował z częstotliwością 100 Ghz. Firma ogłosiła, że w przyszłości będzie możliwe wyprodukowanie procesora o częstotliwości 1 THz, czyli 500 razy szybszego niż współczesne układy w pecetach. W ocenie Jacka Baranowskiego (ITME), kres krzemu przyjdzie za około 10 lat. Przy wykorzystaniu obecnego materiału nie będziemy w stanie już wytwarzać mniejszych podzespołów, bo granica rozmiarów tych urządzeń to 20 nanometrów. Grafen pozwoli ograniczyć wymiary do dwóch-trzech nanometrów i przyspieszy działanie kilkaset razy. Mimo, ze na świecie wciąż dominuje krzem to już robi się z grafenu prototypowe ekrany dotykowe do komórek i laptopów (pierwsze pokazał Samsung). Do tego potrzeba materiału dobrze przewodzącego i przezroczystego, a grafen świetnie to spełnia, dużo lepiej niż teraz używane substancje. Jest przy tym bardzo odporny i giętki. Skonstruowano także pierwsze grafenowe tranzystory i mikroprocesory, które biją wszelkie rekordy, na razie w laboratoriach, ale teoretycznie mogą być tańsze, mniejsze i wydajniejsze niż chipy krzemowe. Powstała też koncepcja pamięci grafenowych, które będą działały na zasadzie mechanicznej. Prąd będzie potrzebny tylko do zmiany stanu komórek pamięci, więc będzie można przechowywać w nich informacje, tak, jak w pamięci flash, tyle że będą od niej o kilka rzędów wielkości pojemniejsze, przy takich samych rozmiarach układu scalonego. Możemy wyobrazić sobie również elastyczne komputery, sieci bezprzewodowe o dużym zasięgu, światłowody o wielokrotnie większej przepustowości niż obecnie, sensory (które pozwolą wykryć nawet pojedyncze cząstki szkodliwych substancji), elastyczne baterie słoneczne, przezroczyste elektrody w ogniwach słonecznych, superkondensatory i ogniwa wodorowe. A to nie wszystko. Niedawno okazało się, że grafen może służyć do sekwencjonowania DNA i budowy różnorakich czujników. Również bardzo dobrym, choć zaskakującym przykładem jest inżynieria materiałowa. Grafen wkrótce stanie się jednym z najczęściej używanych dodatków w materiałach kompozytowych, gdyż pozwoli zwiększyć wytrzymałość oraz zapewni doskonałe przewodzenie ciepła. Niewykluczone, że niedługo obudowy telefonów komórkowych czy laptopów będą

5 produkowane z dodatkiem tego właśnie materiału. Po modyfikacjach urządzeń będzie można produkować go na skalę przemysłową w istniejących fabrykach. Szybciej niż procesory zobaczymy zapewne wyświetlacze grafenowe. Cienki, przezroczysty i dobrze przewodzący materiał idealnie się nadaje do tworzenia warstw dotykowych w smartfonach. Poza tym można go użyć do tworzenia elementów przewodzących w diodach, ekranach LCD czy ogniwach słonecznych. Grafen pozwoli też tworzyć giętkie elementy. - Wyobraźmy sobie komputer zintegrowany z wyświetlaczem, w formie opaski zakładanej na rękę - przewiduje dr inż. Włodzimierz Strupiński. Jeśli zamiast ze sztywnego metalu warstwę przewodzącą zrobimy z grafenu, komponenty elektroniczne można będzie osadzać na podłożu z giętkich polimerów. Podejmowane są też próby stworzenia atramentu grafenowego, który pozwoli na drukowanie warstwy przewodzącej nawet na zwykłym papierze. Naukowcy nie ustają w wymyślaniu zastosowań dla grafenu. Jestem przekonany, że dzięki naszej metodzie za kilka lat będzie można korzystać z konkretnych urządzeń z grafenem, a za 10 lat będzie tak powszechnie stosowany, jak dzisiaj krzem - podsumowuje Włodzimierz Strupiński. Jak widzimy w teorii grafen powinien mieć szerokie zastosowanie. Zobaczymy jak będzie w praktyce. Już teraz jednak widać, że nie będzie tak łatwo naukowcy z IBM zauważyli, że grafenowych tranzystorów nie da się włączać ani wyłączać. Już mówi się o kolejnym rewelacyjnym materiale -molibdenicie. Domieszkowanie grafenu Od czasu odkrycia grafenu trwają prace nie tylko nad zbadaniem jego właściwości, ale również nad ich zmianą, nadaniem mu bardziej pożądanych cech. Jedną ze stosowanych metod jest domieszkowanie grafenu innymi pierwiastkami. Dotychczas jednak nie było wiadomo, co dzieje się w takim wzbogaconym grafenie. Naukowcy z Columbia University, koreańskiego Sejong University oraz SLAC National Accelerator Laboratory i Brookhaven National Laboratory połączyli siły by uzyskać szczegółowy obraz grafenu i wprowadzonych doń obcych atomów. Za pomocą czterech różnych technik obrazowania sprawdzili, co się dzieje, gdy grafen zostanie wzbogacony azotem. Okazało się, że atomy azotu zajmują miejsce atomów węgla i że dodatkowy elektron wprowadzany wraz z azotem zmienia właściwości struktury elektronicznej grafenu, ale tylko w odległości około dwóch atomów węgla od atomu azotu. Okazuje się zatem, że możliwe jest precyzyjne kontrolowanie właściwości elektronicznych wzbogaconego grafenu, co jest niezwykle ważne, jeśli chcemy wykorzystywać go do produkcji elektroniki. Nie staramy się ulepszyć już istniejących systemów. Chcemy wyznaczyć nowe kierunki i, być może, umożliwić uzyskanie znacznie lepszej efektywności - stwierdziła Theanne Schiros z University of Columbia. Dodała, że badania te udowodniły, iż domieszkowanie grafenu jest dobrą strategią,

6 mogącą doprowadzić do uzyskania materiału o pożądanych właściwościach. Naukowcy wykorzystali chemiczne osadzanie z fazy gazowej do uzyskania wzbogaconego grafenu, który umieszczany był na miedzianej folii. Część próbek badano na folii, a część po przeniesieniu grafenu na dwutlenek krzemu. Próbki badano za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego, spektroskopii ramanowskiej oraz promieni X. Spektroskopia ramanowska wykazała, że wprowadzenie azotu nie zaburzyło podstawowej struktury grafenu. Z kolei dzięki dwóm różnym technikom badania za pomocą promieni X stwierdzono, że azot leży równo w stosunku do atomów węgla i że łączy się z trzema atomami. Oznacza to, że zastąpił on dokładnie jeden atom węgla. W końcu mikroskop pokazał atomy azotu jako jasne punkty w strukturze, co pozwoliło je policzyć i stwierdzić, że azot stanowi od 0,23 do 0,35 procenta atomów węgla. *studentka Wydziału Energetyki i Paliw Akademia Górniczo -Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Bibliografia: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) _nowa_nadzieja_elektroniki_lepsza_od_grafenu html Wszelkie grafiki i informacje oparte są na tych stronach internetowych. Data ich ostatniego odwiedzenia to 20 listopada 2011 r.