Čím je zajímavý grafen?

středa 2. prosinec 2009 04:25

Grafen spatřil světlo světa v roce 2004 v laboratoři Andrého Geima, výzkumníka Manchesterské univerzity. Jeho jméno je odvozeno od slova grafit, což je forma uhlíku, která v přírodě běžně vyskytuje a používá se pro výrobu tužek. V angličtině se slovo graphen vyslovuje jako "grafín" a myslím, že i v češtině by to bylo logičtější pojmenování. Grafit tvoří rovinná síť mnoha vrstev vzájemně propojených uhlíkových atomů uspořádaných do tvaru šestiúhelníků podobně jako u pláství medu a grafen představuje jedna z mnoha těchto vrstviček sloupnutá a nalepená na podložku. Toho lze dosáhnout docela jednoduše tím, že se samolepící páska přitiskne na krystalek grafitu, opatrně se stáhne a přitlačí na sklo - při troše štěstí na podložce zůstane jediná vrstva uhlíkových atomů, tzv. monovrstva.

Model zvlněné vrstvy grafenu se strukturou včelího plástu

Problém této jinak zcela jednoduché metody je v tom, že ji lze jen obtížně reprodukovat. Zpravidla se na podložku obtiskne několik vrstev grafitu současně a monovrstvu vhodnou pro další experimenty je nutné v mikroskopu pracně vyhledat mezi chuchvalci dalších, mnohem tlustších šupinek. V důsledku lomu světla lze tloušťku vrstvičky snadno odhadnout podle jejího duhového zbarvení, podobně jako u mýdlových bublin. Vrstva "tlustá" sto uhlíkovejch atomů je žlutá, 30 - 40 atomů uhlíku je modrá, deset atomových vrstev a méně růžová a zadržuje 2,3% procházejícího světla. Ale největší monovrstva, kterou se takto podařilo připravit měla jen něco přes 1000 μm2 - to je ploška srovnatelná s velikostí tečky na písmenem i.

 Monovrstva a dvojvrstva grafenu pod optickým mikroskopem  Šupinka grafitu s vrstvami grafenu různé tloušťky

Protože mimořádné fyzikální vlastnosti grafenu fungují, jen pokud jeho vrstvičky zůstanou dokonale rovné a tenké, pro průmyslové využití je nutné zvládnout výrobu vrstviček mnohem větších při zachování pokud možno nepatrné tlouštky. Zatím nejlepší postup spočívá v tom, že se grafit rozptýlí v silně polární kapalině, která vnikne mezi vrstvy. Ta se pak postupně nahradí rozpouštědlem s velkými molekulami a na sklo se nanese tenká vrstva směsi, která po odpaření zanechá tenkou vrstvičku uspořádaného grafitu. Takto byly připraveny ukázky grafenových vrstev na průhledné fólii (obr. níže vlevo) a na měděné destičce (obr. vpravo). Pri své dobré elektrické vodivosti je grafen výborně propustný pro světlo, takže by se dal využít při výrobě například displejů a nahradit tak stávající zařízení z tenkých vrstviček oxidů kovů tvořených vypalováním za vysokých teplot. To by představovalo značnou technologickou úsporu, protože grafit je materiál velmi levný a grafenové vrstvičky lze nanášet zastudena téměř na cokoliv, tedy i na choulostivé tenké fólie z plastických hmot .

Ohebný displej s grafenovými elektrodami Měděná destička, spodní vzorek je opatřen vrstvou grafenu

Grafitové šupinky na čáře, kterou po sobě zanechává tužka na papíru pod elektronovým mikroskopem vypadají jako tlustá nepravidelná vrstva zmuchlaného papíru. Teprve pod největším možným zvětšením se zobrazí uspořádaná šesterečná struktura grafitu. Díky pevnosti uhlíkových vazeb známé z diamantu je grafen velmi mechanicky odolný materiál. S pevností  grafenových vrstev je ale spojen zatím nevyřešený problém: proč jsou grafenové vrstvy ve volném stavu vždy zvlněné - podle toho, jak jsou uhlíkové vazby tuhé by měl grafit tvořit naopak velmi rovné plochy? Podle této práce to způsobuje vlhnutí grafenu tím, že se na jeho povrch nepravidelně zachytávají molekuly vody.

Vrstva grafenu z uhlíkové tužky pod elektronovým mikroskopem Monovrstva grafenu pod mikroskopem atomárních sil

Mimořádné fyzikální vlastnosti grafenu jsou dány jeho elektronovou strukturou. V tomto příspěvku jsem vysvětloval, jak mohou být elektrony v kovových materiálech přirovnány k houbě namočené ve vodě. Spojené grafitové vrstvy lze přirovnat ke stlačeným vrstvám jemného pletiva nebo kovové síťky, prosyceným vodou. Když z vrstev pletiva jednu vrstvu oddělíme, část vody z něj odteče, protože byla nasáklá mezi vrstvami a tento podíl vody se už nemá na čem udržet. Elektrony ale nemohou z uhlíkové síťky jen tak odkapat - namísto toho se při odtržení grafitové monovrstvy přitlačí k uhlíkovým atomům a jejich hustota  oproti hustotě elektronů v normálním grafitu mnohonásobně vzroste.

Struktura elektronů v okolí grafenové monovrstvy Oddělením monovrstev grafenu dojde k silnému stlačení elektronů

V tomto příspěvku jsme si pro změnu ukázali, jak mohou být vlastnosti vysokoteplotních supravodičů vysvětleny tím, že elektrony jsou uvnitř supravodiče přitahovány a stlačeny ke kladně nabitým atomům v mřížce supravodiče. V případě grafenu jde o něco podobného, ale elektrony zde nejsou stlačeny tolik, aby se vzniklý materiál stal supravodivým v celém objemu. Namísto toho se tu projevuje tzv. balistický transport elektronů - ty se mřížkou grafenu pohybují trhavě, jako kdyby se supravodivost uplatňovala jen na nepatrné vzdálenosti. Tento pohyb jde přirovnat k vrzání sněhu, které s balistickým transportem rovněž úzce souvisí, jak bylo vysvětleno v tomto příspěvku. Díky tomu je střední rychlost elektronů při vedení proudu grafenem (asi 300 km/sekundu) mnohem vyšší , než v běžných polovodičích (několik desítek až stovek metrů/sekundu) - zatímco v kovech je se elektrony pohybují rychlostí jen několika milimetrů za sekundu). Díky tomu tenoučká monovrstva grafitu vede proud paradoxně mnohem lépe, než souvislý krystal grafitu a dokonce ještě lépe než nejlepší vodiče elektřiny (cca 1.0 μOhm·cm, což je asi o třetinu lepší vodivost než měď).

Obyčejný grafit je - jak známo - materiál s kovovou vodivostí, což znamená, že elektrony mohou v grafitové síťce volně přecházet mezi atomy. To jim usnadňuje fakt, že grafitové monovrstvy jsou vůči sobě natočeny v jednotlivých rovinách o 30º, takže sousedící atomy uhlíku v krystalické mřížce mezi sebe pěkně zapadají. Když však tloušťka grafitové vrstvy klesne pod 10 nanometrů, začne se materiál chovat jako polovodič, jehož vlastnosti jde nastavovat mechanicky. Když se vrstvy vůči sobě natočí, atomy uhlíku se začnou vzájemně odpuzovat a vrstvy grafitu se rozpadnou. Pokud se k sobě šikmo uložené vrstvy přitlačí, získá se polovodič se šířkou zakázaného pásu až 250 mV. Tato hodnota v podstatě udává, že elektrony vyžadují napětí větší než čtvrt voltu, aby materiálem začal procházet proud. Je to o hodně méně než vykazují běžně užívané polovodiče (křemík vyžaduje asi 1200 mV, germanium 750 mV), což snižuje odolnost vůči šumu - ale na nízkonapěťové aplikace a infračervenou optoelektroniku to bohatě stačí. Ostatně v prvních krystalkách se jako usměrňovače úspěšně používaly pyrit a jiné přírodní polovodiče se šířkou pásu nižší než 150 mV a také to hezky zesilovalo a hrálo.

Pásový model vodivosti grafenu v závislosti na orientaci dvojvrstvy 

Výše popsané chování elektronů v grafenu lze využít pro konstrukci nových typů polovodičových součástek, schopných pracovat extrémně vysokou rychlostí až do terrahertzových frekvencí - to je jako kdybychom dnešní procesory v počítačích přetaktovali hned tisíckrát. Navíc je lze díky nepatrné tlouštce grafenu skládat do velice kompaktních celků. Díky těmto vlastnostem se počítá s využitím grafenu v mikroprocesorech a pamětech. Výzkumnící z Kalifornské Univerzity v Berkeley vyrobili první polem řízený tranzistor ze dvou monovrstev grafitu, natočených vůči sobě tak, aby tvořily nevodivý polovodičový přechod. Přiložením napětí zeshora se vrstvy zmáčknou elektrostatickými silami, v grafitové dvojvrstvě se tím vytvoří vodivý kanál a dvojvrstva se stane vodivá a současně ztmavne (viz obr. výše).

Polem řízený tranzistor grafenu při pohledu zeshora a příčný řez

Výzkumníci zatím nepokročili tak daleko, aby vytvořili funkční tranzistor, protože grafenové vrstvičky jsou velmi pružné a pokud jsou vůči sobě uloženy šikmo, vrstvy atomů jeví tendenci se vůči sobě natočit tak, aby do sebe lépe zapadly - čímž mezi nimi v daném místě dojde ke zkratu. Takže se zatím vlastnosti tranzistoru studovaly pouze optickými metodami, protože průhlednost je na rozdíl od vedení proudu objemový efekt, málo citlivý na přítomnost bodových poruch a zkratů. Ale určitě jde o slibnou cestu, jak z obyčejného grafitu v blízké budoucnosti vytvořit funkční elektrické součástky.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Související články


FhVhxDCoTyqrRQlZcQOuGJ16:589.7.2011 16:58:13
gWathKjsIOxmCodxpTQLFGB15:368.7.2011 15:36:06

Počet příspěvků: 2, poslední 9.7.2011 16:58:13 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik