23.05.2019
PL EN
31.01.2019 aktualizacja 05.02.2019
Ludwika Tomala
Ludwika Tomala

Nowy sposób na precyzyjne wytwarzanie struktur grafenowych w nanoskali

Sposób wytwarzania nanopłatków grafenu na powierzchni z półprzewodnika. Źródło: M. Kolmer et al. “Science” Sposób wytwarzania nanopłatków grafenu na powierzchni z półprzewodnika. Źródło: M. Kolmer et al. “Science”

Nowy sposób na wytworzenie maleńkich struktur płaskiego grafenu zademonstrował zespół z Polski i Niemiec w "Science". Płatki grafenu wytworzono po raz pierwszy nie na metalu, a od razu na podłożu z półprzewodnika. To nowe perspektywy dla zastosowań, między innymi w elektronice i fotonice.

Badania przeprowadził zespół badaczy fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego i chemików z Uniwersytetu w Erlangen i Norymberdze.

Grafen to atomowej grubości płaska struktura złożona z atomów węgla ułożonych w sieć przypominającą plaster miodu. Taka cienka i niewidoczna gołym okiem węglowa "kartka" jest niezwykle wytrzymała, elastyczna, przezroczysta, przewodzi ciepło i prąd. Kiedy w 2010 r. za odkrycie grafenu przyznano Nagrodę Nobla, tysiące naukowców i przedsiębiorców ruszyły, aby szukać zastosowań dla tego materiału. Potem sprawa przycichła... Czyżby nie było pomysłu, jak wykorzystać ten materiał? Pytany o to prof. Marek Szymoński z Uniwersytetu Jagiellońskiego mówi: "Grafen sam w sobie ma rewelacyjne właściwości, ale z punktu widzenia zastosowań to właściwie tylko przewodząca, bardzo cienka ‘kartka’”.

Tymczasem np. dla elektroniki cyfrowej bardziej interesującymi materiałami są tzw. materiały z przerwą wzbronioną - do nich należą półprzewodniki. To materiały, przez które prąd przepłynie, ale tylko, jeśli dostarczy się nośnikom ładunku odpowiednią energię - a więc np. przyłożone napięcie przekroczy odpowiednią wartość. Przy mniejszym napięciu działają jak izolator - nie przepuszczają prądu. Dzięki temu można na urządzeniach półprzewodnikowych wykonywać m.in. operacje logiczne - jeśli prąd przepłynął - dostajemy wartość 1, jeśli nie - 0. Najbardziej znanym półprzewodnikiem jest krzem, którego znaczenia w przemyśle komputerowym (słynna Dolina Krzemowa) trudno przecenić.

Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych jednak postępuje i naukowcy zastanawiają się nad materiałami, z których można by zbudować urządzenia o działaniu podobnym do półprzewodnikowych, ale miałyby wielkość zaledwie kilku nanometrów (nanometr to milionowa część milimetra). A w takiej skali tradycyjne urządzenia półprzewodnikowe nie najlepiej się spisują. Naukowcy szukają więc nowych materiałów o odpowiednich właściwościach. I tutaj właśnie nadzieją są nanometrowej wielkości struktury grafenowe o kształcie płatków lub wstążek. Okazuje się bowiem, że odpowiednio małym strukturom grafenu można nadać właściwości pozwalające na ich wykorzystanie do zbudowania elementarnych urządzeń elektronicznych – na przykład bramek logicznych lub nanotranzystorów.

Problemem jest jednak to, jak precyzyjnie produkować takie niewidoczne gołym okiem płatki grafenu. Trudno tu przecież używać nanonożyczek i z atomową precyzją wycinać z kartek grafenu niewidoczne płatki. Naukowcy zastanawiają się więc nad odwrotnym podejściem: jak z mniejszych związków organicznych, na przykład pojedynczych molekuł aromatycznych, układać grafenowe puzzle.

I tu właśnie z pomocą przychodzą badania prof. Konstantina Amsharova z FAU w Niemczech oraz polskiego zespołu. Wyniki tych badań ukazały się w styczniu w prestiżowym czasopiśmie "Science". Naukowcy pokazali, jak w sprytny sposób przeprowadzić reakcję chemiczną, by z łatwych do kontrolowania półproduktów (tzw. prekursorów) produkować maleńkie płatki grafenu. Przedstawiony przez nich sposób działa sekwencyjnie - naukowcy nazywają to "nanozippingiem" i porównują tę reakcję do działania suwaka.

W dodatku w doświadczeniu - przeprowadzonym w Krakowie - nanopłatki grafenu udało się wyprodukować od razu na podłożu z półprzewodnika, co jest istotnym nowym osiągnięciem. "Nasza praca jest pierwszą, która donosi o w pełni kontrolowanej syntezie nanografenu na powierzchniach niemetalicznych" - informuje w rozmowie z PAP pierwszy autor pracy dr Marek Kolmer, który obecnie realizuje staż podoktorski w Oak Ridge, USA.

Prof. Marek Szymoński, który także jest wśród autorów publikacji, tłumaczy, że podstawową cegiełką do budowy płatków w ich doświadczeniu są aromatyczne struktury węglowe zbudowane z połączonych po jednym wiązaniem pierścieni benzenowych zakończonych na brzegach atomami wodoru lub fluoru. Jeśli jeden z fluorów połączy się z najbliżej położonym atomem wodoru z sąsiedniego pierścienia - a to można kontrolować na przykład przez podnoszenie temperatury - zaczyna się sekwencja reakcji pomiędzy kolejnymi pierścieniami benzenowymi. "I tak „ząbek po ząbku”, para po parze, jak w zamku błyskawicznym, pierścienie benzenowe będą się ze sobą łączyć w strukturę nanografenu" - mówi prof. Szymoński.

Dr Marek Kolmer, tłumaczy, że w wyniku sześciu sekwencyjnie aktywowanych reakcji z prekursora powstaje molekuła nanografenu licząca 42 atomy węgla. "To puzzel, który może zostać wykorzystany do produkcji większych, atomowo zdefiniowanych struktur" - opowiada.

Dotąd struktury grafenowe z prekursorów molekularnych wytwarzano na podłożach z metali takich jak złoto, srebro czy miedź. Metale te są jednak przecież świetnymi przewodnikami. Aby sprawdzić, jak wytworzone nanocząstki grafenu spisują się jako materiały elektroniczne, płatki trzeba oderwać i przenieść je inne podłoże, np. z półprzewodnika. A wtedy istnieje ryzyko, że taki atomowo zdefiniowany układ ulegnie modyfikacji.

Tymczasem niemiecko-polskiemu zespołowi udało się wyprodukować płatki nanografenu od razu na podłożu z dwutlenku tytanu (rutylu), który jest półprzewodnikiem. Dr Kolmer tłumaczy, że rutyl jest kluczowy do przeprowadzenia reakcji chemicznej, która nie zajdzie na podłożu z miedzi czy złota. Badacze spodziewają się jednak, że nanografen tą metodą uda im się wytwarzać na innych półprzewodnikach i izolatorach.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2019