artykul grafen Inga Wadrzyk

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
Ilustracja 1: Grafen powstaje przez
oddzielenie plastra kryształu grafitu.
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.
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
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
Ilustracja 2: Struktura grafenu, którego
właściwości doceniono przyznaniem Nagrody
Nobla
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 cm2 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.
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
w
Teraz
Polsce.
Nauki
już
przyznało
chroniony
Ministerstwo
im
fundusze
na zdobycie ochrony patentowej
ważnej na całym świecie. Raczej
nie
-
mają
Te
konkurencji.
pieniądze
zostały
nam
przyznane, już podpisałem umowę
z ministerstwem na realizację tego
grantu. Ministerstwo zapewniło
nam
środki
na
opłacenie
procedury związanej z ochroną na
Ilustracja 3: Dr Włodzimierz Strupiński kierujący zespołem
badawczym wytwarzania grafenu na skalę przemysłową
w Polsce.
cały świat - przez najbliższe 18 miesięcy, a na kolejne lata w Unii Europejskiej, Stanach
Zjednoczonych
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.
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
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,
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) http://www.mg.gov.pl/node/13413
2) http://www.tvn24.pl/12692,1700367,0,1,polacy-maja-patent-na-wytwarzaniegrafenu,wiadomosc.html
3) http://www.graphene-info.com/new-efficient-epitaxy-based-method-produce-graphene
4) http://www.youarepartofit.org/2011/09/dr-strupinski-on-graphenes-future-in.html
5) http://www.youarepartofit.org/2011/09/dr-strupinski-on-business-future-in.html
6) http://kopalniawiedzy.pl/grafen-domieszka-azot-13944.html
7) http://www.benchmark.pl/aktualnosci/Molibdenit__nowa_nadzieja_elektroniki_lepsza_od_grafenu-33049.html
Wszelkie grafiki i informacje oparte są na tych stronach internetowych. Data ich ostatniego
odwiedzenia to 20 listopada 2011 r.