Naukowcy z Columbia Engineers w Stanach Zjednoczonych zademonstrowali nową metodę produkcji warstwowych materiałów dwuwymiarowych, w tym warstw grafenu. Nowatorski sposób umożliwił uzyskanie grafenu o najniższym jak do tej pory stopniu zanieczyszczenia.
Grafen, czyli pojedynczą warstwę atomów węgla ułożonych w sześciokąty po raz pierwszy zsyntezowano w 2004 roku. Ze względu na jednoatomową grubość, opisywany jest jako materiał dwuwymiarowy (2D). Grafen jest obiektem tysięcy prac naukowych, a za badania nad jego strukturą Andre Geim oraz Konstantin Novoselov otrzymali nagrodę Nobla w 2010 roku.
Bardzo dobre przewodzenie ciepła oraz elektryczności to cechy, które dają szanse na powszechne zastosowanie grafenu m.in. w elektronice. Jednak ogromnym problem potencjalnego następcy krzemu jest jego otrzymywanie. Produkcja materiałów dwuwymiarowych na skalę masową (w tym grafenu) wymaga dużych nakładów finansowych. Obecnie stosowane laboratoryjne metody otrzymywania to m.in. osadzanie grafenu z fazy gazowej CVD (z ang. chemical vapor deposition) na metalach lub podłożu z węglika krzemu (SiC), a także odrywanie mechaniczne pojedynczej warstwy atomów węgla przy użyciu taśmy klejącej z wysokiej jakości grafitu.
Kłopotem jest także uzyskanie materiału o odpowiednio niskim stopniu zanieczyszczenia, którego struktura jest jednolita w pełnym zakresie. Dodatkowo, aby zachować doskonałe własności elektryczne arkusz grafenu musi być zamknięty w izolatorze, który chroni go przed czynnikami zewnętrznymi. Zwykłe izolatory w postaci trójwymiarowej (np. tlenki) nie znajdują tutaj zastosowania. Najlepsze rezultaty gwarantują izolatory w postaci dwuwymiarowej (czyli warstwy o grubości 1 atomu), które nie wymagają chemicznego wiązania z powierzchnią grafenu.
Zespół naukowców z Columbia University pod kierownictwem Cory’ego Deana opracował skuteczny sposób tworzenia pojedynczych warstw grafenu efektywnie przewodzących prąd. Metoda polegała na przełożeniu jednoatomowych struktur grafenu oddzielnymi warstwami 2D z azotku boru. Warstwa azotku boru jest płaska, tak jak powierzchnia grafenu. Pomiędzy takimi powierzchniami pojawiają się oddziaływania van der Waalsa, które zapewniają wysoką przyczepność.
Warstwa grafenu obudowana warstwami azotku boru [5]. A – dwuwymiarowa warstwa azotku boru, B – dwuwymiarowa warstwa grafenu, C – metal zapewniający połączenie jednowymiarowych krawędzi grafenu.
Po utworzeniu stosu inżynierowie wytrawili jego krawędzie. Następnie naparowali na nie atomy metalu, aby zapewnić połączenie elektrycznie między warstwami grafenu. Odsłonięte, jednowymiarowe krawędzie to nic innego jak pojedyncze łańcuchy atomów węgla. W taki sposób powstała aktywna elektroda 3D zbudowana z warstw 2D, w której jednowymiarowe krawędzie odpowiadały za połączenie pomiędzy warstwami. Oporność takiego połączenia wyniosła około 100 Ω na 1 mikron szerokości. Wartość ta jest mniejsza niż oporność górnej powierzchni grafenu.
Dzięki takiemu połączeniu została stworzona wielowarstwowa, przewodząca “kanapka”. Sposoby montażu warstw i kontaktu między nimi zapobiegły powstaniu zanieczyszczeń. Naukowcy twierdzą, że wytworzyli “najczystszą” jak dotąd postać grafenu. Badania wykazały bardzo wysoką mobilność elektronów (w temperaturze pokojowej) w stworzonych urządzeniach.
Zespół pracuje obecnie nad zastosowaniem tych metod w celu produkcji nowych materiałów hybrydowych. Przekładkowy montaż materiałów dwuwymiarowych z jednowymiarowymi krawędziami może zostać wykorzystany przy tworzeniu struktur dichalkogenków metali przejściowych TMDC (z ang. transition metal dichalcogenides), tlenków metali przejściowych TMO (z ang. transition metal oxides) czy izolatorów topologicznych TI (z ang. topological insulators). Potencjalne zastosowania to m.in. tranzystory o pionowych strukturach, czujniki, materiały do budowy elastycznej, przezroczystej elektroniki oraz wydajnych akumulatorów i ogniw fotowoltaicznych.
Źródło:
[1] One-Dimensional Electrical Contact to a Two-Dimensional Material. L. Wang, I. Meric, P. Y. Huang, Q. Gao, Y. Gao, H. Tran, T. Taniguchi, K. Watanabe, L. M. Campos, D. A. Muller, J. Guo, P. Kim, J. Hone, K. L. Shepard, C. R. Deanl. Science 1 November 2013: Vol. 342 no. 6158 pp. 614-617.
[2] http://engineering.columbia.edu/columbia-engineers-develop-new-device-architecture-2d-materials | 05.11.2013
[3] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2013/10/31/342.6158.614.DC1/Wang.SM.pdf | 05.10.2013
[4] graphene by Mick Statham, flickr.com, CC BY 2.0
[5] BN-G-BN by Columbia Engineering; Illustration, Cory Dean. Prawa zastrzeżone zastrzeżone przez twórców.