| [Főoldal]
|
A legkeskenyebb grafénszalag -
Interjú Biró
László Péter fizikussal
| Rögzítette:Katona Éva |
Keletkezés dátuma:2009-02-13 |
| Forrás URL: |
Rögzítés dátuma:
2009-02-13 |
Az utóbbi öt évben a grafén nevű szénalapú nanoszerkezet az
anyagtudományok érdeklődésének homlokterébe került. A hatszögű
szénmolekukákból felépülő, hálószerű réteg - mely a világ legerősebb
anyagát képzi - ígéretes alkalmazási területe a nanoelektronika,
ahol a szilícium egyik lehetséges utódjaként tekintenek rá: számos
kutatóintézetben próbálnak belőle tranzisztorokat és áramköröket
létrehozni. Az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi
Kutatóintézetének ide kapcsolódó munkájáról kérdeztük az intézmény
Nanoszerkezetek Osztályának vezetőjét, Biró László Péter
professzort.
Kép: © Biró László Péter
A grafént az egyik hazai
lap nemrég "új trónkovetelőként" említette a nanoagyagok közt a
valamivel régebben ismert szénalapú nanocsövek mellett. Az előbbi --
a grafén -- némi egyszerűsítéssel egy szénatomokból álló, egy atomnyi
vastagságú összefüggő réteg, míg az utóbbi ugyanennek a hengeralakú
változata. Miért került a tudománynak hosszabb időbe izolálni a
grafént, mint előállitani az első nanocsöveket?
Az
kétségtelenül igaz, hogy a szén nanocsövek felfoghatók úgy, mint
tökéletes hengerré tekert grafénlapok. Ezelőtt tíz évvel még én is
így mondtam a diákjaimnak. Most megfordult a világ, és a mostani
hallgatóim azt kérdik: "Igaz, hogy a grafén egy kitekert szén
nanocső?" Amint az lenni szokott, az igazság valahol középen van: a
kitekert szén nanocső az valamely jól meghatározott irányban
kivágott grafénszalagnak felel meg. Ezt úgy kell elképzelni, hogy a
hatszöges hálóra ráhelyezünk egy hosszú, egyenes vonalzót, majd a
pereme mentén elvágjuk a hatszöges síkot, s az így kapott keskeny
szalagból hengert formálva egy szén nanocső modelljét kapjuk.
Könnyen belátható, hogy a vonalzó sokféle különböző elforgatásban
helyezhető fel a sík hálóra. Minden elforgatásnak másféle szalag és
másféle szén nanocső fog megfelelni. Ezzel szemben a grafén az egy
atomi skálán nagykiterjedésű, hatszögletes rendben elhelyezett
atomokból felépülő, egyetlen atom vastagságú
lemez.
Ezzel el is érkeztünk a kérdés
lényegéhez. Ahhoz, hogy a grafén előállításával valaki egyáltalán
megpróbálkozzon -- Novoselov és Geim állítottak elő elsőként
grafénlemezeket 2004-ben -- át kellet lépni egy hibásnak bizonyult
tudományos állítást, ami azt mondta ki, hogy nem lehet egyetlen
atomnyi vastagságú lemezeket létrehozni. Ez is szép példája annak,
hogy a tudomány fejlődése nem tervezhető. Egyébként, a fullerén
felfedezése 1985-ben (Curl, Kroto és Smalley, Nobel-díj 1996), ami
útjára indította a szén nanoszerkezetek kutatását, az sem volt egy
"tervezett" felfedezés. A csillagközi por viselkedését akarták
modellezni laboratóriumi körülmények között és ezért szénpálcák
között elektromos ívet hoztak létre alacsony nyomású hélium
légkörben. Azt figyelték meg, hogy sokkal nagyobb gyakorisággal
képződnek olyan atomcsoportok, amelyekben 60 szénatom van. Ez egy
egyetlen nanométer átmérőjű, focilabda alakú molekula, amit
fullerénnek kereszteltek el Buckmister Fuller építész híres
gömbkupolái nyomán. Egy nanométer a milliméter egymilliomod része,
ezért közelítőleg azt lehet mondani, hogy a fullerén molekula úgy
aránylik a focihoz, mint ahogyan annak méretei aránylanak a Föld
bolygóéhoz.
A fulleréntől az út először a szénalapú
nanocsövekhez vezetett.
A többfalú szén
nanocsövekről, melyeket úgy lehet felfogni, mint egy erősen megnyúlt
molekulákat fokozatosan növekvő átmérővel, koncentrikusan egymásba
helyezve, már az 1950-es évektől készültek elektronmikroszkópos
felvételek. Ekkor még "üreges szénszálaknak" nevezték őket és egy jó
darabig senkinek sem jutott eszébe, hogy ezek valójában feltekert
grafénsíkokból állnak. Abban az időben az eretnekséggel lett volna
határos azt állítani, hogy egyetlen atom vastagságú
grafitlemezekből, vagyis grafénból egy- vagy többfalú többfalú
hengereket lehet építeni. Ehhez először fel kellett fedezni és el
kellet fogadtatni a fullerén létezését. Utána 1991-ben Iijima
kijelenthette, hogy azok a csőszerű alakzatok, melyeket
fulleréntartalmú mintában figyelt meg transzmissziós
elektronmikroszkópban, azok valójában többfalú szén
nanocsövek.
Visszatérve a grafén
felfedezéséhez, illetve izolálásához, végezzük el a következő,
messze nem méretarányos, de azért informatív kísérletet: húzzunk fel
egy bokszkesztyűt, majd a kesztyűs kezünkkel próbáljunk laponként
szétszedni egy köteg csomagolásra használt, finom selyempapírt...
Egyetlen atom vastag objektumokat leválasztani és kezelni a
makrovilág eszközeivel ennél milliószor nehezebb. Arról nem is
szólva, hogy az egyetlen atomnyi réteget észlelni is tudni kell.
Erre külön trükköket kellet kitalálniuk a
kutatóknak.
Az anyagtudományok kutatási prioritásait
némileg átrajzolta a grafén megjelenése: úgy tűnik, hogy ez a
nanoszerkezet több alkalmazási területről is kiszoríthatja a
nanocsöveket.
Főleg a nanoelektronikai alkalmazások
területéről szorítja ki őket. Ennek az egyik oka az, hogy a szén
nanocsöveket első lépésben szét kell válogatni a feltekerés szerint,
ugyanis a feltekerés típusaitól függően eltérő tulajdonságaik
vannak. Ez ma még nem megoldott feladat. De tételezzük fel, hogy
sikerült a tökéletes szétválogatás, akkor azzal a problémával állunk
szemben, hogy van egy edényünk tele "nanométeres gyufaszálakkal",
amiből fel kell építeni valamit. Azonban a gyufaszálakból való
építkezéstől eltérően a nanocsöveket a legfinomabb csipesszel sem
lehet "megfogni" és oda helyezni, ahol szükség van rájuk. Joggal fel
lehet vetni a kérdést, miért nem növesztjük a nanocsöveket egyenesen
a kívánt helyszíneken. Nos, többek között azért, mert nem tudunk
csak egyfajta feltekerésű nanocsövet növeszteni. Mindezeket a
nehézségeket egy csapásra kiküszöböli a grafén azáltal, hogy egy
nagy kiterjedésű lap, amelyből kivágható a kívánt alakzat, ha
rendelkezésünkre áll a nanométeres mintázatokat kivágni képes
"nano-olló". Ekkor ugyanúgy, ahogy a jó szabó, ha kell nadrágot, ha
kell kabátot is tud szabni ugyanabból a szövetdarabból, mi is azt
vághatunk ki, amire éppen szükség van.
Melyek azok a
területek, ahol a két anyag hosszabb távon is alternatívája maradhat
egymásnak? Hol juthatnak kiemelt szerephez a
nanocsövek?
Természetesen a világ nem fogja
könnyedén kidobni azt a hatalmas erőfeszítést, amit a szén
nanocsövek kutatásába fektettek az elmúlt tizenhét évben. A szén
nanocsövek főleg a kompozitok mechanikai tulajdonságainak javítása
terén lehetnek előnyösebbek, mint a grafén. Ezen a területen ugyanis
kevésbé játszik szerepet az, hogy az eltérő feltekerésű szén
nanocsövek eltérő elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek,
ugyanakkor mechanikai tulajdonságaik hasonlóak. Sőt, szilárdság és
rugalmasság terén felül is múlhatják a grafént, pontosan csőszerű
szerkezetük miatt. Ezt egyszerűen meg lehet érteni: ha egy A4-es
méretű papírlapon próbálok megállásra bírni egy könyvet, semmi
esélyem sincs a sikerre. Ha ugyanezt a kísérletet úgy végzem el,
hogy a lapból egy hengert alakítok ki, akkor ez a henger vidáman
elbír egy közepes méretű könyvet is.
Míg korábban a
központi kérdést az jelentette, hogy hogyan állítható elő összefüggő
grafénréteg, mostanra ugyanilyen izgalmas probléma
lett, hogy hogyan daraboljuk föl azokat apróbb részekre és
miként építsünk belőlük áramköröket. Miért szükséges
ehhez parányi elemekre bontani a
grafént?
Igazság szerint nem állunk olyan nagyon jól
a nagyméretű és jó minőségű grafénlemezek előállításával sem. Egy
minőségi grafénminta ára, melynek a felülete néhány száz
négyzetmikron, elérheti akár az 1000 eurót is. Persze ha a
nanométerek világában gondolkodunk, akkor a néhány száz
négyzetmikron egy nagyon nagy felületnek számít. Visszatérve a
kérdésére, ha már van egy nagy és jó minőségű grafénrétegünk, azért
kell belőle néhány nanométer széles szalagokat kivágni, mert ezzel
tudjuk alakítani az elektronszerkezetét. A grafén önmagában egy
félfém, vagy nulla tiltott sávú félvezető. Ezt azt jelenti, hogy nem
készíthetünk belőle olyan tranzisztort, aminek van "kikapcsolt"
állapota. Így pedig nem igazán használható fel processzorok
készítésére. Ha elég keskeny szalagot vágunk ki a grafénból egy jól
meghatározott kristálytani irányban, akkor ki tudunk alakítani egy
olyan tiltott sávot a szalag elektronszerkezetében, aminek
köszönhetőn kikapcsolt állapottal is fog rendelkezni a grafén
tranzisztor. Így már el lehet kezdeni a nanoprocesszorok tervezését.
Azonban nem csak szalagokat lehet és kell kivágni, hanem
"könyökformában" illeszkedő szalagokat, háromszögeket, és más
bonyolultabb alakzatokat is. Ezzel a munkával Dobrik Gergely PhD
hallgató foglalkozik most osztályunkon.
De
hangsúlyozom, hogy nagy felületen jó minőségű grafénréteget
előállítani nem kis kihívás. Ezen a területen a világ több vezető
laboratóriumával is versenyzünk. Ezen áll vagy bukik a grafén
tényleges ipari alkalmazása. Az eddigi eredmények igen bíztatóak,
kolozsvári kollegánkkal, Darabont professzorral, akivel a szén
nanocsövek növesztésében is együttműködtünk, ígéretes eredményeket
értünk el. Nemes-Incze Péter kollegám már írja a cikket ebből a
munkából, bővebbet a cikk megjelenése után
mondhatok.
A grafén előállítására és megmunkálására
egyszerre több módszer is létezik: a helyzetet az uralkodó
paradigmák előtti állapotok tudományos sokszínűsége jellemzi. Milyen
tényezők dönthetik el, hogy melyik módszer a leginkább célravezető?
Mekkora kockázatot vállal ma egy kutatóintézet, amelyik egy eljárás
mellett kötelezi el magát?
A két feladat két külön
megközelítést igényel. Ahhoz, hogy legyen mit vágni, litográfiával,
vagy egyéb módszerrel, ahhoz elő kell állítani a grafénlapot. Az
alapkutatások végzéséhez, az ötletek kipróbálásához elégséges a
Novoselv által kidolgozott mechanikai leválasztáson alapuló módszer.
Köztudott, hogy a grafitceruzával könnyedén írni lehet a papírra. Ez
azért történik, mert a ceruza hegyéről grafén és néhány atomi réteg
vastag, ún. néhányréteges grafit (few layer graphite, FLG) válik le
és tapad a papírhoz. Ugyanis a grafit egy réteges szerkezetű anyag,
olyan mint egy köteg nyomtatópapír. Ha a csomagolásból kiemelt
papírcsomagot az asztalra helyezem és oldalról meglököm, könnyedén
lapokra csúszik szét. Ha viszont egy lapot úgy szeretnék
elszakítani, hogy az asztalra simítva a két kezemmel két ellentétes
irányba húzom, akkor bizony alaposan erőlködni kell. Ráadásul a
hatszöges síkban a szénatomok között a világ legerősebb atomi kötése
hat. Tehát az nem ütközik nagy nehézségekbe, hogy valamilyen
felületre felvigyünk grafén és FLG pikkelyeket. Ami bonyolultabb,
ezeknek a szétválogatása vastagság szerint és egyik helyről a másik
helyre történő áthelyezése, illetve elektromos kivezetésekkel való
ellátása, ahhoz, hogy mérhető, illetve STM-mel szabható legyen.
Ezeket a feladatokat a fenti módszerből kiindulva mind megoldottuk
kollegáimmal. Arra kiválóan alkalmasak ezek az eljárások, hogy
kipróbáljuk az ötleteinket. Azonban teljesen világos, hogy meg kell
oldani a grafén növesztését, erre leginkább a kémiai módszerek
látszanak alkalmasnak. Leginkább egy olyan módszert vélek
esélyesnek, amelyik részben hasonlatos a szén nanocsövek katalitikus
növesztéséhez. Dolgozunk ezen, de most többet nem
mondhatok.
Ugyanakkor, mint említettem, nem
csak egyetlen irányba haladunk a grafén kutatásával. Szorosan
kombináljuk a kísérleti és modellezési munkát, az anyag előállítását
és megmunkálást. Saját magunk által kidolgozott szimulációs
módszereket alkalmazunk -- ezzel a területtel Dr. Márk Géza kollegám
foglalkozik --, hogy megvizsgáljuk, hogyan terjednek az
elektronhullámok azokon a naoszerkezeteken keresztül, amelyekkel
dolgozunk. Ennek a szoftvernek egy egyszerűsített, kétdimenzóban
számolni képes változata szabadon hozzáférhető a honlapunkon keresztül. Akár érdeklődő gimnazisták
is használhatják, hogy szemléletes formában jobban megérthessék a
kvantummechanika törvényszerűségeit.
A grafén
szalagokra vágásában és azok összekombinálásában az önök osztálya
kimagasló eredményeket ért el az utóbbi időben: a Nature
Nanotechnology tavaly nyári számának címlapján egy olyan kíserlet
eredménye szerepelt, melyet Tapasztó Levente és munkatársai
végeztek.
Köszönjük, ez tényleg így van. Azóta is mi
tartjuk a legkeskenyebb grafénszalag kivágásának a világrekordját.
Azt is sikerült megvalósítanunk, hogy pontosan tudjuk, milyen
kristálytani irányban vágjuk ki a szalagot. A pásztázó
alagútmikroszkópot (Scanning Tunneling Microscope, STM) alkalmaztuk
ennek a feladatnak a megoldására. Ez egy olyan eszköz, amellyel
atomi felbontású képet lehet készíteni egy felületről. Első lépésben
felveszünk egy ilyen képet, ennek alapján meghatározzuk merre
mutatnak a grafénlemez kristálytani tengelyei. Ezek ismeretében
megtervezzük a kivágni szándékozott alakzatot, majd az általunk
kidolgozott vágási üzemmódba kapcsolva az STM-et kivágjuk a
tervezett szalagot. A vágás alatt az STM tűje úgy működik, mint egy
nanométeres plazmapisztoly, kicsit hasonlóan ahhoz, ahogyan a
vasműben a lángvágóval darabolják az acéllemezeket. Ha megtörtént a
vágás, visszakapcsolunk leképező üzemmódba és ellenőrizzük, hogy
valóban a kívánt alakzatot vágtuk-e ki. Illetve meg tudjuk nézni a
kivágott alakzatot atomi felbontásban és spektroszkópiai üzemmódban
meg tudjuk vizsgálni az elektronszerkezetét. Eddig a legkeskenyebb
grafénszalag, amit kivágtunk mindössze 2,5 nanaométer széles volt --
ez tíz benzolgyűrűnek felel meg -- és tiltott sávja
összemérhető volt a germániuméval. Ez azt jelenti, hogy ilyen
építőelemekből olyan nanoelektronika hozható létre, amely
szobahőmérsékleten is működőképes. Fiatal munkatársamat, Dr.
Tapasztó Leventét Junior Prima díjjal jutalmazták 2008-ban ennek a
megvalósításért, jelenleg a stuttgarti Max Planck Szilárdestfizikai
Kutatóintézetben tölti egyéves Humboldt-ösztöndíját. Nagyon remélem,
hogy szeptembertől újra velünk dolgozik.
Hogyan
állíthatók össze áramkörök a grafénszalagokból? Hasonló kihívásokat
sejtet ez a feladat, mint a nanocsövekből való
építkezés.
Amint azt korábban már mondtam, ha van
mivel vágni, akkor a jó szabó, akármit ki tud vágni. Lényegében ezt
tanuljuk, hogyan váljunk jó szabókká a nanovilágban, csak itt nem
divatdiktátorok ötleteiből erednek a szabásminták, hanem a fizika
atomi léptékű törvényszerűségeiből. Egy-egy egyszerűbb áramkör
valószínűleg olyan lesz, mint a Nature Nanotechnology címlapjára
került nano-könyök összekötve néhány szomszédjával. Ez nano-könyök
ugyanis nem más, mint egy nanométeres léptékű dióda: egy fémes és
félvezető viselkedésű nanoszalag
összekapcsolva.
Milyen nanoelektronikai alkalmazások
merülhetnek még föl a grafén kapcsán?
Nemcsak a
nanoáramkörökben izgalmas a grafén, hanem például érzékelőkben is.
Semmi sem lehet érzékenyebb, mint egy egyetlen atomi rétegű
érzékelő, amelynek valamennyi atomja "felületi atom", amelyek
kölcsönhatnak az érzékelő környezetével. Nemrégiben fogadták el
cikkünket a Nanopages folyóiratban, amelyben a grafénrétegeken
fellépő fotovezetés jelenségéről számolunk be: a megvilágítás
megváltoztatja a grafénréteg vezetőképességét. Ezzel a témával Dr.
Horváth Zsolt Endre kollegám és Neumann Péter PhD hallgató
foglalkoznak.
A grafén előállítása és megmunkálása
kapcsán végzett kutatások mennyire jutottak már túl a prekompetitív
fázison? Köztudott, hogy a nanocsövekhez hasonlóan a grafén is
fölkeltette már az olyan nagyvállalatok figyelmét, mint az IBM, a HP
és az Intel.
Erről csak korlátozott mértékben tudok
beszélni. Jelenleg több multinacionális céggel is van közösen beadni
tervezett pályázatunk az Európai Unió által finanszírozott FP7-es
kutatási keretprogramba.
Bak Árpád
|
|
