Világszínvonalú magyar eredmények a grafén kutatásában

A grafén az első egyetlen atom vastagságban előállított lemez. Gyakorlati alkalmazhatóságához (pl. hajlékony síkképernyők, új típusú tranzisztorok, nanoelektronika, újszerű érzékelők, és még sok más) meg kell oldani nagy felületen, jó és azonos minőségben történő előállítását. Ez komoly kihívást jelent mind az anyagtudomány, mind pedig a jellemzési módszerek szempontjából. A szénatomokat egyetlen atom vastag rétegben kell hibátlanul egymás mellé rendezni, illetve, az egyetlen atom vastag rétegben előforduló hibákat is újszerű módszerekkel kell feltárni és jellemezni.

Az MTA TTK MFA Nanoszerkezetek Osztály kutatói az MTA és a Koreai KRCF megállapodásával létrehozott Korean-Hungarian Joint Laboratory for Nanosciences keretében jelentős sikereket értek el a kémiai leválasztással (Chemical Vapor Deposition ,CVD) a koreai kutató intézetben, a KRISS-ben a Chanyong Hwang csoportjában előállított grafén minták szemcseszerkezetének és szemcsehatárainak jellemzésében.

Kidolgoztak egy atomi erőmikroszkópos méréseken alapuló széles körben alkalmazható módszert a szemcsehatárok feltárására és a szomszédos szemcsék kristálytani tengelyeinek egymáshoz viszonyított elforgatásának jellemzésére. (P. Nemes-Incze et al., Appl. Phys. Lett. 99, 023104 (2011); doi:10.1063/1.3610941). Elsőként tárták fel nanométeres felbontással egyedi grafén szemcsehatárok elektromos jellemzőit, rámutatva, hogy a szemcsehatárok jelenléte drasztikus módon befolyásolja a grafén elektromos tulajdonságait. (L. Tapasztó et al., Appl. Phys. Lett., 100, 053114 (2012); doi:10.1063/1.3681375). Sajátfejlesztésű, hullámcsomagdinamikai szoftveren alapuló szimulációval is igazolták, hogy a töltésterjedés meghatározott kristálytani irányok szerint történik a grafénban, ugyanakkor a szemcsehatárokon jelentős mértékben szóródnak a töltéshordozók. (Márk. G. I et al., Phys. Rev. B 85, 125443 (2012); doi: 10.1103/PhysRevB.85.125443).

Grafén lemezben terjedő elektronhullám szemcsehatáron való áthaladásának pillanatképe. A hullámterjedést bemutató számítógépes film itt látható.

Az Oxfordi egyetem kutatóival is együttműködve elsőként figyelték meg és magyarázták, hogy a réz felületén CVD módszerrel növesztett grafén krisztallitok színesen jelenhetnek meg polarizált fényű optikai mikroszkópban, a lineárisan polarizált fény szelektív módon történő grafénba csatolódása miatt. (K. Kertész et al. Appl. Phys. Lett., 100, 213103 (2012) doi: 10.1063/1.4719205). A grafén krisztallitok színét az határozza meg, hogy lineárisan polarizált fény elektromos vektora E, párhuzamosan rezeg a réz felületén kialakult lépcsőkkel, vagy merőleges erre az irányra.

Réz felületén növesztett grafén krisztallitok. Baloldal: lépcsők élével párhuzamos E vektor, jobb oldal: lépcsők élére merőleges E vektor.

Az MTA TTK MFA Nanoszerkezetek Osztály kutatói által az elmúlt félévben a grafén szemcsehatárok kutatása terén elért eredmények jelentős mértékben hozzájárulnak a CVD módszerrel növesztett grafén különféle termékekben való alkalmazásának útjában álló akadályok elhárításához és a koreai-magyar együttműködés eredményes továbbviteléhez.