A csoda a ceruzavonalból - fizika; Tovább - FAZ
Az elektronikában ma minden kicsi, nagyon kicsi. Tehát, ha egy anyag újból forradalmasítani készül, ahogy a szilícium egykor tette, akkor különösen filigrán méreteket kell lehetővé tennie - de nem feltétlenül mindhárom térbeli irányban. Egy is elég lehet, ha milliószor vékonyabb, mint egy papírlap. Mint a szén egy olyan formája, amely a grafittól eltérően nem sok párhuzamos rétegből áll, hanem egyetlen méhsejtként összekapcsolt atomrétegből áll. A meglepően stabil kristályt grafénnek hívják - a végére helyezve a hangsúlyt.
A szilárdtest fizikusok új kedvenc anyagát sokáig pusztán elméleti konstrukciónak tekintették. Úgy gondolták, hogy az atomok egymás elleni rezgései elpusztítják egy ilyen hálózatot. Szóval nagy volt a meglepetés, amikor Andre Geim és Kosztya Novoselov három évvel ezelőtt apró pelyhegrafikonokat mutatott be. A manchesteri fizikusoknak sikerült egy földhözragadt technikával előállítaniuk: hétköznapi ragasztószalag segítségével apró grafitkristályok rétegeit hámozták le, például néhány ceruza nyomában, néhány atomréteg vastagságban. Nyomták a vérlemezkéket egy szilícium-oxid alapra, és addig ismételgették az eljárást, amíg az egyes grafén kristályok meg nem voltak.
Méhsejt mintájú fényhullámok
Az a tény, hogy a kétdimenziós kristályok nem gurulnak össze és nem rakódnak össze, ahogy feltételezik, a szabályos méhsejtmintázatú fényhullámoknak köszönhető: a stabilizáló horpadások csak nanométer magasak és száz atom körüli tartományban vannak. Nemrégiben ezt mutatták a stuttgarti Max Planck Solid State Research Intézet mérései.
A grafénkristályok rendkívüli elektronikus tulajdonságai gyorsan felkeltették a félvezetőipar érdeklődését. Mert bár a grafén nem sem félvezető, sem fém, rendkívül jól vezeti az áramot és a hőt. Ez a méhsejt-szerkezet következménye: a négy elektron közül, amelyekkel minden egyes szénatom meg tud kötődni a külsejéhez, csak háromra van szükség a méhsejt-szerkezetben. A negyedik bárhol lehet a kristály szintjén, és fajtársaival együtt szinte zavartalanul tud siklani a rács atomjaival való ütközés során, és kis veszteséggel szállíthatja az elektromos energiát.
Itt jön jól a grafikon. Mivel a szilíciumból készült elektronikai alkatrészek miniatürizálása belátható időn belül eléri fizikai határait. Ezután meg kell találni egy új anyagot, amely lehetővé teszi az áramköri elemek további miniatürizálását. A grafikonok alkalmas jelölt lehet erre.
Keskeny grafénszalagok réz vonalak helyett
Max Lemme, az Alkalmazott Mikro- és Optoelektronikai Társaság (AMO) munkatársa Aachenben vizsgálja, hogy a grafén mennyire alkalmas elektronikus alkatrészekben való felhasználásra. Munkacsoportja kétféle megközelítést követ: egyrészt keskeny graféncsíkok hivatottak pótolni az elektronikus alkatrészek rézvezetékeit, és már sikerült elkészíteniük első tranzisztorukat. "Ennek előfeltétele azonban az, hogy elegendő minőségű grafént lehet nagy területen előállítani, például a manapság szilíciumhoz hasonló technikákkal" - mondja Lemme. "Ezenkívül képesnek kell lennie ezeknek a rétegeknek a vágására körülbelül öt nanométeres pontossággal."
Ez ma még kizárt, annak ellenére, hogy számos kutatócsoport megbízható gyártási módszerek kidolgozásán dolgozik nagy grafénrétegeknél. "Ott már vannak ígéretes folyamatok" - mondja Thomas Seyller az Erlangen-Nürnbergi Egyetemről, "de ezek még mindig intenzív alapkutatások tárgyát képezik." Eddig a fizikusoknak meg kellett elégedniük néhány mikrométer nagyságú pelyhekkel. "Ez elég a jelenleg fontos orientációs kísérletekhez" - mondja Heinrich Kurz, az AMO igazgatója. Ami a jövőbeni alkalmazások nagyüzemi gyártását illeti, nem kell aggódni: "Ha a mikroelektronikai technológia ott használja a fegyvereit, az is lehetséges lesz" - mondja Kurz.
A grafén alkalmazásával kapcsolatban a legújabb publikációk nem korlátozódnak a mikroelektronikára: Ez év márciusában Nagy-Britannia és az Egyesült Államok kutatói kiszámították, hogy a grafénkristályok "rossz" irányba hajlítják az elektronhullámokat - hasonlóan ahhoz, amit az úgynevezett metamágnesek az elektromágneses hullámokkal csinálnak Készítsen sugárzást. Ez lehetővé tette a hullámos szénmembránból származó elektronhullámok lencséinek és nyalábosztóinak felépítését.
Ideális érzékelők a legkisebb gázmennyiséghez?
Július végén az Andre Geim vezette tudósok azt javasolták, hogy a grafént alkalmazzák a gázmolekulák rendkívül érzékeny detektoraként. Méréseik azt mutatták, hogy az egyes molekulák, például ammónia vagy nitrogén-dioxid felhalmozódása ugrásokkal megváltoztatta a grafén vezetőképességét, így ideális érzékelők építhetők fel a legkisebb mennyiségű mérgező gáz számára. Szinte ugyanakkor az illinoisi tudósok papírszerű fólia gyártását mutatták be grafénből a Nature-ben. A kutatók szerint a rendkívül szakadásnak ellenálló és stabil szénrétegek erősíthetik a kompozit anyagokban lévő polimereket, fémeket vagy kerámiákat.
Siegmar Roth, a stuttgarti Max Planck Solid State Research Intézet nem hisz ezekben a szenzációs jelentésekben: "Nem meglepő, hogy egy apró atomrács érzékeny az egyes idegen molekulákkal való érintkezésre." Ezenkívül a grafén kémiailag túlságosan ellenséges a kötéssel, hogy javítani tudja az anyag tulajdonságait, például a szakítószilárdságot, ha műanyagba ágyazzák. Lemme is egyetért ezzel: "Ahhoz, hogy ez működjön, először a grafént kellene kémiailag módosítani."
A szilíciumnak még nincs utódja
Még mindig korai a grafén kereskedelme a szilícium utódjaként a mikroelektronikában - mondja Daniel Loss, a Bázeli Egyetem munkatársa, de rámutat a félvezető-technológia terén az elmúlt tíz évben elért hatalmas fejlődésre. A grafén jövőbeni alkalmazására vonatkozó elképzelései sokkal tovább mennek, mint kollégái: A jövőben a grafénrétegek képezhetik egy kvantumszámítógép alapját, amelyben az elektronok mágneses momentumai - úgynevezett kvantumpontokba szorítva - biztosítják az információhordozókat.
A hullámos szénkristályok akkor is különleges vonzerővel bírnának, ha a sokféle alkalmazásra vonatkozó nagy remények nem teljesülnének: mert a grafénsíkon keresztül mozgó töltéshordozók engedelmeskednek az úgynevezett Dirac-egyenletnek, amely majdnem olyan gyors kvantumrészecskéket ír le, mint a fény. Ez meglepő, mert a Schrödinger-egyenlet, amely csak a lassú kvantumokra érvényes, általában elegendő a szilárd anyag körülményeihez. A fizika alapvető kérdéseire adott válaszok, amelyek jelenleg nagy részecskegyorsítókban keresendők, szunnyadhatnak a vékony szénrétegekben.