Čudežna snov grafen
Marjan Kodelja 5. februarja 2018 ob 06:41

Ničesar ne poznamo, kar bi bilo tako trdo, prozorno, lahko in raztegljivo kot grafen. Snov, za katero sta fizika Andre Geim in Konstantin Novoselov leta 2010 dobila Nobelovo nagrado, dobro prevaja elektriko in toploto. Grafen je trda snov iz čistega ogljika, v kateri so atomi razporejeni v vzorec pravilnih šestkotnikov. Podoben je grafitu, vendar z debelino plasti le enega atoma.

Skrivnost grafena je v atomski strukturi, na videz podobni satovju. Od štirih zunanjih elektronov atoma ogljika trije tvorijo vezi s sosednjimi atomi, četrti, ki ohranja orbito pravokotno na strukturo, pa prevaja elektriko ali toploto. Povezava med atomi je skoraj tako močna kot pri diamantu, potrebna je razmeroma velika sila, da jo pretrga, a se hkrati, zaradi debeline plasti le enega atoma, lahko raztegne za do dvajset odstotkov. Uporaba grafena v elektronskih napravah je zanimiva zaradi četrtega »prostega« elektrona, ki se lahko zaradi visoke energijske vrednosti hitro in skoraj brez uporabnosti giblje prek strukture snovi. Raziskovalci IBM so leta 2010 izdelali prototip tranzistorja iz grafena, ki je deloval s frekvenco 100 MHz. Tranzistor iz grafena pa ni preprosto zamenjava snovi, iz katere je, njegovo strukturo so morali prilagoditi lastnostim grafena.

Tranzistorji so osnovni gradniki računalnikov, danes izdelani iz polprevodnega silicija. Tudi ta element ima štiri zunanje elektrone, ki tvorijo vezi s sosednjimi atomi, vendar zaradi atomske strukture v nasprotju z grafenom noben ne ostane prost. Ko je na tranzistorju električna napetost, se med izvorom in ponorom oblikuje tunel, skozi katerega »potujejo« elektroni. Da je to mogoče, siliciju dodajo nečistoče – dopiranje. Izvor in ponor tranzistorja sta n-dopirana, kar pomeni, da je siliciju dodan na primer arzen, ki ima pet zunanjih elektronov. V kristalni strukturi ostane en prost elektron. Snov, v kateri nastane tunel, pa je p-dopirana, na primer z bromom. Ta ima le tri zunanje elektrone, zato v kristalni strukturi nastanejo vrzeli. Obstoj prostih elektronov in vrzeli pomeni električno prevodnost. Da tok steče, mora biti tranzistor pod napetostjo, kako visoka je ta, pa je odvisno od stopnje dopiranja. Silicij ima prag 1.1 elektron voltov, toliko energije je potrebno, da dvigne zunanji elektron iz valenčnega v prevodni pas. Ko je elektron v prevodnem pasu, je tranzistor v stanju, ko lahko med izvorom in ponorom steče električni tok. Pri tranzistorju iz grafena te omejitve ni, saj so prosti elektroni vedno v prevodnem pasu. Tak tranzistor (stikalo) je vedno vključen, tudi ko na njem ni električne napetosti. Kot tak je popolnoma neuporaben, saj je kot kos žice.

Da tranzistor grafena deluje, kot želimo, mu moramo vgraditi energijski prag. Raziskovalci inštituta tehnologije Georgia Tech so deformirali grafen v nanotrakove, površino grafena so vzvalovili in tako naredili razliko v pasovih z energijsko vrednostjo 0,5 elektron volta. Japonski znanstveniki so naredili še korak naprej. Izdelali so tranzistor iz grafena velikosti 30 nanometrov (primerljivo z 22-nanometrskim tranzistorjem iz silicija), pri katerem so uporabili metodo kemičnega naparjevanja CVD (chemical vapor deposition) s še nekoliko nižjim energijskim pragom. Namesto konstrukcije z enimi kontrolnimi vrati so uporabil konstrukcijo z dvojimi. Motnje v strukturi satovja grafena so naredili tako, da so ga obstreljevali z ioni helija. Kljub vsemu gre pri teh poskusih za posnemanje delovanja silicijevega tranzistorja, kar morda ni najboljša pot. Na univerzi v Manchestru so se lotili izdelave elementa, v katerem sta dve plasti grafita, narejeni po metodi CVD, med katerima je plast volframovega disulfida (WS2). Tako so dosegli energijski prag 2,1 elektron volta, pri katerem elektroni prehajajo iz ene plasti grafena v drugo.

Ko bodo našli cenovno primeren način, kako izdelati tranzistor iz grafena, so naslednji korak pomnilniki. Celica pomnilnika deluje namreč podobno kot tranzistor (zgrajena je iz več tranzistorjev), a s to razliko, da imajo ti tranzistorji plavajoča vrata med kontrolnimi vrati in predorom, skozi katera tečejo elektroni. Število elektronov, ki se zadržujejo v plavajočih vratih, določi podatek (bit), ki ga celica hrani, oziroma koliko elektronov (toka) bo skozi tranzistor steklo. Plavajoča vrata napolnijo z elektroni z visoko pozitivno napetostjo, izpraznijo pa z negativnimi. Švicarski raziskovalci (EPFL) so izdelali celico bliskovitega (FLASH) pomnilnika, v kateri so plavajoča vrata iz grafena, predor pa iz molibdenita (MoS2), skozi katerega elektroni prehajajo skoraj tako tekoče kot skozi grafen, njegov energijski prag pa je 1,8 elektron volta. Prednost takšne konstrukcije v primerjavi s klasično silicijevo je v večjem številu ciklov brisanja, ki ga celica prenese, saj ta postopek deluje pri nižji napetosti, deformacije snovi pa so manjše. Hkrati sta višji tudi hitrosti branja in pisanja v celico.

Grafen je primeren tudi za zaslone, kjer bo zamenjal redke in temu primerno dražje elemente ter izboljšal delovanje baterij. Na politehničnem inštitutu v New Yorku (Rensselaer Polytechnic Institute) so dokazali, da je mogoče dvajsetminutni čas polnjenja baterije skrajšati na 90 sekund. Ker grafen dobro prevaja električni tok, hkrati pa je prozoren, je primeren tudi za zaslone. Na univerzi Stanford so že leta 2010 prikazali zaslon z organskimi diodami (OLED), ki ima elektrode iz grafena. Poleg tega bo lahko zamenjal drag indij kositer oksid (ITO), ki ga tako kot v zaslonih najdemo tudi v sončnih celicah. Uporabne so tudi njegove mehanske lastnosti. Ker je lahek, raztegljiv in obstojen, lahko iz njega naredijo membrane zvočnikov v slušalkah. Prototip je izdelala skupina raziskovalcev univerze Berkeley. Membrana ima premer sedem milimetrov, vibriranje pa povzročita silicijevi elektrodi na njej. Kakovost zvoka je primerljiva s slušalkami višjega cenovnega razreda.

Grafen se omenja kot snov prihodnosti, z njim se ukvarja več skupin raziskovalcev – tako zasebnih podjetij kot univerz –, saj je na voljo dovolj denarja, vendar je do njegove praktične uporabe še dolga pot. Največja ovira je proizvodnja, saj še niso iznašli načina, kako ga poceni izdelati v velikih količinah. Način, s katerim pridobivajo grafen za raziskovalne namene, to je cepljenje grafita v milimeter dolge trakove, ni primeren za množično proizvodnjo. Več obetata drugi dve znani metodi. Pri eni nastane plast grafena na podlagi iz silicijevega karbida, tako pridobivajo vaflje premera 50 milimetrov. Ta kombinacija je primerna kot snov za tranzistorje, saj bolje prevaja elektrone (2000 cm2/Vs) kot dopirani silicij (1400), a je daleč od teoretične zmogljivosti grafena (200.000). Tej vrednosti se malce bolj (16.000) približa metoda kemičnega naparevanja (CVD), pri kateri se na 900 stopinj segret plin, v katerem je veliko ogljika, razgradi na bakreni površini. Ker baker ni primeren kot nosilec grafena, se ta nato »preloži« na silicijevo podlago. Metoda CVD trenutno največ obeta v pogledu množične proizvodnje grafena. Vendar je pot do grafena v komercialnih izdelkih najverjetneje še dolga.

Naroči se na redna vsakotedenska e-poštna obvestila o novih prispevkih na naši strani.


 

Booking.com INT
Avtor Marjan Kodelja
mm
Marjan se s tehnološkim novinarstvom ukvarja od leta 1997 in v tem času je videl že mnogo stvari, ki se nikoli niso uveljavile ali pa so imele kratek čas trajanja. Začel je pri računalniški reviji Moj mikro in ter 2000 postal njen urednik. Veliko kasneje je bil urednik naprej tednika Stop in nato še tednika Vklop, trenutno pa kruh služi s pisanjem tehnoloških člankov.
Marjan Kodelja - prispevki
Brez komentarjev

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja