Zázrak z ceruzky - fyzika; Viac - FAZ
V elektronike je dnes všetko malé, veľmi malé. Takže keď sa v materiáli chystá revolúcia, ako to kedysi urobil kremík, musí umožňovať obzvlášť filigránske rozmery - nie však nevyhnutne vo všetkých troch priestorových smeroch. Jeden by mohol stačiť, ak je miliónkrát tenší ako list papiera. Ako forma uhlíka, ktorá na rozdiel od grafitu nepozostáva z mnohých paralelných vrstiev, ale z jednej vrstvy atómov spojených ako voština. Prekvapivo stabilný kryštál sa nazýva grafén - s dôrazom na koniec.
Nový obľúbený materiál fyzikov v pevnom stave sa dlho považoval za čisto teoretický konštrukt. Verilo sa, že vibrácie atómov proti sebe zničia takúto sieť. Prekvapenie bolo teda veľké, keď Andre Geim a Kosťa Novoselov pred tromi rokmi predstavili malé vločkové grafy. Fyzikom z Manchestru sa to podarilo vyrobiť technikou, ktorá bola pekne pri zemi: Pomocou obyčajnej lepiacej pásky odlupovali vrstvy drobných grafitových kryštálov, aké sa nachádzajú v každej stope ceruzky, hrúbky niekoľkých atómových vrstiev. Doštičky nalisovali na základňu vyrobenú z oxidu kremičitého a postup opakovali, kým neboli prítomné jednotlivé kryštály grafénu.
Svetelné vlny vo včelí plástu
Skutočnosť, že dvojrozmerné kryštály sa nezrolujú ani nezhlukujú, ako sa predpokladá, je vďaka svetelným vlnám v pravidelnom plástovom vzore: stabilizačné zárezy sú vysoké iba nanometrov a rozpätie okolo sto atómov. Toto nedávno ukázali merania na Max Planckovom inštitúte pre výskum tuhých látok v Stuttgarte.
Mimoriadne elektronické vlastnosti kryštálov grafénu rýchlo vzbudili záujem polovodičového priemyslu. Pretože aj keď grafén nie je ani polovodičom, ani kovom, mimoriadne dobre vedie elektrinu a teplo. Je to dôsledok voštinovej štruktúry: zo štyroch elektrónov, s ktorými by sa každý atóm uhlíka mohol naviazať na vonkajšiu stranu, sú vo voštinovej štruktúre potrebné iba tri. Štvrtý môže byť kdekoľvek na úrovni kryštálu a v spojení s jeho špecifickými vlastnosťami môže kĺzať takmer nerušene zrážkami s atómami mriežky a prenášať elektrickú energiu s malými stratami.
Tu sa graf hodí. Pretože miniaturizácia elektronických súčiastok vyrobených z kremíka dosiahne v dohľadnej dobe svoje fyzikálne limity. Potom je potrebné nájsť nový materiál, ktorý umožní ďalšiu miniaturizáciu prvkov obvodu. Vhodným kandidátom by na to mohli byť grafy.
Namiesto medených liniek úzke pásky z grafénu
Max Lemme zo Spoločnosti pre aplikovanú mikro- a optoelektroniku (AMO) v Aachene skúma, do akej miery je vhodný grafén na použitie v elektronických súčiastkach. Jeho pracovná skupina sleduje dva prístupy: Na jednej strane sú úzke pásy grafénu určené na nahradenie medených vodičov na elektronických súčiastkach a už sa im podarilo vyrobiť prvý tranzistor. „Predpokladom je však to, aby sa grafén mohol vyrábať v dostatočnej kvalite na veľkej ploche, napríklad použitím techník podobných tým, ktoré sa dnes používajú pre kremík,“ hovorí Lemme. „Okrem toho by ste mali byť schopní rezať tieto vrstvy s presnosťou asi na päť nanometrov.“
To dnes stále neprichádza do úvahy, aj keď početné výskumné skupiny pracujú na vývoji spoľahlivých výrobných metód pre veľké grafénové vrstvy. „Tam už existujú sľubné procesy,“ hovorí Thomas Seyller z univerzity v Erlangene-Norimbergu, „ale stále sú predmetom intenzívneho základného výskumu.“ Doteraz sa fyzici museli uspokojiť s vločkami o veľkosti niekoľkých mikrometrov. „To je dosť na momentálne dôležité orientačné experimenty,“ hovorí Heinrich Kurz, riaditeľ AMO. Pokiaľ ide o veľkovýrobu pre budúce aplikácie, nemožno mať žiadne obavy: „Ak tam mikroelektronická technológia použije svoje zbrane, bude to tiež možné,“ hovorí Kurz.
Posledné publikácie sa neobmedzujú iba na mikroelektroniku, pokiaľ ide o aplikácie grafénu: Vedci z Veľkej Británie a USA v marci tohto roku vypočítali, že kryštály grafénu ohýbajú elektrónové vlny „nesprávnym“ smerom - podobne ako to robia takzvané metamateriály s elektromagnetickými vlnami. Urobte žiarenie. To umožnilo skonštruovať šošovky a rozdeľovače lúčov pre elektrónové vlny z vlnitej uhlíkovej membrány.
Ideálne snímače pre najmenšie množstvo plynu?
Na konci júla navrhli vedci na čele s Andre Geimom použitie grafénu ako vysoko citlivého detektora molekúl plynu. Ich merania ukázali, že akumulácia jednotlivých molekúl, ako je amoniak alebo oxid dusičitý, zmenila vodivosť grafénu míľovými krokmi, takže bolo možné zostrojiť ideálne snímače pre najmenšie množstvo toxických plynov. Vedci z Illinois takmer v rovnakom čase predstavili v prírode výrobu papierových fólií z grafénu. Extrémne odolné proti roztrhnutiu a stabilné uhlíkové vrstvy by podľa vedcov mohli byť použité v kompozitných materiáloch na vystuženie polymérov, kovov alebo keramiky.
Siegmar Roth z Inštitútu Maxa Plancka pre výskum tuhých látok v Stuttgarte neverí týmto senzačným správam: „Nie je prekvapením, že malá atómová mriežka je citlivá na kontakt s jednotlivými cudzími molekulami.“ Okrem toho je grafén chemicky príliš nepriateľský voči väzbám, aby dokázal zlepšiť vlastnosti materiálu, napríklad pevnosť v ťahu, keď je zaliaty v plaste. Lemme tiež súhlasí: „Aby to fungovalo, musíte najskôr graficky chemicky upraviť.“
Zatiaľ žiadny nástupca kremíka
Stále je príliš skoro obchodovať s grafénom ako s nástupcom kremíka v mikroelektronike, tvrdí Daniel Loss z Bazilejskej univerzity, ale poukazuje na obrovský pokrok, ktorý sa za posledných desať rokov dosiahol v polovodičovej technológii. Jeho predstavy o budúcej aplikácii grafénu idú oveľa ďalej ako jeho kolegov: V budúcnosti by grafénové vrstvy mohli tvoriť základ kvantového počítača, v ktorom nosiče informácií poskytujú magnetické momenty elektrónov - zachytené v takzvaných kvantových bodkách.
Zvlnené uhlíkové kryštály by mali zvláštnu príťažlivosť, aj keby sa nenaplnili veľké nádeje na široké spektrum aplikácií: pretože nosiče náboja, ktoré sa pohybujú v grafénovej rovine, sa podriaďujú takzvanej Diracovej rovnici, ktorá popisuje kvantové častice, ktoré sú takmer také rýchle ako svetlo. To je prekvapujúce, pretože Schrödingerova rovnica, ktorá platí iba pre pomalé kvantá, je obvykle dostatočná pre podmienky v pevných látkach. Odpovede na základné otázky fyziky, ktoré sa v súčasnosti hľadajú vo veľkých urýchľovačoch častíc, by mohli spať v tenkých vrstvách uhlíka.