Žijeme na úsvitu doby uhlíkové?

O grafenu se na tomto místě v CIO naposledy psalo před více než rokem. Od té doby technologie přirozeně opět pokročila, přesto se však vnucuje otázka, zda se o grafenu nemluví už příliš dlouho. Neměl by ho být už dávno plný iPad?

Žijeme na úsvitu doby uhlíkové?


S určitou pochybností souvisí i další jev patrný v současných výzkumech. Grafen byl „zázračný“ tím, jak byl jednoduchý – atomární vrstva obyčejného grafitu. Nyní se různé vědecké týmy soustředí na grafen zase splácaný do více vrstev nebo dotovaný jinými prvky. Z grafenu se částečně stává i marketingový slogan, ať už jde o pozornost médií nebo získávání grantů – mnoho výzkumů vlastností jiných látek se totiž zaštiťuje sloganem „lepší než grafen“, „alternativa ke grafenu“ apod. (Asi podobně se dnes perspektivnost mnohých sloučenin i technik deklaruje tak, že by mohly nahradit křemík.) Nic z toho přirozeně neznamená, že by bádání nad grafenem bylo bublinou, jen lze u následujících příkladů těžko posoudit, jakou technologii se podaří v praxi implementovat a jaká zůstane hříčkou.

Určité skepsi se tedy dá těžko vyhnout; pro srovnání, jako by se v poslední době přestaly objevovat výsledky výzkumů jiných dříve tak chválených uhlíkových materiálů, nanotrubiček či fullerenů. Pokud nevěříme na globální utajování, zdá se, že tyto technologie (jistě možná jen dočasně) nepřinesly očekávaný efekt nebo se prostě móda posunula jinam…

Skládání vrstev

Jedna z nových grafenových technologií spočívá ve skládání jeho vrstev na sebe. To na pohled příliš nedává smysl, vždyť grafen se od běžné tuhy liší právě tím, že jde o vrstvu jedinou. Nicméně speciální geometrie více vrstev nabízí prý další unikátní možnosti. Například za celkem běžných podmínek vykazuje prý vícevrstvý grafen vlastnosti, které se jinak omezují na exotické stavy hmoty (v urychlovačích částic apod).

Vědci z britských, nizozemských a ruských institucí ukázali, že grafen má ojedinělé vlastnosti i ve dvou monomolekulárních vrstvách na sobě. Mezi autory tohoto výzkumu byli A. K. Geim a K. S. Novoselov, kteří za objev grafenu dostali Nobelovu cenu.

Dvě vrstvy grafenu na sebe museli přikládat ve vakuu, technologie výroby je tedy značně náročná. Když se ale vše podaří, začnou elektrony mezi oběma vrstvami podivně interagovat. Nízkoenergetické elektromagnetické spektrum se pak stane silně anizotropní (liší se jeho vlastnosti v různých směrech). Elektrony a díry, které ve dvojvrstvém grafenu vedou elektrický proud, fungují jinak než u běžných vodičů, mají připomínat spíše chování látek za vysokých energií. Grafen je tedy podle autorů studie něco jako „CERN na pracovním stole“.
Grafen je podle vědců něco jako "CERN na pracovním stole"

Fyzikové z University of California v Riverside (výzkumný tým vedla Jeanie Lauová) na sebe nastohovali tři vrstvy uhlíkového atomárního povlaku. Elektrické vlastnosti třívrstvého grafenu závisejí na tom, jak jsou vrstvy poskládány. Některé geometrie způsobují ještě větší vodivost materiálu, jiné vedou k neobvyklému grafenu – izolátoru.

Uhlíkové atomy v grafenu jsou uspořádány v šestiúhelníkové mřížce. U druhé vrstvy se pak uhlíkový atom může umístit buď nad vrcholem spodního šestiúhelníku, nebo nad jeho středem. Pokud se zvolí druhá možnost, pak podobná volba je i u třetí vrstvy, výsledkem mohou být různě zkosené struktury (verze ABA, kdy se třetí vrstva umístí opět nad první, nebo zcela zkosená ABC apod.). Tyto modifikace se liší kromě elektrické i tepelnou vodivostí a chemickou či mechanickou stabilitou. Prozatím se to zjistilo spíše metodou pokus – omyl, jak přesně geometrie ovlivňuje např. velikost zakázaného pásu, známo není. Pokud by se nicméně dařilo s jednotlivými vrstvami hýbat, mohla by struktura fungovat mj. jako přepínač.

Konec měděných drátů?

Grafen nemusí být jen náhražkou křemíku, ale konkuruje také mědi v roli nejpoužívanějšího vodiče. Tvrdí to alespoň výzkumníci z Rensselaer Polytechnic Institute.

Měď se, tak jako v elektronice skoro vše, potýká s problémem miniaturizace. Tranzistory a další komponenty jsou nahuštěné, vodivé měděné spoje mezi nimi čím dál kratší i tenčí. S tím klesá efektivita, roste spotřeba energie i náchylnost k chybám. Chyby znamenají více odpadního tepla, a to dále zvyšuje elektrický odpor.

Saroj Nayak a jeho kolegové se domnívají, že pokud bychom grafenové drátky „stohovali“ nad sebou, výsledný drát by mohl mít lepší vlastnosti než měď. Stohování grafenu má v tomto materiálu prakticky odstranit zakázaný pás. Optimální efekt by mělo vykazovat 4–6 vrstev grafenu, další přidávání už (de facto nulovou) velikost zakázaného pásu dále nesnižuje.

Mikroprocesory, kde by grafen nahradil křemík i měď, by se mohly vyrábět mnohem rychleji. Tranzistory i jejich vodivé propojení z totožného materiálu vědci označují jako „monolitickou integraci“.

Leštěné fólie

Vědci z University of Pennsylvania přišli s novou metodou výroby grafenu, která slibuje ekonomicky efektivnější a průmyslově použitelný postup. V současnosti často používanou metodou výroby je tzv. CVD (Chemical Vapor Deposition), kdy se horké metanové páry ženou nad kovovými povrchy. Na kovu se pak vytvoří tenký grafenový film. Problém je, že postup je třeba regulovat (např. téměř vakuum), jinak se uhlíku usadí příliš mnoho a namísto jednoatomární vrstvy vzniknou žmolky klasické tuhy. A. T. Charlie Johnson a jeho tým metodu zlepšili tak, že extrémní podmínky nahradili dostatečně hladkým kovovým povrchem – právě nerovnosti totiž způsobují usazování nepravidelných chuchvalců.

Jako podkladový kov byla použita měď. Měděné plátky vyhlazené na míru jsou také dost nákladné, ale vědci si pomohli i zde: běžnou fólii vyleštili pomocí elektrolýzy. Tato část postupu je rovněž již standardizovaná, používá se třeba pro čištění stříbra nebo závěrečné úpravy při výrobě chirurgických nástrojů.

Displej v hliníkové mřížce

James Tour z Rice University zkoumá grafen jako náhradu za materiály na bázi ITO (oxid india dotovaný cínem) používané dnes především při výrobě displejů. ITO mají některé nevýhody; indium je relativně drahé a navíc jsou tyto displeje docela křehké. Především u mobilní elektroniky to znamená podstatnou nevýhodu.

Alternativu by mohl představovat grafen na mřížce kovových drátků. Hybridní materiál překonává ITO i další konkurenci co se týče vodivosti, ale je i průhlednější. Proč je třeba postupovat takto relativně komplikovaně? Pouhá kovová mřížka se totiž jako samostatná elektroda údajně nehodí. Aby byla dostatečně průhledná, mělo by jít právě o mřížku, ne o „destičku“, pak je ale mechanicky nestabilní. Samotný grafen nanášený na jiné substráty má zase problémy být současně dostatečně průhledný i vodivý. Sám o sobě také není dostatečně pevný.

Použitá mřížka je z hliníkových drátků o tloušťce 5 mikronů. Grafen vyplní otvory a výsledek má mít i potřebné mechanické vlastnosti. Výroba by mohla vycházet i ze současných technologií inkoustových tiskáren.

Molybdenit prý předčí křemík i grafen

Sulfid molybdeničitý (minerál molybdenit) je materiál dost rozšířený a levný, navíc funguje jako polovodič. Coby základ tranzistorů příští generace by údajně mohl konkurovat jak křemíku, tak i grafenu.

Výzkumníci z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne se domnívají, že tranzistory z molybdenitu by oproti těm současným mohly být menší a energeticky úspornější. Molybdenit totiž může snadno fungovat i jako prakticky dvourozměrná struktura. Účinnost pohybu elektronů v 0,65 nm vrstvě je stejná jako v křemíkovém plátku tlustém 2 nm. U křemíku dnes navíc nemáme technologie, jak tloušťku dále snižovat, naopak molybdenit funguje i v monomolekulární vrstvě. Oproti grafenu má mít velikost vodivostního pásu zase jiné výhody, tranzistory z molybdenitu mají být méně chybové. A kromě tranzistorů by se molybdenit podle vědců mohl uplatnit i v diodách LED nebo ve fotovoltaických článcích (zde se nadějná budoucnost ovšem přisuzuje i grafenu).


Úvodní foto: © I.M.Redesiuk - Fotolia.com

Vyšlo v CIO Business World 2/2012
Časopis lze koupit se slevou 20 %





Komentáře