Grafen - z taśmy klejącej na taśmę produkcyjną

źródło: Wikimedia Commons

Nobliści - Andre Geim i Konstantin Novoselov, badając grafen wykonany w różnych ośrodkach na świecie w tym w Polsce, stworzyli nowy materiał o interesujących właściwościach. O trywialnych z pozoru modyfikacjach grafenu, które potem opisywano w prestiżowych czasopismach naukowych, o tym, dlaczego materiał o właściwościach zbliżonych do teflonu nie nadaje się do produkcji patelni, a także w jakim kierunku rozwijają się polskie badania nad grafenem - opowiada serwisowi Nauka w Polsce dr inż. Włodzimierz Strupiński z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME).

Już samo wytworzenie grafenu to sukces współczesnej nauki. Za prace nad grafenem profesorowie Andre Geim i Konstantin Novoselov zostali w 2010 r. nagrodzeni Noblem z fizyki. Warto zaznaczyć, że w swoim laboratorium w Manchesterze korzystali także z materiału polskiej produkcji.

"Profesorowie Geim i Novoselov dostali Nobla za wytworzenie w 2004r. grafenu zwanego freestanding, czyli niedużego płatka, który można było zobaczyć pod mikroskopem, zmierzyć i odkryć jego fantastyczne właściwości. Płatki te są jednak wytwarzane metodą odrywania od bloczku grafitowego za pomocą taśmy klejącej, a ich powierzchnia nie przekracza dwóch tysięcznych milimetra kwadratowego, dlatego choć umożliwiają zaawansowane badania fizyczne, nie bardzo się nadają na produkcję przemysłową w mikroelektronice" - tłumaczy dr Strupiński.

W dalszych pracach poznawczych przyszli nobliści szukali także współpracowników, którzy opanowali bardziej zaawansowane metody produkcji. Inżynierowie z ITME przy wsparciu Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego rozpoczęli w 2007 r. prace nad technologią wytwarzania grafenu dla zastosowań elektronicznych, czyli grafenu epitaksjalnego na węgliku krzemu.

Początkowo wykorzystywano opatentowaną przez Amerykanów w 2004 r. metodę sublimacji (odparowania) krzemu w warunkach próżni. Następnie zmodyfikowano sposób amerykański poprzez zastosowanie atmosfery argonu.

"Modyfikacja ta wydawała się wtedy dość trywialna i nawet nie warta publikowania. Niemniej, koledzy z Niemiec, wpadli na podobny pomysł i ich praca w +Nature Materiale+ jest obecnie jedną z najczęściej cytowanych prac w dziedzinie wytwarzania grafenu. W końcu opracowano własną technologię osadzania węgla na powierzchni węglika krzemu, którą zgłoszono do opatentowania oraz, tym razem, opublikowano" - wspomina dr Strupiński.

W skład zespołu, który przyczynił się do polskiego odkrycia, wchodzą m.in.: prof. Jacek Baranowski, dr Andrzej Wysmołek, prof. Roman Stępniewski, prof. Andrzej Witowski, prof. Jerzy Krupka, dr Aneta Drabińska, mgr Rafał Bożek, mgr Kacper Grodecki oraz uczeni z Francji.

Publikację, której współautorem - obok zespołu noblistów - jest dr Strupiński można znaleźć pod adresem www.wileyonlinelibrary.com lub poprzez wydawnictwo: Small 2010, X, No. XX, 1-8 c 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

"Dość zabawna wydaje się sama droga tej publikacji. Otóż profesorowie Geim i Novoselov zgłosili artykuł do publikacji w magazynie +Nature+. Wówczas recenzenci tego pisma odrzucili tekst, czego niewątpliwie redakcja musiała mocno żałować, kiedy niemal kilka dni później ogłoszono nazwiska laureatów Nagrody Nobla. Co ciekawe, podobna sytuacja miała miejsce w 2004 r., kiedy magazyn nie przyjął ich przełomowej publikacji nt. odkrycia grafenu - wówczas artykuł ukazał się w +Science+" - wspomina dr Strupiński.

Jak wyjaśnia, współpraca z Geimem i Novoselovem polegała na modyfikacji grafenu. Zespół z Uniwersytetu w Manchesterze dokonał fluorowania, czyli wytworzył tzw. fluorografen. Zachowując niespotykaną wytrzymałość grafenu, jest on całkowitym izolatorem o właściwościach zbliżonych do teflonu.

"Fluorografen nie przewodzi ładunków elektrycznych, nie reaguje, nie jest szkodliwy - w końcu to po prostu węgiel - i jest bardziej wytrzymały niż teflon, nie daje się go zarysować. Rzecz jasna, z uwagi na wysokie koszty materiału nie mówimy tu o produkcji patelni" - żartuje polski badacz i wyjaśnia, że celem wynalazku było wykorzystanie go w elektronice.

Chodziło o to, żeby ten sam grafen, który zachowuje się jak przewodnik, będąc doskonałym materiałem elektronicznym, spełniał również funkcję izolatora o grubości pojedynczej warstwy atomów. Zastosowanie takiego mono-atomowego grafenu-dielektryka rozdzielającego dwie warstwy grafenu-przewodnika może prowadzić do zwiększenia funkcjonalności całej struktury.

Według dra Strupińskiego, można sobie wyobrażać ciekawe zastosowania elektroniczne takich hetero-struktur grafenowych w technologii przypominającej wytwarzanie układów scalonych, gdzie funkcjonuje bardzo dużo elementów półprzewodnikowych odizolowanych od siebie materiałem izolującym.

Nobliści, badając grafen wykonany w różnych ośrodkach na świecie w tym w Polsce - stworzyli nowy materiał o interesujących właściwościach. Może się okazać, że w przyszłości zastosowania pójdą w kierunku, na przykład, powłok niskooporowych. Niewykluczone też, że - choć tamten projekt już się zakończył - podczas kolejnych spotkań na konferencjach naukowych pojawi się nowy pomysł wykorzystania grafenu wytwarzanego w laboratorium dra Strupińskiego przez zespół prof. Geima.

W Polsce prowadzi się autorskie badania nad grafenem i powoli otwierają się możliwości komercjalizacji ich wyników. Więcej na ten temat w serwisie Nauka w Polsce tutaj.

PAP - Nauka w Polsce