Grafen - czy zastąpi krzem?

Grafen to materiał zbudowany z jednego z najbardziej pospolitych pierwiastków na Ziemi - węgla. Węgiel w stanie wolnym przyjmuje w naturze w postać różnych minerałów, np. grafitu czy diamentu, radykalnie różniących się właściwościami. Występuje także w postaci innych kryształów, np. okrągłych fulerenów, odkrytych w latach 80. ubiegłego wieku. Od niedawna znamy jeszcze jeden kryształ węgla - grafen.

Grafen to warstwa z węgla, która powstaje po oddzieleniu plastra kryształu grafitu o grubości jednego atomu. Odkrycia w 2004 roku dokonali Andre Geim i Konstantin Novoselov z uniwersytetu w Manchesterze. Udało się im za pomocą najzwyklejszego na świecie przezroczystego przylepca marki Scotch oderwać warstwę atomów z kryształu grafitu. Poddali ją następnie badaniom i opisali właściwości materiału, które okazały się nie z tej ziemi! Najważniejszą jest doskonałe przewodnictwo elektryczne, które można osiągnąć bez chłodzenia materiału do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu, jak ma to miejsce w przypadku nadprzewodników.

- Grafen wykazuje bardzo dużą ruchliwość elektronów, przemieszczają się kilka tysięcy razy szybciej niż w krzemie - mówi dr inż. Włodzimierz Strupiński z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, który zajmuje się badaniem i wytwarzaniem grafenu. - Dzięki temu można uzyskać znacznie większe częstotliwości pracy urządzeń elektronicznych. Poza tym doskonale przewodzi ciepło i jest 100 razy bardziej wytrzymały niż stal.

Więcej tego typy artykułów w najnowszym "PC Format 7/2010"

Tę cechę najlepiej opisali naukowcy z Uniwersytetu Columbia. Jak twierdzą, by przebić folię grafenową o grubości popularnej folii do żywności, trzeba ustawić słonia na starannie zaostrzonym ołówku. Grafen jest odporny także na naprężenia mechaniczne. Można go na przykład rozciągnąć o 20 proc. bez ryzyka rozerwania.

Jednocześnie grafen jest przezroczysty, jedna warstwa pochłania ok. 2 proc. światła. Dlatego, jak tłumaczy Włodzimierz Strupiński, nie można go zobaczyć naniesionego na powierzchnię bez skorzystania z czujników, które np. wykrywają przewodnictwo elektryczne.

Od czasu jego odkrycia, grafen jest jedną z najintensywniej badanych substancji na świecie. Odkrywcy doczekali się uznania ze strony Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, która przyznała im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku. W tym roku ma się ukazać 10 tys. publikacji naukowych na jego temat. Przez fizyków jest nazywany najciekawszym materiałem na świecie.

Właściwości tej substancji sprawiają, że może się przydać w wielu różnych zastosowaniach. Zaskakującym przykładem jest inżynieria materiałowa. Grafen wkrótce stanie się jednym z najczęściej używanych dodatków w materiałach kompozytowych, gdyż pozwoli zwiększyć wytrzymałość oraz zapewni doskonałe przewodzenie ciepła. Niewykluczone, że niedługo obudowy telefonów komórkowych czy laptopów będą produkowane z dodatkiem tego właśnie materiału.

Największa rewolucja szykuje się w elektronice, gdzie grafen w niektórych zastosowaniach może zastąpić krzem. Pod koniec tego roku firma Intel zapowiada debiut procesorów wykonanych w technologii 22 nm, to już o krok do procesu 10 nm, który przez wielu jest uważany za granicę możliwości zmniejszania tranzystorów krzemowych. Poniżej tej granicy pojawią się uboczne efekty związane z prawami fizyki kwantowej, które utrudnią poprawne działanie tych układów.

Zastosowanie grafenu pozwoli tę granicę przekroczyć i stworzyć znacznie szybsze procesory niż obecnie. Już w 2008 roku zespół naukowców z Manchesteru stworzył grafenowy tranzystor o grubości 1 nm, czyli jednego atomu. Z kolei w 2010 roku IBM zaprezentował tranzystor grafenowy, który pracował z częstotliwością 100 GHz, i ogłosił, że w przyszłości będzie możliwe wyprodukowanie procesora o częstotliwości 1 THz, czyli 500 razy szybszego niż współczesne układy w pecetach.

Jednak, co najważniejsze, był on wykonany za pomocą urządzeń stosowanych do produkcji układów krzemowych. Zastosowano stary proces 240 nm (obecnie wykorzystuje się 32 nm), ale miniaturyzacja tranzystora grafenowego jest tylko kwestią czasu. Po modyfikacjach urządzeń będzie można produkować go na skalę przemysłową w istniejących fabrykach.

Szybciej niż procesory zobaczymy zapewne wyświetlacze grafenowe. Cienki, przezroczysty i dobrze przewodzący materiał idealnie się nadaje do tworzenia warstw dotykowych w smartfonach. Poza tym można go użyć do tworzenia elementów przewodzących w diodach, ekranach LCD czy ogniwach słonecznych. Grafen pozwoli też tworzyć giętkie elementy.

- Wyobraźmy sobie komputer zintegrowany z wyświetlaczem, w formie opaski zakładanej na rękę - przewiduje dr inż. Włodzimierz Strupiński. - Jeśli zamiast ze sztywnego metalu warstwę przewodzącą zrobimy z grafenu, komponenty elektroniczne można będzie osadzać na podłożu z giętkich polimerów. Podejmowane są też próby stworzenia atramentu grafenowego, który pozwoli na drukowanie warstwy przewodzącej nawet na zwykłym papierze. Naukowcy nie ustają w wymyślaniu zastosowań dla grafenu.

Mówi się o sensorach, które pozwolą wykryć nawet pojedyncze cząstki szkodliwych substancji, dokładnych akcelerometrach do smartfonów czy elastycznych bateriach słonecznych. Powstała też koncepcja pamięci grafenowych, które będą działały na zasadzie mechanicznej. Prąd będzie potrzebny tylko do zmiany stanu komórek pamięci, więc będzie można przechowywać w nich informacje, tak, jak w pamięci flash, tyle że będą od niej o kilka rzędów wielkości pojemniejsze, przy takich samych rozmiarach układu scalonego.

To wszystko stanie się możliwe, gdy tylko uda się stworzyć tanią metodę pozyskiwania grafenu. Do niedawna substancja była uważana za najdroższy materiał na Ziemi. Opracowana w 2008 roku pierwsza metoda produkcji przez mechaniczne oddzielanie warstw grafenu z kryształu grafitu, pozwalała na uzyskiwanie płatków wielkości ludzkiego włosa kosztem 1000 dol. Grafen o powierzchni 1 cm2 uzyskany tą metodą kosztował 100 mln dolarów. Od tego czasu udało się radykalnie obniżyć ten koszt i obecnie wiórki grafenu, np. do zastosowania w kompozytach, można kupować już na tony.

Wyzwaniem pozostaje produkcja dużych powierzchni czystego grafenu do zastosowań elektronicznych. Koreańscy naukowcy, wspierani przez tamtejszych potentatów przemysłu, opracowali metodę napylania warstwy grafenu na podłoże z węglika krzemu, które następnie usuwano przez rozpuszczenie, co pozostawiało warstwę pożądanego materiału. Niedawno udało się w ten sposób uzyskać powierzchnie grafenu o średnicy 30 cali, które nadają się np. do produkcji wyświetlaczy. Jednak czystość tego surowca pozostawia sporo do życzenia, ma za wiele skaz, by można go było użyć do produkcji układów scalonych.

Przełom przyszedł w marcu tego roku, gdy zespół polskich naukowców z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych wraz z fizykami z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zaprezentował metodę nanoszenia grafenu na standardową płytkę podłożową SiC, stosowaną w przemyśle elektronicznym. Wcześniej, w maju 2010 r., wynalazek został zgłoszony do opatentowania.

- Robimy to nie za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia laboratoryjnego, ale za pomocą urządzenia produkcyjnego do wytwarzania struktur epitaksjalnych, czyli warstw kryształów, używanego standardowo w przemyśle elektronicznym - dodaje Włodzimierz Strupiński. W ten sposób powstają powierzchnie grafenu o wysokiej jakości, o średnicy 2-4 cali, które idealnie się nadają do tworzenia tranzystorów czy diod.

- Jestem przekonany, że dzięki naszej metodzie za kilka lat będzie można korzystać z konkretnych urządzeń z grafenem, a za 10 lat będzie tak powszechnie stosowany, jak dzisiaj krzem - podsumowuje Włodzimierz Strupiński.