Grafen - najlepszy z materiałów

Krzem wciąż pozostaje podstawowym materiałem używanym w elektronice i pomimo pojawiających się czasami głosów, iż jego czas dobiega końca, ciągły postęp technologiczny pozwala na znajdowanie kolejnych zastosowań dla tego materiału. Od pewnego czasu naukowcy zwracają coraz większą uwagę na grafen – dwuwymiarową strukturę atomów węgla ułożonych w heksagonalną sieć.

Po raz pierwszy grafen wyizolowano przed kilku laty na uniwersytecie w Manchesterze. W ubiegłym roku informowaliśmy o najcieńszym materiale stworzonym z grafenu oraz o grafenowym tranzystorze.

Tym razem naukowcy z Manchesteru, we współpracy z kolegami z Rosji, Holandii i USA po raz kolejny dowiedli niezwykłych właściwości grafenu. Wykazali oni, że elektrony mogą poruszać się w grafenie znacznie szybciej niż w jakimkolwiek innym materiale – złocie, srebrze, krzemie, arsenku galu czy węglowych nanorurkach.

Aby uzmysłowić sobie możliwości grafenu posłużymy się przykładem arsenku galu. Materiał ten jest wykorzystywany np. w nadajnikach telefonów komórkowych. Charakteryzuje się bowiem większą ruchliwością elektronów niż krzem, umożliwia więc nadajnikom pracę z większymi częstotliwościami.

Dla arsenku galu ruchliwość elektronów wynosi 8500 cm2/Vs, podczas gdy dla krzemu jest to zaledwie 1500 cm2/Vs. To jednak nic w porównaniu z grafenem. Okazało się, że w temperaturze pokojowej w grafenie pozbawionym zanieczyszczeń ruchliwość elektronów dochodzi do... 200 000 cm2/Vs.

Podczas eksperymentów wykazano, że dwa czynniki zmniejszają tę ruchliwość. Pierwszy to pofalowana powierzchnia grafenu, która spowalnia elektrony – tej właściwości materiału nie da się poprawi. Druga to zanieczyszczenia, które można usunąć.

Andre Geim z Manchester University mówi, że grafen jest najlepszym znanym nam materiałem, który można zastosować w elektronice. Jednak głównym problemem jest, jak zauważa Walt de Heer z Georgia Institute of Technology, uzyskanie czystego grafenu w dużych plastrach nadających się do dalszej produkcji. Dotychczas grafen uzyskiwano w laboratoriach metodami, które nie przydadzą się w fabrykach.

Zespół de Heera pracuje nad tym problemem. Obecnie eksperymentują z metodą polegającą na podgrzewaniu plastrów węgliku krzemu do temperatury 1300 stopni Celsjusza. Pod jej wpływem materiał się rozwarstwia i naukowcy uzyskują duże płachty grafenu.

grafen krzem elektronika ruchliwość elektronów