Download
1 / 12
E N D
Grafen je alotropska modifikacija ugljika ( C ) koji ima vrlo malu debljinu, svega jednog atoma. Grafen je poznat zbog svojih jedinstvenih mehaničkih svojstava. On se ponaša kao metal i dobar vodič, naravno u usporedbi s gumom ili većinom plastika, koji su izolatori i ne provode električnu struju. Izolatore karakterizira širok zabranjeni pojas koji onemogućuje vođenje struje tj. prijelaz elektrona u vodljivi pojas. Između izolatora i vodiča smjestila se skupina poluvodiča, koji se mogu ponašati i kao vodiči i kao izolatori. Poluvodiči posjeduju iznimno uzak zabranjeni pojas što znači da pod utjecajem električnog polja elektroni lako preskaču u vodljivi pojas. Sposobnost brzog prelaska iz jednog stanja u drugo čini poluvodiče osnovnim materijalom mikroelektronike. U svom prirodnom stanju, grafen posjeduje neobičnu strukturu, ali ne i zabranjeni pojas. To je energetski pojas između valentnog i vodljivog pojasa. Zbog tog zabranjenog pojasa dosta znanstvenika je skeptična u vezi korištenja grafena kao za izradu tranzistora, dioda korištenja grafena u nano tehnologiji i tako dalje.
Međutim neki znanstvenici ne odustaju u njegovom istraživanju, pa su tako znanstvenici Rensselaer politehničkog instituta probali iskoristiti vodu za otvaranje i prilagođavanje zabranjenog pojasa. Ta se metoda zasniva na upotrebi vode za prilagođavanje širine zabranjenog pojas u nanomaterijalu, grafenu. To otkriće bi moglo potaknuti razvoj novih, grafenskih tranzistora koji će raditi po principima nanoelektronike, koja je u današnje sve popularnija i sve traženija.
Nikhil Koratkar, profesor i znanstvenik na Rensselaer institutu, i njegovi kolege uspjeli su stvoriti zabranjeni pojas u grafenu izlaganjem tankog filma grafena utjecaju vlage. Stvaranje zabranjenog pojasa je ključan uvjet za proizvodnju grafenskih tranzistora. Tranzistori su elektronički uređaji koji čine okosnicu moderne elektronike. Mogu se isključiti ili uključiti te na taj način preusmjeravaju električni signal. Računalni mikroprocesori sačinjeni su od milijuna tranzistora napravljenih od poluvodičkog materijala silicija. Industrija se trenutačno nalazi u fazi potrage za odgovarajućim nasljednikom silicija. Skupina znanstvenika otkrila je kako otvoriti zabranjeni pojas u grafenu preko količine vode apsorbirane s jedne strane materijala te kako precizno prilagođavati zabranjeni pojas na bilo koju vrijednost, od 0 do 0,2 elektron volta. Efekt je bio u potpunosti reverzibilan i zabranjeni pojas se vratio na 0 u vakuumu. Metoda ne uključuje nikakve komplicirane tehničke zahvate ili modifikacije na grafenu, ali s druge strane zahtijeva kućište u kojem se može precizno kontrolirati razina vlage, što je vrlo bitno zbog kontroliranja zabranjenog pojasa. Simetrija kristalne rešetke grafena razlog je nedostatka zabranjenog pojasa kod grafena. Znanstvenik Koratkar je istražio ideju razlamanja te simetrije vezanjem molekula na samo jednu stranu grafena. Ne bi li to postigao, izradio je grafen na površini silicija i silicijevog dioksida te potom izložio grafen kontroliranom utjecaju vlage u posebno izrađenoj komori. Unutar komore, molekule vode apsorbirale su se samo na izloženoj strani grafena, a li ne i na onoj strani koja bila okrenuta prema silicijevom dioksidu. Kao rezultat narušavanja simetrije ubrzo se stvorio zabranjeni pojas. Tome je doprinijela i interakcija vlage s defektima u supstratu silicijeva dioksida.
"Drugi su dosad pokazali kako stvoriti zabranjeni pojas u grafenu preko apsorpcije različitih plinova, ali ovo je prvi put da je takvo što učinjeno pomoću vode", ističe Koratkar. "Prednost apsorpcije vode, u usporedbi s apsorpcijom plinova, jest manja cijena, netoksičnost te mnogo lakša kontrola rada tranzistora. Na primjer, napredak u konstrukciji mikro uređaja omogućio je stvaranje dovoljno malenog kućišta za određene dijelove ili cijelog računalnog procesora. U takvom bi kućištu bilo moguće dovoljno precizno kontrolirati razinu vlage. Prema nivou vlage unutar kućišta, procesor bi mogao reverzibilno prilagođavati širinu zabranjenog pojasa u grafenu od 0 do 0,2 elektron volta", zaključuje Korarkar. • Profesor Andre Geim, koji je u zajedno s profesorom Kostya Novoselovim ove godine osvojio Nobelovu nagradu za istraživanje grafena, nedavno je predstavio novi materijal. • Geim je grafen, najtanji materijal na svijetu, fluorirao i time dobio fluorografen, materijal debljine jedne molekule, sličan teflonu. Fluorografen potpuno je fluorirani grafen te gotovo dvodimenzionalna verzija teflona, s kojim dijeli svojstvo kemijske inertnosti kao i svojstvo termičke stabilnosti. Znanstvenici se nadaju kako će se fluorografen, ravna, kristalna verzija teflona, koju odlikuje čvrstoća grafena, poslužiti kao tanja i lakša zamjena za teflon. Novi bi materijal mogao poslužiti i za proizvodnju novih tipova LED uređaja.
Potencijal ovog materijala kao da nema granica: mogao bi poslužiti za proizvodnju ultrabrzih procesora debljine jednoga atoma ili pak senzora koji mogu detektirati jednu jedinu molekulu otrovnog plina. Mogao bi zamijeniti i karbonska vlakna kao materijal za izradu zrakoplova. Profesor Geim i njegov tim istražili su novu potencijalnu primjenu grafena. Za razliku od prethodnih pristupa, ovaj put su grafen razmatrali kao ogromnu molekulu koju se, kao i svaku drugu molekulu, može kemijski modificirati. Teflon je potpuno fluorirani lanac atoma ugljika. Ove se dugačke molekule međusobno povezuju pri čemu tvore polimer koji se upotrebljava u proizvodnji mnogih stvari od kojih su vjerojatno najpoznatije tave.
Tim s Manchestera uspio je fluorirati svaki atom ugljika u grafenu. Ne bi li dobili fluorografen, znanstvenici s Manchestera prvo su izolirali individualne kristale grafena te ih potom fluorirali atomima fluora. Kako bi dokazali mogućnost industrijske proizvodnje fluorografena, znanstvenici su fluorirali grafen u prahu i tako dobili papir fluorografena. Fluorografen se pokazao kao izolator velike kvalitete, koji ne stupa u reakcije s drugim kemikalijama, a koji podnosi visoke temperature, čak i na zraku.
Pokušaj stvaranja zabranjenog pojasa u grafenskom elektronskom spektru, jedan je od najintenzivnijih napora u radu s grafenom. Ukoliko uspiju, grafen bi se mogao koristiti kao poluvodič, što bi izazvalo revoluciju u elektronici. Za razliku od grafena koji je polumetal, fluorografen posjeduje iznimno širok zabranjeni pojas i propušta vidljivu svjetlost. • Profesor Geim navodi: "Elektronska svojstva fluorografena moraju se drastično poboljšati želimo li govoriti o eventualnoj primjeni grafena u toj industriji, ali ostala bi se svojstva mogla vrlo lako iskoristiti." Rahul Nair, student doktorskog studija pod vodstvom profesora Geima te koji zadnje dvije godine vodi ovo istraživanje, dodaje: "Svojstva fluorografena nevjerojatno su nalik svojstvima teflona, ali grafen nije plastika. Radi se o gotovo savršenom kristalu debljine jedne molekule koji je, slično kao i grafen, izrazito čvrst. Upravo ga to svojstvo izdvaja od ostalih materijala. Planiramo koristiti grafen u proizvodnji uređaja koji emitiraju svjetlost i dioda. Uz to, moglo bi ga se koristiti svugdje gdje se trenutačno koristi teflon: kao ultratanka zaštitna prevlaka, kao punjenje složenih materijala za proizvodnju izrazito izdržljivih i potpuno neprozirnih električnih izolatora."
Industrijska proizvodnja fluorografena ne bi trebala predstavljati problem, jer bi se samo nastavila na već uhodan proces masovne proizvodnje grafena. Znanstvenici s Manchestera vjeruju kako je sljedeći veliki korak izrada uređaja koji će potvrditi pozitivna svojstva fluorografena. Profesor Geim dodaje: "Ne bi bilo mnogo smisla koristiti fluorografen samo kao zamjenu za teflon. Spoj ovih nevjerojatnih svojstava grafena i teflona toliko je primamljiv da ćete vrlo lako zamisliti potencijalne primjene dvodimenzionalnog teflona. Pravi je izazov istražiti sva svojstva ovog jedinstvenog materijala."
