MATERIJALI

Pripremio: Mr sci. Jozef Baruhović

Grafen - u susret budućnosti

Tranzistor veličine atoma

Grafen je tanak list čistog ugljenika debljine jednog atoma, ili dvodimenzionalni kristalni alotrop ugljenika. U grafenu su atomi ugljenika gusto pakovani u heksagonalnoj geometriji, tj. geometriji saća, čvrsto vezani molekularnim silama.

Grafen je osnovni strukturni elemenat alotropa kao što su: grafit, drveni ugalj, nano-cevčice ugljenika… Može se posmatrati i kao beskonačni aromatični molekul karakterističan za sva aromatična organska jedinjenja. Slojevi grafena, postavljeni jedan uz drugi, među - razmaka 0,335 nm (nm 10 na devet nula) formiraju grafit. Ugljenik je inace četvrti elemenat po rasprostranjenosti u prirodi, posle vodonika, helijuma i kiseonika i drugi po zastupljenosti u ljudskom organizmu.

Za sada, grafen je najtanje jedinjenje poznatu u nauci. Ima izvanredne mehaničke, toplotne i elektro karakteristike, koje prevazilaze do sada poznate osobine metala. Kvalitetni grafen je vrlo lak, njegova specifična težina iznosi 0,77 mg/m2, i hiljadu puta je lakši od iste površine papira. Slikovito prikazano, grafen težine 1gr može da pokrije površinu jednog fudbalskog igrališta. Skoro je providan i apsorbuje samo 2,3% bele svetlosti. Izuzetno je čvrst - 100-300 puta je čvršći od čelika. Izuzetno je dobar provodnik toplote i električne struje.

Tehnika “škotske trake”

Najranije slike grafita, dobijene elektronskim mikroskopom nekoliko slojeva grafena, objavljene su 1948. godine. Objavili su ih fizičari G.Ruess i F.Vogi. Nešto kasnije, na elektronskom mikroskopu, dobijen je snimak samo jednog sloja grafena . Oko 1970. počela je proizvodnja jednoslojnog grafena, nanošenjem na podloge drugih materijala.

Pokušaj da se mehaničkim putem dobije jedan sloj započeo je 1990. ali bez većeg uspeha. Dobijeni su grafiti debljine 50-100 slojeva. Izgledalo je da dvodimenzionalni grafen ne može da se održi zbog termičke nestabilnosti.

A grafen sa jednim slojem atoma dobijen je 2004. Pokazalo se da su veze ugljenika u grafenu tako čvrste da može da se održi i u tom jednom sloju atoma. Dve godine kasnije, naučnici Mančesterskog Univerziteta izvukli su sloj grafena iz grafita i preneli ga na podlogu od silicijum dioksida (SiO2). Postupak je nazvan “Mikromehaničko cepanje” ili tehnika “Škotske trake “.

Atomska struktura grafena proučavana je pomoću elektronskog mikroskopa na pločici obešenoj o metalnu mrežicu. Ukazala se rešetkasta struktura saća. Na pločici je uočeno i “talasanje” atoma, amplitude jednog nm. To “talasanje” može se objasniti svojstvom materijala u dvodimenzionalnom kristalu - ili zbog prljavštine koja se pojavljuje na mikroskopu ili smetnjama kod rezolucija atomskih razmera koje se javljaju prilikom posmatranja elektronskim mikroskopom.

Pad cene jednog od najskupljih materijala

Jednoatomni sloj grafena je do sto puta aktivniji na hemijske reakcije od ugljenikovih jedinjenja, koja su nesto deblja. Grafen se razlikuje i od većine materijala koji su “trodimenzionalni”. Osobina mu je da je polu-metal koji ima nulti zazor poluprovodnika. Specifični otpor grafena manji je od specifičnog otpora srebra, koje ima najmanju specifičnu otpornost.

Od čeličnog lista iste debljine, grafen je skoro sto puta otporniji na kidanje. Do šire primene ovog materijala može da dođe kada se ostvari proizvodnja grafena na vrlo tankim metalnim podlogama, uz stvaranje hemijskih naslaga pri nižim temperaturama.

Jedan od razloga zašto grafen nije dobio veću primenu je visoka cena proizvodnje. Do 2008. bio je jedan od najskupljih materijala. U međuvremenu cena proizvodnje je opala i sada dalje pada. Jedan cm2 grafena je 2010. koštao 100 e/cm2, a 2014. 10 e/cm2. Procene su da će cena 2020. iznositi 0,1 e/cm2.

Za ekrane na dodir

Grafen se pretežno dobija hemijskim isparavanjem i nanošenjem na metalne podloge od platine, nikla ili titana. Može se koristiti za izradu lakih, savitljivih i trajnih monitora, električnih kola i solarnih ćelija, zatim za podsticanje ili usporavanje hemijskih, medicinskih i industrijskih procesa.

IBM je 2008. objavio da je od navedenog materijala napravljen tranzistor veličine 1 atoma, širine 10 atoma. Iste godine stigla je informacija da navedeni tranzistori rade u opsegu GHz-a.

Pogodan je za izradu integrisanih kola, gde pokazuje veliku pokretljivost električnih naboja i nizak nivo smetnji. Pre tri godine proizveden je na podlozi od SiO koja odgovara za proizvodnju integrisanih kola. IBM-ovi stručnjaci su 2011. objavili da su uspeli da izrade prvo integrisano kolo od grafena u funkciji radio-miksera, performansi 10 GHz-a, otpornog na temperature do 127 Celzijusa.

Grafen je pogodan i za izradu tzv. tranzistora sa efektom polja ( FET). Subminijaturne trake grafena mogu zameniti silicijum u izradi poluprovodnika. Tranzistori od grafena ostvaruju funkcije prekidanja pri visokim učestanostima reda THz-a (10 sa 12 nula). Prikazana su i četiri tipa logičkih kapija (kola) koja su realizovana sa samo jednim tranzistorom od grafena. Ograničenje za praktičnu upotrebu ovih kola je slabo naponsko pojačanje. Tranzistorski sklop za ove funkcuje sastoji se iz dve pločice razdvojene izolatorom debljine nekoliko atoma.

Visoka provodljivost grafena i njegova providnost čine ga pogodnim materijalom za ekrane na dodir, ekrane za tečnim kristalima, fotonaponske ćelije izrađene od organskih materijala i organske svetleće diode. Grafen ima dobre mehaničke osobine i može se nanositi na velike povrsine. Tanak film nanet na veće površine, zbog visoke provodljivosti, upotrebljen je za izradu anodne elektrode za fotonaponske ćelije.

Membrane od grafena propuštaju vodenu paru samo u jednom smeru i nepropusne su za druge gasove i tečnosti. Ovaj fenomen koristi se kod destilacije i izrade alkoholnih pića. Proces se izvodi pri sobnim temperaturama, tj.pri nižim temperaturama - za razliku od klasičnih postupaka destilacije kada se koriste više temperature a proces destilacije izvodi u vakuumu. Dalje usavršavanja ovih membrana može dovesti do korenitih promena u proizvodnji bio-goriva i alkoholnih pića. Može se očekivati da se membrane od grafena koriste prilikom desalinizacije morske vode .

I u nano-porama

List grafena apsorbuje samo 2,3% sunčeve svetlosti pa može poslužiti za izradu providne elektrode kod fotonaponskih ćelija. Kod sadašnjih materijala za izradu fotonaponske ćelije (pretežno silicijuma), foton sunčeve svetlosti može da izbije samo jedan elektron. Kod fotonaponskog materijala izrađenog od grafena, sunčev foton može da izbije više elektrona, a to podiže stepen iskorišćenje za oko 60%.

Tanak list grafena može se koristiti i kao detektor gasa izuzetne osetljivosti na nivou molekula gasa, zahvaljujući dvodimenzionalnoj strukturi materijala. Utopljen u tanak sloj polimera, grafen menja specifičnu električnu otpornost i signalizira prisustvo gasa u najmanjim količinama.

Izuzetno dobra termička provodljivost grafena ukazuje na velike mogućnosti primene - samo 5% grafena po zapremini može poboljšati osobine rashladnog sredstva za 86%!

Postoje i realne mogućnosti izrade kondenzatora velikog kapaciteta i širenja mogućnosti uskladištenja električne energije. Grafen je izuzetno male debljine, što omogućava izradu električnog kondenzatora i akumulatora energije daleko manjih dimenzija a daleko većih kapaciteta. Ti kondenzatori korenito bi rešili problem upotrebe obnovljivih izvora energije: vetra i sunca tj. onih kod kojih je glavni problem neravnomernost isporuke energije.

Namera je da se nađe primena grafena u biologiji - za brzo i jeftino posmatranje DNA, gde grafen debljine manje od 34 nm može da se ugradi u nano-pore za posmatranje DNA.

Mr sci. Jozef Baruhović

.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja