Pasiūlytas dviejų ir trijų sluoksnių grafeno gamybos metodas

Masačiusetso technologijų instituto mokslininkai surado būdą, kaip gaminti dviejų ar trijų sluoksnių grafeną dideliais kiekiais. Kai sluoksniai išsidėsto pagal tam tikrą tvarką, tai grafeno struktūra pasižymi norimu draustinės juostos tarpu. Draustinės juostos tarpas yra tarp energijos juostų, tai yra energijos lygmenų, kuriuos gali užimti medžiagoje esantys elektronai. „Tai didelis šuolis grafeno technologijoje“, - pasakė instituto Chemijos inžinerijos profesorius Mišelis Strano (Michael Strano), kurio darbas yra atspausdintas „Nature Nanotechnology“ žurnale kartu su kitais bendraautoriais.

Grafenas buvo atrastas 2004 metais. Už jo atradimą 2010 metais buvo paskirta fizikos Nobelio premija. Tačiau iki šiol jo pagaminimas dideliais kiekiais buvo sudėtingas uždavinys. Naudojamas standartinis metodas – su lipnia plėvele atplėšiamos mažytės grafeno skiedrelės iš stipriai išgryninto grafito. Grafitas yra pieštuko šerdyje. Toks metodas nėra tinkamas norint gaminti grafeną komerciniams tikslams.

Tačiau naujasis metodas gali būti panaudotas gaminant grafeną dideliais kiekiais. Tai atveria kelius jo praktiniam pritaikomumui. Tokiu būdu galima gauti tikslų sluoksnių išsidėstymą, vadinamą A-B jungtimi. Vieno sluoksnio atomai yra virš kito sluoksnio tarp atomų esančių erdvių. Toks išsidėstymas suteikia struktūrai pageidaujamas elektronines savybes. „Jei jūs norite daugybės vienas su kitu sujungtų A-B jungtimi sluoksnių, tai yra vienintelis būdas tai pasiekti“, - pasakė jis.

Metodas remiasi idėja, kuri pirmiausia buvo išvystyta penkiasdešimtaisiais ir šešiasdešimtaisiais praėjusio amžiaus metais instituto profesoriaus Mildred Dresselhaus. Į grafitą įterpiami bromo ir chloro atomai, kurie grafite išsidėsto tolygiai tarp kiekvieno ar kas antro sluoksnio. Įterpimo metu sluoksniai yra stumiami vienas nuo kito. Strano su kolegomis atrado, kad, kai grafitas yra ištirpinamas, tai sluoksniai natūraliai atsiskiria vienas nuo kito. Susidaro dviejų arba trijų sluoksnių grafeno plokštelės.

„Kadangi atskyrimo procesas gali būti labai atsargiai valdomas, tai galima gauti ir didesnes grafeno plokšteles nei tai įmanoma padaryti naudojant kitus metodus, - paaiškino Strano. - Grafenas yra labai trapi medžiaga, todėl jį apdirbant reikia atsargumo.“

Autoriai savo straipsnyje rašo, kad gauti grafeno sluoksniai yra vieni iš pagrindinių kandidatų, pakeisiančių silicį nanoelektronikoje. Tokiu būdu pagamintos plokštelės gali būti iki penkiasdešimties kvadratinių mikrometrų dydžio. O to pakanka norint grafeną panaudoti elektronikoje. Norėdami tai įrodyti, jie pagamino keletą paprastų tranzistorių.

Strano mano, kad grafenas dabar gali būti naudojamas kuriant naujos rūšies elektronikos bei optoelektronikos įrenginius. Ir skirtingai nei „lipnios juostos“ grafeno gamybos metodas, jų pasiūlytas priėjimas gali būti panaudotas gaminant grafeną pramoniniu būdu.

Raiso (Rice) universiteto chemijos ir mechaninės inžinerijos bei medžiagų mokslo profesorius Džeimsas Tueras (James Tour), kuris taip pat dalyvavo vykdytame tyrime, mano, kad darbo metu buvo gauta įtikinama statistika. Jis paminėjo, kad reikia toliau dirbti norint pasiekti pageidaujamus gaunamo grafeno kiekius. Dabar tirpale esančio grafeno išeiga sudaro apie keturiasdešimt procentų. Reiktų pasiekti daugiau kaip devyniasdešimt procentų. Kai tik tai bus gauta, šis tirpalo fazės metodas gali labai stipriai sumažinti grafeno gamybos išlaidas bei pagreitinti jo komercinę gamybą bei pritaikomumą optinėje elektronikoje ar laidžiuose junginiuose.“

Sudėtinga numatyti, kiek ilgai užtruks šio metodo panaudojimas komerciniuose prietaisuose. Panašus tirpalo pagrindu veikiantis metodas yra naudojamas gaminant vieno sluoksnio grafeną, kuris naudojamas plokščio ekrano televizoriuose. Strano mano, kad jų metodas yra didelis žingsnis gaminant dvisluoksnius ar trisluoksnius prietaisus.