Grafenowe wstęgi zaskakują przewodnictwem, ale to fosforen może być lepszy dla elektroniki

Dotychczasowe teorie fizyków ciała stałego, opisującezachowanie grafenu okazały się zbyt zachowawcze. Praca badaczy zGeorgia Insitute of Technology pokazała, że ten przełomowy dlaelektroniki materiał pozwala na przewodzenie elektronów znacznielepiej, niż przewidywały wszelkie modele – także dla utworzonych zniego przewodów. To informacja o wielkim znaczeniu także dlanaszego kraju, który w ciągu ostatnich miesięcy wyrósł naświatowego potentata w przemysłowej produkcji tego materiału.

Opublikowany na łamach Nature artykuł zespołuamerykańskich fizyków, pracujących pod kierownictwem prof. Waltade Heera opisuje metody, które umożliwiły im stworzenie z grafenuwstęg, pozwalających na przewodzenie ładunków elektrycznych naodcinku ponad 10 mikrometrów, bez wywoływania jakiejkolwiekoporności, to jest o trzy rzędy wielkości dłuższym, niż wdotychczas tworzonych wstęgach.

Żaden materiał nie może dorównać grafenowi w szybkościprzewodzenia elektronów w temperaturach pokojowych. Jednakwytwarzanie z grafenowych płacht (w takiej postaci powstaje tapłaska struktura atomów węgla) odpowiednio wąskichwstęg-przewodów jest wyjątkowo kłopotliwe. Wszystkiedotychczasowe techniki ich wycinania kończyły się uzyskaniem wstęgo poszarpanych brzegach, co zaburza przepływ elektronów.

Zespół z Georgia Institute of Technology, zamiast jednak ciąćgrafenowe płachty na wstęgi postanowił wypróbować proces po razpierwszy opisanykilka lat temu – wytworzyć grafenowe wstęgi w rowkach matrycywykonanej z węglika krzemu. Po podgrzaniu materiału do temperaturyponad tysiąca stopni, atomy krzemu odparowały, pozostawiającwarstwę grafenu o szerokości około 40 nanometrów, bez żadnychposzarpanych krawędzi.

Przewodnictwo w tak utworzonych wstęgach zaskoczyło badaczy,okazując się dziesięciokrotnie lepsze, niż przewidywały modeleteoretyczne. Swobodny ruch elektronów w takich wstęgach pozwoliłbyna projektowanie szybszych obwodów, które nie miałyby problemów zprzegrzewaniem się. De Heer tłumaczy, że wyniki jego badańpokazują, że elektrony w grafenowych wstęgach zachowują się jakświatło we włóknie optycznym, bez odbić i rozproszeńcharakterystycznych dla zwykłych przewodników.

Eksperci w tej dziedzinie są w kwestii grafenowych wstęgpodzieleni. Choć dowody na taki „optyczny” charakter transportusą przekonujące, a wyniki zespołu de Heera chemik James Tour zRice University ocenił jako kamieńmilowy w pracach nad grafenem,to jednak pojawiają się głosy, że teoretycznych ograniczeń wdłuższych wstęgach nie da się uniknąć. Grafen po prostu nienadaje się do wąskich, długich struktur – twierdzi AntonioCastro Neto z centrum badań nad grafenem Uniwersytetu w Singapurze.Jego zdaniem lepiej zainteresować się innym materiałem,fosforenem, czyli płaską warstwą atomów fosforu. Siatka atomów ma podobnie jak w grafenie heksagonalny układ, jest jednak bardziej pomarszczona.

Pracujący nad fosforenem naukowcy twierdzą, że nie tylko pozwala on na budowanie cienkich elastycznych struktur, ale teżcharakteryzuje się naturalną przerwę energetyczną (pasmem wzbronionym), czyli stanami energetycznymi, w których elektrony nie mogą występowaćswobodnie. Grafen takiej przerwy nie ma, co ogranicza jego przydatność jako zamiennika krzemu w półprzewodnikowych przełącznikach.

Tak czy inaczej, zespół deHeera musi teraz znaleźć sposób na na przeskalowanie wykorzystanego procesu na potrzeby produkcji przemysłowej. Do tej pory niewielu ośrodkom na świecie udała się ta sztuka. Wśród nich jest polska spółka Nano Carbon, w którą zainwestowały m.in. KGHM i Agencji Rozwoju Przemysłu. Stosowana w Nano Carbon metoda produkcji grafenu bazuje na epitaksji – krystalizacji węgla z zewnętrznego źródła, który osadzany jest warstwami jednoatomowej grubości na podłożu. Proces ten ma być efektywny i niedrogi, ale jak widać, nie nadaje się do tworzenia wstęg przewodników.