Imeline grafeen

Grafeen on potentsiaalne tuleviku elektroonikatööstuse superstaar, kirjutab Stiina Kristal portaalis fyysika.ee. Tänu ebatavaliselt hästi liikuvatele elektronidele, mis suudavad materjali läbida pea valguse kiirusel – 100 korda kiiremini kui elektronid läbivad räni – saaks grafeeni kasutada ülikiiretes transistorites või arvuti mälukiipides. 

Grafeeni ebatavaline meekärje sarnane struktuur on väga painduv ning mehaaniliselt vastupidav, samuti on sel unikaalsed optilised omadused, mis teevad selle kasutatavaks suures hulgas seadmetes nii elektroonikas kui fotoonikas. Kuid ükski probleemidest, mis takistab grafeeni saamast üheks kõrgtehnoloogilistest materjalidest, pole nii oluline kui õppida seda valmistama hea kvaliteediga ning suurtes kogustes.

,,Enne, kui grafeeni ülihäid elektroonilisi omadusi seadmetes rakendada võimalik on, tuleb välja töötada meetod mittejuhtivale substraadile kinnitunud homogeense struktuuriga grafeenkilede valmistamiseks,” ütles Yuegang Zhang, materjaliteadlane Lawrence Berkeley National Laboratory’st. Praegused tootmismeetodid, mis põhinevad mehaanilisel kraapimisel(grafiidilt kraabitakse maha kiht aatomeid – grafeen, toim.) või ülikõrgel vaakum karastamisel on siiski tööstusliku tootmise jaoks ebasobivad. Lahusepõhisel sadestusmeetodil ning keemilisel redutseerimisel saadud grafeenkiled on halva või ebaühtlase kvaliteediga.

Zhang ning kollegid Berkeley Lab Molecular Foundry’st on teinud suure sammu selle probleemi ületamise suunas. Nad kasutasid edukalt ühekihiliste grafeenkilede valmistamiseks dielektrilisele substraadile otsest keemilist aursadestusmeetodit(chemical vapor deposition ehk CVD). Tulemusena vasekihi tükid eraldusid loikude või tilkadena ning aurustusid seejärel. Lõpptulemuseks oli ühekihiline grafeenkile dielektrikul.

,,See on elektrooniliste rakenduste vaatepunktist oluline edusamm, sest CVD on praegu juba pooljuhttööstuses laialdaselt kasutatav,” sõnas Zhang. ,,Samuti on meil võimalik saada uusi teadmisi grafeeni kasvatamisest metall-katalüsaator pindadele jälgides selleks kihtide arengut pärast vase aurustumist. See paneb tugeva aluse protsessi edasisele kontrollimisele ning laseb meil kile omadusi kohandada või valmistada soovitud vorme, näiteks grafeen nanoribasid.”

Zhangi ja kolleegide artikkel pealkirjaga “Direct Chemical Vapor of Graphene on Dielectric Surfaces” ilmus ajakirjas Nano Letters. Artikli kaasautoriteks olid Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuel Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey ning Jeffrey Bokor, kõik Berkeley Laboratooriumist.

Oma uurimuses kasutasid teadlased vaskkilede(paksusega 100-450 nanomeetrit) sadestamiseks elektronkiiraurustamist. Vask valiti seetõttu, et madala süsiniklahustuvusega metallkatalüsaatorina eeldati protsessis paremat kontrolli valmistatavate grafeenkihtide arvu üle. Katsetati erinevaid dielektrilisi substraate, kaasa arvatud ühekristallilist kvartsi, safiiri, ränidioksiidi ning ränioksiidist toorikkristalli. Grafeeni CVD viidi läbi 1000 kraadi Celsiuse juures ning protsess kestis 15 minutist kuni 7 tunnini.

,,Tegime nii, et saaksime uurida kile paksuse erinevat mõju, substraadi tüüpi ning CVD kasvuaega grafeeni valmistamisel,” seletas Zhang.

Kombinatsioon skaneerivast Raman’i kujutamisest ja spektroskoopiast, lisaks skaneeriv elektron- ja aatomjõumikroskoopia lubas kinnitada pideva ühekihilise grafeenkilest katte olemasolu dielektrilise substraadi metallivabadel aladel laiusega kümneid ruutmikromeetreid.

Grafeenkile valmistamiseks (a) aurustati õhuke kiht vaske dielektrilisele pinnale; (b) CVD abil sadestati grafeenkiht vasele; (c) vask eraldub ning aurustub; (d) järele jääb grafeenkile, mis kinnitub otse dielektrilisele substraadile.

,,Edasised edusammud vase eraldumise ning aurustumise kontrolli üle võivad viia grafeeni sadestamiseni alusele meile sobiva paigutusega elektrooniliste seadmete suureskaalalisel tootmisel. Seda meetodit on võimalik ka üldistada ning kasutada teiste kahemõõtmeliste materjalide, näiteks boornitriidi, sadestamiseks,” lisas Zhang.

Isegi vagude ilmumine grafeenkilel kohtadesse, kust vask eraldunud oli, võib pikas perspektiivis kasulikuks osutuda. Kuigi eelnevad uurimustööd on väljendanud arvamust, et vagudel grafeenkiles on negatiivne mõju selle elektroonilistele omadustele, sest tekkivad moonded vähendavad elektronide liikuvust, arvab Zhang, et vagusid on võimalik pöörata meie kasuks.

,,Kui me õpime kontrollima vagude tekkimist kiledes peaksime olema suutelised muutma tekkivaid moonutusi ning seeläbi kohandama grafeenkile elektroonilisi omadusi,” lisab ta. ,,Vagude tekkimise edasine uurimine võib meile anda ka olulisi uusi vihjeid grafeen-nanoribade moodustumisest.”