Venäläiset Grafeenista Pelottavan Geeninäyte ... - Kemia-lehti

Pioniikan uranuurtaja, professori Waltde Heer esittelee grafeenista valmistettuatestitransistoria. Kuvaputkellamikroskooppikuvaa transistoringrafeenirakenteesta.likaa ja satunnaisia varauksia pinnalla. Lisäksisaadun grafeenin ominaisuudet riippuvattekijästä ja tekotavasta”, luetteleeprofessori Walt de Heer Georgian teknillisestäinstituutista Yhdysvalloista.Nanotieteen päivillä Jyväskylässä viimelokakuussa puhunut de Heer ryhmineen onalan pioneereja grafeenin massatuotannonkehittämisessä. Ryhmä höyrystää hiiltätyhjössä ja korkeassa lämpötilassa piikarbidinpintaan, jolle muodostuu muutamangrafeenilevyn pino.Tämä epitaksiaalinen grafeeni (EG) eikuitenkaan ole grafiittia, sillä siltä puuttuvatgrafiitille ominaiset levyjen välisetsidokset. Se ei liioin ole yksittäinen grafeenilevyvaan oma materiaalinsa, vaikkasillä säilyykin yksittäislevyjen ominaisuuksia.EG:n etuna on materiaalin puhtaus jamahdollisuus kuvioida sitä normaalillaelektronisuihkulitografialla. Nämä ominaisuudetluovat pohjaa uudentyyppisenelektroniikan kehittämiselle, jonka deHeer on nimennyt pioniikaksi.Elektronit aaltoliikkeessäAinutlaatuinen grafeeniKun elektronit liikkuvat normaalilämpötilassajohde- tai puolijohdemateriaaleissaniin sanotuilla johtavuusvöillä,ne käyttäytyvät massahiukkasten tapaan.Liike on suhteellisen hidasta, ja elektronitsiroavat osuessaan materiaalissa oleviinepäpuhtausatomeihin.Kaikki on toisin grafeenissa, joka onjohde. Grafeenin hiiliatomien ja elektronienvälinen vuorovaikutus aiheuttaa sen,että elektronit käyttäytyvät kuin niillä eiolisi massaa ollenkaan. Toisin sanoen nekulkevat aaltoina kvanttimekaniikan hiukkas-aaltodualisminmukaisesti.Elektroniaalto ei menetä energiaa, jase liikkuu grafeenissa paljon nopeamminkuin elektronit muissa materiaaleissa.Siksi grafeenissa liikkuviin elektroneihinon sovellettava kvanttimekaanista Dirac’nyhtälöä, joka kuvaa liki valon nopeudellaliikkuvia eli relativistisia elektroneja.Toinen erikoinen piirre on grafeeninvakiona pysyvä sähkövastus, joka ei riipuepäpuhtausatomien määrästä kutentavallisilla materiaaleilla. Tämä merkitseesitä, että grafeenissa elektronit eivätsiroa epäpuhtausatomeista vaan voivatkulkea törmäyksettä mikrometrien matkoja,kuin ammus ballistisella radallaan.Grafeeni on siten erinomainen johde jaelektroniikkainsinöörin unelmamateriaaliultranopean ”ballistisen elektroniikan”toteuttamiseksi.Metalleilla ja puolijohteilla on hyvinalhaisissa lämpötiloissa havaittu ns.kvantti Hall -ilmiö. Siinä ulkoisen magneettikentänvoimakkuutta muutettaessavirran suuruus ei enää muutukaan tasaisestikuten korkeammissa lämpötiloissavaan kvantittuu, jolloin muutokset tapahtuvatporrasmaisesti. Huoneenlämmössägrafeenissa tapahtuu sama ilmiö hiemanmuuntuneena anomaalisena kvantti Hall-ilmiönä. Ilmiö on herkkä päällekkäistengrafeenilevyjen lukumäärälle, joten sitävoidaan käyttää yksittäisten grafeenilevyjentunnistamiseen.Ainutkertainen on oikea sana luonnehtimaangrafeenia, sillä edellä kuvatutominaisuudet tulevat esiin vain grafeeninhunajakennohilassa. Jos atomit ovat järjestäytyneetmuunlaiseksi geometriseksirakenteeksi, vaikkapa neliöiksi tai kolmioiksi,vastaavia ominaisuuksia ei esiinny.Tiellä pioniikkaanRatkaistavana on vielä monta ongelmaa,mutta de Heerillä on jo selkeä näkemystiestä pioniikkaan.”Ensimmäinen askel on oppia valmistamaantoistettavasti hyvälaatuista materiaaliakahden tuuman kiekoille. Myöselektronisuihkulitografialle täytyy löytääparempi vaihtoehto, sillä se on liian karkeamenetelmä.”Tämän jälkeen seuraa tärkein ja kriittisinvaihe. ”Haasteena on pystyä muuntamaangrafeenia niin, että siitä tulee puolijohdesamalla kun elektronien suuri liikkuvuussäilyy. Tämä voi tapahtua vaikkapa muuntamallagrafeenin elektronirakenne samanlaiseksikuin timantilla”, de Heer vihjaa.Puolijohteiseen grafeeniin voidaan syöttääsen reunoilta elektroneja sisään tai siirtääniitä sieltä ulos. ”Kun syntetisoidaansopivia molekyylejä, joiden elektronirakenneon yhteensopiva grafeenin kanssa,erilliset grafeenilaitteet, kuten grafeenitransistorit,voidaan yhdistää niiden avullatoisiinsa sähköisesti. Kun normaalielektroniikassaelektronit liikkuvat puolijohteidenjohtavuusvöillä, tapahtuu virrankulkugrafeenimolekyylien verkossa piielektronienmuodostamalla johtavuusvyöllä. Siitänimi pioniikka”, selvittää de Heer, joka uskoovakaasti pioniikan tulevaisuuteen.”Aluksi grafeeni varmaankin yhdistetäänpiielektroniikkaan: tehdään hybridi-Jari KoponenTavallisen lyijykynän grafiitti muodostuu kerrostuneista grafeenilevyistä, jotka ovatkuusikulmion muotoon järjestäytyneiden hiiliatomien kaksiulotteinen verkko.elektroniikkaa ja käytetään sitä kapeillaerikoissovellusaloilla. Ajan mittaan pioniikallesitten löytyy yhä laajempia sovelluksia.”Grafeenin mahdollistamalle ultranopealleterahertsielektroniikalle tulee varmastiolemaan käyttöä tulevaisuudessa.Ehkäpä lastenlastemme tietokoneissa ongrafeeniprosessorit. ProsessorivalmistajaIntel on yksi grafeenitutkimuksen nykyisistärahoittajista, joten oman aikamme tietokoneistatuttu ”Intel Inside” saattaa tulevaisuudessaolla ”Graphenium Inside”.Jari Koponen on kemisti ja nanoteknologiaanerikoistunut vapaa toimittaja.Kemia-Kemi Vol. 35 (2008) 1 13