Nowa metoda pozwala bezpośrednio pokrywać powierzchnie półprzewodników, izolatorów, w tym materiałów krzemowych nanowstążkami i płatkami grafenowymi o określonych strukturach. Biorąc pod uwagę bariery, z jakimi na tym polu od lat boryka się przemysł, odkrycie stanowi ważny krok w rozwoju innowacji elektronicznych. Obecnie układy nanografenowe syntezuje się przede wszystkim na metalach szlachetnych, by przenieść je na właściwe podłoża. Są to złożone, energochłonne i kosztowne operacje, gdzie głównym wyzwaniem pozostaje transfer uzyskanych nanostruktur grafenowych z jednego materiału na drugi. Opracowana przez polskich badaczy metoda zmienia w tym zakresie reguły gry i może zostać uznana za rewolucyjną.
Przełom w prostocie
Nowa metoda polega na naniesieniu prekursorów grafenu (możliwe są różne sposoby) w warunkach wysokiej próżni bezpośrednio na powierzchnie materiałów niemetalicznych, które mają być pokryte nanografenowymi strukturami. Układ taki jest podgrzewany do 200 – 220°C i jednocześnie wystawiany na działanie atomowego wodoru, który pełni rolę selektywnego katalizatora reakcji powierzchniowych. W wyniku tych reakcji, prekursory przekształcają się w uporządkowane struktury nanografenowe, bez ryzyka powstawania czy nanoszenia zanieczyszczeń na pokrywanym podłożu.
Polska metoda eliminuje skomplikowane i kosztowne etapy obecnie stosowanych w przemyśle procesów powlekania grafenem niemetalicznych materiałów. Nie wymaga ona używania metali szlachetnych ani przenoszenia nanopowłok czy nanostruktur grafenowych z metalu na materiał docelowy. Co więcej, pozwala syntezować nanografenowe struktury w znacznie niższych temperaturach (ok 200°C względem stosowanych obecnie 400 C i wyższych), co podnosi efektywność kosztową i zarazem poszerza katalog materiałów, na które można nanosić grafen.
– Co szczególnie istotne, do korzystania z tej metody nie potrzeba żadnych nowatorskich czy trudnodostępnych technologii ani materiałów. Bazujemy na dostępnych w przemyśle prekursorach grafenu oraz urządzeniach do generowania próżni i produkcji atomowego wodoru – tak zwanych crackerach. W naszej opinii łatwa dostępność narzędzi i prekursorów otwiera drogę do wdrożenia tej technologii do powszechnego zastosowania w przemyśle – wyjaśnia dr inż. Rafał Zuzak z Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii UJ, współtwórca nowej metody.
Powlekanie grafenem pod kontrolą
Twórcy nowej metody przyznają, że po raz pierwszy na świecie udało się tym sposobem wytwarzać nanografen bezpośrednio na powierzchniach izolatorów. Opracowane rozwiązanie zostało objęte międzynarodową ochroną patentową i obecnie technologia jest na etapie intensywnych badań i dalszego rozwoju. Zespół pracuje nad zebraniem dodatkowych danych o możliwości skalowania procesu i jednocześnie nad dostosowaniem metody do rzeczywistych potrzeb przemysłu.
– Już dziś wiemy, że przy zastosowaniu tej metody możliwe jest wytwarzanie różnego rodzaju struktur nanografenowych, które istotnie różnią się między sobą charakterystyką, przez co mogą nadawać różne właściwości materiałom, na których są umieszczone. Rodzaj wytwarzanych struktur zależy m.in. od wyboru prekursorów grafenowych. Dla przemysłu bez wątpienia ważne jest to, by nanografen miał jednorodną budowę i był wolny – podobnie jak podłoże – od zanieczyszczeń. Co ważne, opracowana przez nas metoda zapewnia spełnienie tych warunków i daje obietnicę syntezowania nanostruktur o określonych i pożądanych właściwościach, zachowując stabilność i pełną kontrolę na poziomie molekularnym – uzupełnia współtwórca opracowanej metody, dr hab. Szymon Godlewski, prof. UJ.
– Widzimy duży potencjał w integracji tej technologii z elektroniką krzemową. Z perspektywy przemysłu dostęp do metody prostszej i wymagającej znacząco niższej temperatury otwiera drogę do projektowania na przykład nowych typów tranzystorów czy układów scalonych. Tym bardziej, że przy jej użyciu wyeliminowane zostaje źródło wielu defektów materiałowych – dodaje dr inż. Rafał Zuzak.
Czas na komercjalizację
Za transfer opracowanej technologii odpowiada Centrum Transferu Technologii CITTRU, UJ.
– Na obecnym etapie konieczne jest przyspieszenie badań przedwdrożeniowych, optymalnie z partnerami wykorzystującymi struktury nanografenowe w przemyśle. Zakres potencjalnych zastosowań materiałów, które mogą powstać dzięki tej metodzie, jest ogromny. Ufam więc, że w niedalekiej przyszłości znajdzie ona zastosowanie komercyjne – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka CTT CITTRU, UJ.
Potencjalne zastosowania struktur nanografenowych
Największą zaletą nanografenów jest ich różnorodność oraz silna zależność właściwości od kształtu i struktury atomowej. Opracowana na UJ metoda pozwala na wytwarzanie różnych nanografenów z precyzją atomową. Do czego można potencjalnie wykorzystać materiały pokryte nanografenowymi strukturami? Na przykład do budowy bardziej wydajnych podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory. Parametry wstążek grafenowych – jak szerokość przerwy energetycznej, czy efektywna masa elektronów – mogą być precyzyjnie kontrolowane poprzez dobór odpowiedniego prekursora. Takie materiały znajdują zastosowanie w nowego typu tranzystorach, które charakteryzują się większą wydajnością i niższym zapotrzebowaniem na energię. W szczególności w erze sztucznej inteligencji, gdzie zapotrzebowanie na moc obliczeniową (a co za tym idzie – energię) jest ogromne, takie technologie są bardzo pożądane.
Nanografeny mogą być wykorzystywane również jako materiały absorbujące lub emitujące światło o określonej długości fali. Mogą również pełnić rolę elementów aktywnych, np. molekularnych przełączników optycznych aktywowanych światłem o odpowiedniej energii. Innym zastosowaniem są bardzo czułe detektory cząstek. Odpowiednio zaprojektowany nanografen może selektywnie wiązać określone cząsteczki lub molekuły. Zmiana przewodnictwa (np. porównanie prądu z zaadsorbowaną cząsteczką i bez niej) pozwala na detekcję stężeń na poziomie bliskim pojedynczym cząstkom. Zastosowania takich detektorów są liczne – od zapewnienia ultraczystych warunków w produkcji precyzyjnych urządzeń, po wykorzystanie w farmakologii czy medycynie.
