Veijo Hänninen

Grafeeni ja lampun henki

Grafeenille on vain kymmenen vuotta löytämisensä jälkeen löytynyt sen parhaimpia ominaisuuksia eli hyvää sähkön ja lämmönjohtavuutta hyödyntäviä käytännön sovelluksia.

Manchesterin yliopistossa esiteltiin juuri äskettäin grafeenin toisen löytäjän Sir Kostya Novoselovin ja valtionvarainministeri George Osborne kanssa grafeenia hyödyntävä hehkulamppu, joka on tarkoitus tuoda markkinoille pikimmiten.

Yliopiston National Grafeeni Institute (NGI) -keskuksen avulla käynnistetyn Graphene Lighting PLC -yhtiön on tarkoitus tuottaa hehkulamppumaisia led-lamppuja, joiden odotetaan toimivan huomattavasti paremmin ja kestävän pidempään kuin perinteiset led-lamput.

Aivan äskettäin Manchesterin ja Sheffieldin yliopistojen tutkijaryhmä, jota johti Novoselov, teki aiheeseen liittyvän läpimurron luomalla grafeenia hyödyntävän ledin.

Helmikuussa julkaistu tutkimus osoitti, että grafeeni ja vastaavia kaksiulotteisia materiaaleja voitaisiin käyttää luomaan valoa säteileviä rakenteita, jotka voisivat olla erittäin ohuita, joustavia, kestävä ja jopa osittain läpinäkyviä.

Työssä kehitetty ledi koottiin erilaisista 2D-kiteistä ja se emittoi valoa koko pinnaltaan. Kehitetyt koerakenteet olivat vain 10–40 atomien paksuisia. 

Grafeeni kännykän tukena

Kiinalainen tablettivalmistaja Galapad tuo puolestaan markkinoille älypuhelimen, jonka akussa käytetty grafeeni tehostaa varaustiheyttä 10 prosenttia kestoikää 50 prosenttia. Lisäksi näytössä käytetty grafeeni tekee näytön herkemmäksi ja tuottaa kirkkaammat värit.

Edelleen grafeenilla vahvistettu kotelorunko johtaa lämpöä paremmin kuin alan normaali kotelointi ja pitäen sen kuumimman pisteen on noin 35 asteessa Celsiusta.

Varsinaista aktiivista grafeenielektroniikkaa saadaan vielä odottaa vuosikausia mutta muuten grafeenin erilaisia ominaisuuksia on hyödynnetty muun muassa erityisen herkän kamerakennon ja nanomekaanisen (NEMS) oskillaattorin toteuttamisessa.

Vuonna 2012 Exeterin yliopistossa kehitetty GraphExeter -materiaali kestää pitkäaikaista altistumista sekä korkeille lämpötiloille että kosteudelle, joten se on käytännöllinen ja realistinen vaihtoehto läpinäkyvälle indiumtinaoksidille (ITO).

Lämmönhallinan apuna

Grafeenin erinomaiset sähkön ja lämmön johtamiset ovat paljon helpommin käyttöön otettavissa ominaisuuksia. Grafeenin erinomainen lämmönjohtavuus kuitenkin heikkenee kun se laiterakenteissa sijoitetaan alustalleen.

University of Texas at Austinissa tehty tutkimus paneutui tähän ongelmaan erityisesti kun grafeenia käytetään kerroksittain joustavilla alustoilla, joissa lämmön pois johtaminen olisi erityisen tärkeää.

He havaitsivat, että lämmönjohtavuus kasvoi, kun kerrosten lukumäärä kasvoi 34 kerrokseen. Silti se ei saavuttanut lämmönjohtavuutta, joka esimerkiksi grafiitilla on bulkkimateriaalina.

Lämmönhallinta on yhä keskeisempi ongelma yhä pienemmissä elektroniikkarakenteissa mutta eksakti tieto siitä miten lämpö etenee muutaman atomin paksuisien materiaalien sisällä, on ollut vähän hakusessa?

EPFL:n tutkijat ovat äskettäin tuottaneet uutta tietoa grafeenin ja muiden kaksiulotteisien materiaalien lämmönsiirron perusmekanismeista.

He ovat osoittaneet, että lämpö voi edetä näissä materiaaleissa kuten aalto hyvin pitkiä matkoja. Näin ne pystyvät siirtämään lämpöä erittäin vähin häviöin, jopa huoneen lämpötilassa.

Käyttö energiatekniikoiden parissa

Grafeenilla on monia mahdollisia sovelluksia myös energian muuntamisen ja varastoinnin sovelluksissa. Sen ominaisuudet soveltuvat sähkövarauksen varastointiin akuissa ja superkonkissa sekä katalyytteinä aurinko- ja polttokennojen elektrodeissa.

Valtava kiinnostus 2D-kiteisiin energian sovelluksissa tulee sekä niiden fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksista että mahdollisuudesta tuottaa ja jalostaa niitä suuria määriä, kustannustehokkaasti, todetaan Euroopan Graphene Flagshipin tutkimusyhteisön aihetta käsittäneessä katsauksessa.

Tässä yhteydessä 2D-kiteisiin perustuvien toiminnallisien musteiden kehittäminen on portti realisoida uuden sukupolven elektrodeja energian varastoinnin ja muuntamisen laitteisiin.

Kolmiulotteista grafeenia

Erityisesti akku- ja superkonkkarakenteissa kaivattua kolmiulotteisen grafeenin tuottaminen on kehitetty monenlaisia ratkaisuja.

Rice Universityn tutkijat ovat luoneet monikerroksista grafeenia, joka poltetaan halvasta polymeeristä laserilla. Prosessi toimii normaalissa huonetilassa ja tuottaa grafeenia, joka sopi elektroniikkaan tai energian varastointiin.

Tutkijoiden laserindusoiduksi grafeeniksi (LIG) kutsuma aine on sekamelska grafeenihiutaleita, jossa on viiden, kuuden ja seitsemän atomin renkaita. Tuloksena oleva grafeenin ei ole yhtä johtava kuin kupari, mutta sen ei tarvitsekaan olla vaan riittävän johtavaa moniin sovelluksiin.

Esimerkiksi UCLA:n tutkijat ovat hyödyntäneet uudenlaisen tehokkaan superkondensaattorinsa rakenteissa kolmiulotteista grafeenia, joka toimii sekä elektrodina että virrankokoajana.

University of Illinois at Urbanan tutkijat hyödynsivät puolestaan venytettyä alustaa, joka kutistuessaan rypistää grafeenin 3D-teksturointiin. Näin se mahdollistaa suuremman pinta-alan ja avaa ovet erityisesti bioanturoinnin sovelluksille.

Orgaanisen puolijohteen apuna

Grafeenin passiiviset ominaisuudet ovat omiaan ehkä myös orgaanisen elektroniikan parissa.

Yhdysvaltain energiaministeriön SLAC-laboratorio on tutkaillut materiaalien ominaisuuksia, kun grafeeni yhdistyy yleisen puolijohtavan polymeerityypin kanssa. He havaitsivat, että polymeerin ohutkalvot kuljettavat sähkövarausta jopa paremmin, kun niitä kasvatetaan yhdelle kerrokselle grafeenia kuin jos se asetetaan ohuelle kerrokselle piitä.

Tulokset osoittivat hyvää varausten liikkuvuutta näiden materiaalien pystysuunnassa. Se on juuri se suunta, jossa varaukset liikkuvat orgaanisissa aurinkokennoissa tai valodiodeissa.

Lisäksi havaittiin myös jotain hyvin odottamatonta. Vaikka yleisesti uskottiin, että ohuemman polymeerikalvon pitäisi mahdollistaa elektronien kulkea nopeammin ja tehokkaammin kuin paksumman kalvon, tutkimuksessa havaittiin, että noin 50 nanometriä paksu polymeerikalvo johti varauksia noin 50 kertaa paremmin saostettuna grafeenille kuin sama kalvo 10 nanometriä paksuna.

Paremman puolijohtavan kalvon paksuuden ja kiderakenteen säädön kautta voi olla mahdollista suunnitella entistä tehokkaampia grafeeniin perustuvia orgaanisia elektronisia laitteita.

Energiaraon metsästys

Grafeenille on povattu käyttöä jopa syövän hoidossa mutta aktiivisen elektroniikan toteutuksessa kunnollisen energiaraon puute on estänyt sen käyttöönottoa kyseisellä saralla.

Tutkijat ovat lähteneet kiertämään ongelmaa erilaisin kiertotein. Eräät tutkijat uskovat, että sen käyttö elektroniikassa tuntuu vaativan vuorovaikutusta muiden materiaalien kanssa.

University of Twente MESA+ Institute for Nanotechnologyssä toiminut tutkijaryhmä kokeili boorinitridikerroksen liittämistä kupari- ja grafeenikerrokseen.

Kaksiulotteisella boorinitridillä on miltei samanlainen rakenne kuin grafeenilla mutta se ei johda sähköä. Kun nämä kaksi asetetaan kuviorakenteiden osalta sopivaan kulmaan päällekkäin, miehitettyjen ja tyhjien energiatilojen välille syntyy aukko.

Kun yhdistelmä edelleen sijoitetaan kuparille, saadaan kontakti ulkomaailmaan ja myös kuparin ja boorinitridin rajapintaan muodostuu dipolikerros. Koska boorinitridikerros on erittäin ohut, varaus kykenee tunneloitumaan boorinitridin läpi vaikka se ei johda sähköä.

Dipolikerroksella on suuri vaikutus tunneloituvien elektronien määrän. Valitsemalla sopiva metalli ja sähkökenttä, varauksenkuljettajien pitoisuus grafeenissa ja siten virran johtumiseen grafeenin kautta voidaan vaikuttaa.

Haasteelliset nanonauhat

Toinen tapa tuottaa grafeeniin kaistaero on käyttää nanonauhoja mutta niiden hyödyntämisen vaikeus on hallita niiden muotoa atomitasolla.

Miten toteuttaa jotain, joka on vain yhden atomin paksuinen ja 20 - 50 atomia leveä?. Siihen vastatakseen Stanfordin tutkijaryhmä keksi idean käyttää DNA:ta kokoonpanon mekanismina.

DNA-säikeet ovat pitkiä ja ohuita ja suunnilleen samanmittaisia kuin grafeeninauhat, joita tutkijat halusivat koota. Niistä kuitenkin tutkijat onnistuivat tuottamaan sekä metallimaisia että puolijohdemaisia grafeeninauhoja.

Tämän vuoden alussa (DOE) Berkeley Labin ja University of California, Berkeleyn tutkijat kertoivat kehittäneensä tarkan menetelmän syntetisoida grafeenin nanonauhoja ennalta suunnitelluista molekyylitason rakennelohkoista. Näin he ovat aikaansaaneet nanonauhoja, joilla on muun muassa paikkariippuvainen viritettävä energiarako.

Grafeeni ja kaverit

University of Pennsylvanian, Kalifornian yliopiston ja University of Illinois at Urbanan yhteinen tutkijaryhmä on osoittanut uudemman tavan muuttaa elektronien määrää tietyllä alueella grafeenia.

He ovat keksineet palautuvan tavan seostaa grafeenia tavalla johon ei liity mitään fyysisiä muutoksia grafeeniin.

Tekniikassa grafeeni kerrostetaan siten, että se lepää, mutta ei kiinnity litiumniobaattiin. Ferrosähköisen ja polaarisen litiumniobaatin pinnalla on joko positiivinen tai negatiivinen varaus, joka voidaan muuttaa jännitepulssilla.

Kun grafeeni on varautuneen oksidin pinnalla mutta ei sitoutuneena siihen se tavallaan lainaa lähellä olevan grafeenin elektroneja. Sopivasti kuvioituna voidaan siten ohjailla grafeenin eri kohtien polarisaatiota, mikä mahdollistaa yksinkertaisen keinon luoda pn-liitoksia.

Tarvitaanko energiarakoa ollenkaan?

Kalifornian yliopistosta kerrottiin loppukesällä 2013, että siellä oli kehitetty energiaraon ongelmaan täysin uudenlaisen lähestymistapa. He ovat tutkineet ilmiötä, jota kutsutaan differentiaaliseksi negatiiviseksi resistanssiksi.

Eri ryhmät ovat jo aiemmin osoittaneet, että grafeenissa esiintyy negatiivista resistanssia tietyissä olosuhteissa.

Kalifornian tutkijoiden idea on löytää grafeeniselle kanavatransistorille olosuhteet, jossa siinä esiintyy negatiivista resistanssia ja käyttää sen tuottamaan ilmiötä logiikkaporttina, ilman että grafeenissa tarvitaan energiarakoa ollenkaan.

Magneettisuus pois ja päälle

Grafeenissa ei luonnollisesti esiinny magneettisuutta. Grafeenia kuitenkin haluttaisiin käyttää myös spintroniikan kehittämisessä.

Manchesterin yliopiston johtama tutkijaryhmä osoitti vuonna 2013 miten luoda sähkökentän avulla alkeismagneettinen momentti grafeeniin ja kytkeä sitä päälle ja pois. Kyseessä olikin ensimmäinen kerta, kun itse magnetismi muuttui eikä vain magnetointisuunta kääntynyt.

Grafeenin hilarakenteesta voi poistaa joitakin atomeja, Näin syntyneiden vakanssien ympärille tiivistyy elektroneja pieniksi elektronisiksi pilviksi, jotka toimivat kuin mikroskooppinen magneetti kantaen yhtä yksikköä magnetismia eli spiniä.

Sittemmin (2015) Kalifornian yliopiston Riversiden fyysikot ovat löytäneet tavan tuottaa magnetismia grafeeniin häiritsemättä grafeenin muita sähköisiä ominaisuuksia.

Tutkijat ovat saaneet sen aikaan tuomalla grafeenilevyn hyvin lähelle - kuitenkin kemiallisesti sitomatta - magneettista ja sähköistä eristettä, jolla on magneettisia ominaisuuksia.

Yttrium rauta granaatti -yhdisteen havaittiin magnetisoivan grafeenilevyä eli grafeeni vain lainaa yhdistelevyn magneettisia ominaisuuksia ja näin säilyttäen grafeenin elektroniset liikkuvuuden ominaisuudet ennallaan.

Ballistisia ja kineettisiä ominaisuuksia

Alkuvuodesta 2014 esitelty tutkimus osoittaa, että tietynlaisissa grafeenin nanonauhoissa esiintyvä resistanssi muuttuu portaittain kvanttimekaniikan periaatteiden mukaisesti. Tällöin nanonauhat toimisivat pikemminkin kuin optiset aaltojohteet tai kvanttipisteet, mahdollistaen elektronien liikkua ballistisesti.

Grafeenissa olevat yksittäiset elektronit ovat lähes massattomia, mutta ilmiöt grafeenin plasmoniikassa viittaavat siihen, että kun elektronit liikkuvat yhdessä, niillä olisi kuitenkin massaa.

Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) tutkijat onnistuivat vuonna 2014 mittaamaan ”massattomien” grafeenissa liikkuvien elektronien kollektiivista massaa.

Tutkimusaihe valottaa perusteita grafeenin elektronien kineettisistä ominaisuuksista ja auttaa suunnittelemaan uudenlaisia plasmonisia laitteita grafeenista.

Kokeet paljastivat myös yllättäen grafeenin kineettisen induktanssin olevan useita kertaluokkia suurempi kuin toinen, paljon yleisemmin hyödynnettävä ominaisuus eli magneettivuon induktanssi.

Grafeeniin perustuva kineettinen induktori mahdollistaisi luoda jänniteohjattuja keloja mikropiireille. Niillä voitaisiin laajentaa nykyisin jänniteohjatuilla kondensaattoreilla toteutettua elektronisten piirien taajuusvirityksen kattavuutta.

Hiili jaksaa yllättää

Teoreettiset tutkijat ovat kehitelleet mitä erilaisempia grafeenimaisia materiaaleja.

Grafeeninkin perustana olevan hiilen lukuisiin eri muotoihin löytyi vuonna 2013 uusi timanttiakin kovempi muoto (carbyne). Kemistien laskelmien mukaan sen pitäisi olla vahvempi ja jäykempi kuin mikään tunnettu materiaali.

Alkuvuodesta hiili yllätti jälleen. Virginia Commonwealth Universityn tutkijat yhdessä kiinalaisten ja japanilaisten kollegoiden kanssa kertoivat teoretisoineensa uuden muodon kaksiulotteista hiiltä.

Yksinomaan viisikulmioista koostuva pentagrafeeni näyttäisi olevan dynaamisesti, termisesti ja mekaanisesti vakaa. Tutkijoiden mukaan pentagrafeeni olisi puolijohde, kun tavallinen grafeeni on pelkkä johde.

Tutkijat simuloivat pentagrafeenin synteesiä tietokonemallinnuksella. Tulokset viittaavat siihen, että se saattaa päihittää grafeenin tietyissä sovelluksissa, koska se olisi mekaanisesti vakaa, luja ja kestäisi yli 700 Celsius-asteen lämpötiloja.

Uusi teoreettinen materiaali myös venyy epätavallisesti. Normaalisti materiaalit venytettäessä kutistuvat sivusuuntaan mutta pentagrafeenia venytettäessä se laajenee molempiin suuntiin.

Penta-grafeenin ominaisuuksia viittaavat siihen, että sille voi olla sovelluksia elektroniikassa, biolääketieteessä, nanoteknologissa yms.

Seuraava askel olisi kuitenkin syntetisoida oikeata pentagrafeenia.

Topologisia ja kvanttimaisia ilmiöitä

Oxfordin ja Stanfordin yliopistojen sekä SIMES ja Berkeley Lab tutkimuslaitosten tutkijat uskovat kadmiumarseenista voitavan tuottaa käytännön laitteita, joiden rakenteista löytyy samanlaisia epätavallisia ominaisuuksia kuten kaksiulotteisella grafeenilla.

Vuonna 2014 he löysivät ominaisuuksiltaan grafeenia muistuttavan materiaalin jolla on selkeä kolmiulotteinen rakenne. Sellaisesta olisi paljon helpompi rakentaa elektronisia laitteita, kuten erittäin nopeita transistoreita, antureita ja läpinäkyviä elektrodeja.

Tutkimuksellisesti kyseessä on kolmiulotteiset topologiset Dirac-puolimetallit (TDS). Grafeenimaisten ominaisuuksien lisäksi niiden sähköisessä rakenteessa esiintyy yhtäläisyyksiä topologisten eristeiden kanssa.

Samaa aihetta jälkimmäisestä näkökulmasta tutkinut Princetonin yliopiston tutkijaryhmä havaitsi siitä kvanttivaikutuksen, joka mahdollistaa elektronien kulkea joidenkin topologisten eristeiden sisäosan läpi hyvin vähäisellä vastuksella. Siihenastisen käsityksen mukaan topologisissa eristeissä elektronit ovat kulkeneet vain sen pintaa pitkin.

Princetonissa tutkituissa topologisissa eristeissä ja uuden luokan materiaaleissa atomien ominaisuudet yhdistyvät luomaan kvantti-ilmiöitä, jotka houkuttelevat elektroneja toimimaan saman tapaan kuin valoaallot eikä niinkään yksittäisinä hiukkasina. Tällaiset aallot voivat puikkelehtia ympäriinsä ja jopa liikkua läpi esteiden, jotka tyypillisesti pysäyttävät useimmat elektronit.

Kilpailija grafeenille

MIT:n ja Harvardin yliopistojen tutkijat ovat löytäneet kaksiulotteisen materiaalin, jonka ominaisuudet ovat hyvin samankaltaisia kuin grafeenilla mutta jolla on luonnostaan käyttökelpoinen kaistaero.

Uusi materiaali on yhdistelmä nikkeliä ja orgaanista yhdistettä Ni3(HITP)2. Lisäksi se on itsekoostuva, mikä voisi johtaa helpompaan valmistukseen ja haluttujen ominaisuuksien viritykseen säätämällä ainesosien suhteellisia määriä.

Alustavissa kokeissa materiaalia tutkittiin irtotavarana, eikä kaksiulotteisena arkkina mutta saadut tulokset ovat vaikuttavia, koska ominaisuuksien pitäisi olla vielä parempia materiaalin 2D-versiossa uskovat tutkijat.

Materiaalitieteiden Graalin malja?

Utrechtin yliopiston fyysikot ja heidän ranskalaiset kollegat uskovat teoriassa suunnitelleensa materiaalitieteen "Graalin maljan". Tässä materiaalissa yhdistyisi grafeenin sähköisiä ominaisuuksia sekä tärkeitä ominaisuuksia, jotka grafeenilta puuttuvat.

Huoneen lämpötilassa, se on puolijohde johteen sijasta, niin että sitä voidaan käyttää kenttävaikutustransistorissa. Ja lisäksi se täyttää edellytykset realisoida kvanttispintroniikkaa, koska se voi isännöidä kvantti spin Hall -vaikutusta huoneenlämmössä.

Toukokuu 2015