A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítva: 1840
 

KEZDŐLAP    ARCHÍVUM    IMPRESSZUM    KERESÉS


 HULLÁMZÓ ATOMOK

    ÚJ MAGYAR EREDMÉNYEK A GRAFÉN KUTATÁSÁBAN

X

Egyed László beszélgetése Tapasztó Leventével

 

 

A grafén vékony hártya, amit egyetlen réteg szénatom alkot. A szabályos hatszögekbe rendezett szénatomokat a vegyértékkötések tartják össze. A szén nanocsövek falát is ilyen feltekeredett egyatomos hártya alkotja, de maga a grafit is ilyen atomi rétegek egymásra rakódásával alakul ki. Ezt a különleges, kétdimenziós hártyát (hiszen gyakorlatilag nincs vastagsága) eredetileg úgy sikerült előállítani, hogy egy grafittömbből egyszerű cellux-szal választottak le egy vékony réteget, amit azután ugyancsak celluxszal tovább vékonyítottak, míg a végén egyetlen szénatomnyi réteg maradt. A 2010-es Nobel-díjat ezért a munkáért kapta Andre Geim és Konstantin Novoselov.

Az MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében Tapasztó Leventének és munkatársainak sikerült 0,7 nm hullámhosszú hullámosságot előállítani grafénben. A kutatócsoportnak ez már a második olyan eredménye, amelyet világszerte „jegyeznek”, korábban nekik sikerült 2,5 nm szélességű grafénszalagokat szeletelni pásztázó alagútmikroszkóppal (STM) – ezt azóta sem sikerült másnak megvalósítani.


Ezzel a munkával kapcsolatban felvetődik
az emberben a kérdés: egy darab cellux segítségével hogyan lehet pontosan egy atomnyi vastagságú hártyává vékonyítani a grafitot?


A celluxon nagyon vékony grafitrétegek vannak, néhány tíz vagy néhány száz atomrétegnyi vastagságúak – noha lehet közöttük véletlenszerűen egyetlen atomnyi vastagságú is. Viszont amikor a grafitréteg már elég vékony, gyakorlatilag átlátszó volt, akkor a celluxot rányomták egy szilícium egykristály szeletre. Még ma sem értjük pontosan, hogy mi történik ilyenkor, de úgy tűnik, hogy a szénatomok legfelső rétege erősebben tapad a szilíciumhoz, mint a következő atomsíkhoz. Egyszerűen leválik, és rajta marad a szeleten.


A mai napig így készítik a grafént?


Nem, bár a mai napig így lehet a legjobb minőséget előállítani, bármilyen hihetetlen. Ám azok számára, akik már az alkalmazásokat tartották szem előtt, világos volt, hogy ez az előállítási módszer semmilyen alkalmazáshoz nem megfelelő, azon túl, hogy kutassuk a grafén tulajdonságait. Akkor felmerült, hogy CVD-módszerrel (chemical vapour deposition), amikor egy vegyület gőzéből csapódik ki az anyag, jelen esetben a szén, lehet növeszteni grafént. Azt régóta tudták, hogy különböző fémfelületekre, amelyek katalizátorként működtek, lehet ezzel a módszerrel növeszteni vékony réteg grafitot, de ez grafit volt, nem grafén, egy atomnyi vastag szénréteg. És akkor egy amerikai kutatócsoport három-négy éve rájött, hogy a növesztéshez rezet kell használni hordozónak, mert ha a szénréteget réz felületre növesztik, akkor azon egyetlenegy réteg grafén nő, majd a növekedés leáll, vagy nagyon lelassul, tehát gyakorlatilag önszabályozó a folyamat. És miközben a szilíciumos módszernél meg kellett keresni azokat a helyeket, ahol egyetlen réteg szénatom maradt a felületen, itt a rézlemezen gyakorlatilag egy teljesen folytonos, egyenletes grafénréteg alakul ki. Ezután kezdett mindenki rézre növeszteni grafént. Mi jelenleg egy koreai kutatócsoporttal dolgozunk együtt, ez a labor is, ahol beszélgetünk, egy koreai–magyar közös nanolabor. Még előző eredményeink alapján, amikor kidolgoztuk az STM-litográfiát, vagyis pásztázó alagútmikroszkóppal szeletelni tudtuk a grafént néhány nanométernyi széles csíkokban, ennek alapján kerestek meg minket a koreaiak, hogy dolgozzunk közösen, és ők finanszírozzák ennek a labornak a működését itt Magyarországon. Mi persze örömmel elfogadtuk ezt a lehetőséget.

A koreai kutatócsoportok közismerten erősek a különböző grafénnövesztési módszerekben, ugyanakkor ők nagyon alkalmazásorientáltak, és ebben a módszerben látták meg a lehetőséget, hogy alkalmazásokat lehessen a grafénből fejleszteni. A mi csoportunk pedig a nanokarakterizációs módszerek területén (az atomi mérettartományban jellemző tulajdonságok leírásában) elismert, így adódott az együttműködési lehetőség: ők növesztik rézre a grafénmintákat, mi pedig vizsgálatokat végzünk ezeken. Amikor megkaptuk az első mintákat, rögtön észrevettük, hogy a réz felületén a grafén nem tökéletesen sima, hanem nanométeres skálán gyűrött. Ideális esetben olyan lenne a grafén, mint egy sima papírlap. De a réz felületén azt láttuk, hogy a grafén olyan, mintha egy papírlapot összegyűrtünk, és azután kisimítottunk volna; igencsak gyűrött volt. Ez a gyűrődés persze csak olyan, nagyon érzékeny felületvizsgáló módszerekkel volt kimutatható, mint a pásztázó atomerő mikroszkóp (AFM), illetve az STM. Gondolkodtunk, hogy ez mitől van, és arra jutottunk, hogy ennek az lehet az oka, hogy a grafén hőtágulási együtthatója negatív. Ha felmelegítjük, összehúzódik, ha lehűl, kitágul. Ez a furcsa viselkedés egy speciális fizikai folyamat eredménye (anomális fonon módusok). Kicsit hőmérsékletfüggő is a hőtágulási együttható, de alapvetően negatív. A rézre a grafént 1000 ˚C-on növesztik rá. Ezen a hőmérsékleten beporlasztják a kemencébe a széntartalmú vegyületet, például metánt, ez ott atomjaira bomlik, a szén kirakódik a rézre, majd kristályos, egyatomnyi vastagságú réteggé rendeződik. Mi történik, amikor ezt a rendszert lehűtjük? A réz összehúzódik, a grafén pedig megpróbál kitágulni, de mivel a rézhez tapadt, nem tud, hanem összegyűrődik. Ez a gyűröttség oka. Azt viszont más csoportok munkájából tudtuk, hogy a gyűrődések erősen befolyásolják a grafén tulajdonságait, mondjuk a vezetési tulajdonságokat.


Ezt tehát már mások is megfigyelték?


Mások is megfigyelték, hogy a gyűrött grafénben úgynevezett elektronlyuk-pocsolyák alakulnak ki. A grafén nagyon jól vezet, ugyanakkor nem teljesen fémes. Azt szokták mondani, hogy félfém vagy nulla tiltott sávú félvezető. Tehát van egy vezetési sávja (amelyikben a elektronok szabadon mozognak), és egy vegyértéksávja, és ezek nem fednek át, mindössze hat pontban érintkeznek egymással, azaz nincs közöttük tiltott sáv sem (amelyik megakadályozza az átjárást a két sáv között), mint a valódi félvezetőknél. Sőt, az előbb említett elektron- és lyuk-pocsolyák miatt a grafén gyakorlatilag mindig vezet. Van egy minimuma a vezetőképességének, de nincs valódi tiltott sávja. Visszatérve a gyűrődésekre: azt vették észre, hogy befolyásolják a vezetőképességet, de a véletlenszerű gyűrődések inkább csak rendezetlenséget hoztak létre. Arra gondoltunk, hogy mi lenne, ha a grafént nem összegyűrnénk, hanem valamilyen periodikus szerkezetbe rendeznénk. Ha szabályossá tennénk ezt a deformációt, azzal kontrollált változásokat lehetne előidézni, hangolni lehetne a grafén vezetési tulajdonságait. Mikronos skálán már próbálkoztak hasonlóval, de nem tapasztaltak semmilyen hatást az elektromos tulajdonságokra, a mikronos deformáció nem éreztette a hatását, olyan kicsi volt az atomi kötések deformációja. Mi azt mondtuk, hogy ha ezt nanométeres skálán meg lehetne csinálni, teljesen más lenne a helyzet. Azt vártuk, hogy ebben az esetben a hatás valószínűleg érzékelhető lesz az elektromos tulajdonságokon. Ennek megvalósítására azt találtuk ki, hogy nanométeres szélességű árkokat hozunk létre valamilyen felületben, és ezek fölé szabadon felfüggesztjük a grafént (vagyis a grafénhártyával „befedjük” ezt az árkot), majd hőkezeléssel mechanikai feszültséget váltanánk ki, mint a növesztés utáni lehűtéskor. Ez a folyamat, ahogyan a klasszikus mechanikából tudjuk, hullámossá teszi a felfüggesztett grafént. Az volt a szerencsénk, hogy nem kellett ezeket az 5 nm-es árkokat nekünk „kivájni”, mert megfelelő hőmérsékleten hőkezelve a réz hordozót, gyakorlatilag spontán kialakulnak ilyen felületi domborzatok. Az árkok, amelyeket így létrehoztunk, nagyjából 5 nm szélesek és 50 nm hosszúak. Ezeket a nanométeres árkokat fedi be a grafén. Egészen pontosan, ahogyan nő a grafén, alatta nyílnak ilyen méretű árkok. Ez az egész 1000 Celsius fokon történik. Amikor lehűtöttük a mintát, a már említett jelenség játszódott le, a réz, így a rézárok szélei is összehúzódtak, a grafén tágult volna, de mert hozzátapadt a rézhez az árok széleinél, kompressziós feszültség lépett fel, és ez meggyűrte a grafént, ám ebben az esetben gyönyörű periodikus hullámosság alakult ki. Maga a jelenség, vagyis az ilyen hullámosság kialakulása így működik nagy méretekben is. A hullámok hullámhossza a kontinuummechanika törvényei szerint arányos az élek távolságával, tehát az árkok szélességével. Minél közelebb vannak az élek, annál kisebb lesz a hullámhossz. Ezért azt gondoltuk, hogy ha lemegyünk a méretekkel a nanométeres tartományba, akkor nanométeres hullámhosszakat fogunk kapni. Viszont a kontinuummechanika alapján számolva azt vártuk, hogy ezekkel a paraméterekkel, amelyekkel mi dolgoztunk, nagyjából néhány nanométeres lesz a hullámhossz. Ezzel elégedettek is lettünk volna, de legnagyobb meglepetésünkre a hullámhossz kisebb lett, mint egy nanométer, kb. 0,7 nm. Ez értelmezhetetlen volt a klasszikus mechanika alapján, mert ha ennek alapján számoltunk, az jött ki, hogy ahhoz, hogy ez a hullámhossz kialakulhasson, a réteg vastagságának nagyságrenddel kisebbnek kellene lennie, mint egy atom átmérője. Ami, ugye, nem értelmezhető! Tehát nem is igazán tudtuk értelmezni, ami történt. Viszont örültünk annak, hogy nanométeres, sőt, még a vártnál is sokkal kisebb hullámokat sikerült létrehoznunk, és rögtön megvizsgáltuk pásztázó alagútmikroszkóppal, hogy mi a helyzet ennek az elektromos tulajdonságaival. Azt láttuk, hogy az elektromos tulajdonságokat, mondjuk úgy: a lokális állapotsűrűséget gyönyörűen befolyásolni, modulálni lehet, pontosan a mechanikai hullám hullámhosszának a kétszeresével modulálódik az elektronsűrűség, a töltéseloszlás.

 

De ez egy statikus moduláció, nem?
Hiszen egy stabil szerkezet hozza létre.


Így van. Ennek az az oka, hogy a töltéshordozók, az elektronok sokkal jobban szeretnek a hullámos grafén hullámhegyeiben és hullámvölgyeiben tartózkodni, mint a köztük lévő átmeneti részen. Így

 

 

ez a töltéseloszlás azt a szuperrácsot követi, amit mi hoztunk létre. Ezzel már egyrészt elégedettek voltunk, hogy a várakozásainknak megfelelően ilyen kis hullámoknál már mérhető, komoly hatásuk van a hullámoknak az elektronszerkezetre, illetve a szuperrács segítségével számos elméleti jóslatot is ellenőrizhetünk. De felvetődött a kérdés, hogy miért lettek a hullámok sokkal kisebbek, mint amit vártunk, és ha nem működnek a klasszikus kontinuummechanika törvényei, akkor hogyan írhatjuk le ezeknek a keletkezését? Azért is volt ez különösen meglepő, mert nagyon-nagyon kevés példa van arra, hogy nem működik a kontinuummechanika. De hát itt a membrán deformációjának hullámhossza összemérhető az atomi rácsállandóval. Ebben a tartományban még senki nem vizsgálta kísérletileg a dolgot, de tudjuk, hogy a kontinuummechanika alkalmazása során van egy olyan feltétel, hogy a deformáció jóval nagyobb, mint a rácsállandó. Ez egy egyszerűsítő feltétel, ami az eseteknek a döntő többségében meg is valósul. Ebben a mérettartományban a klasszikus mechanikának elvileg nem is kellene működnie, de mivel még mikronos skálán jól működött, a mikronos hullámokat jól leírták a kontinuummechanikával, úgy gondoltuk, hogy ha ott működött, a megfelelő paraméterezéssel itt is működni fog.


Jó, de hát itt az atomi kötések
nagyságrendjében vagyunk.


Hát igen. Igazából persze nem is azon lepődtünk meg a legjobban, hogy nem működött a klasszikus mechanika, hanem hogy milyen irányban volt az eltérés, illetve az eltérés mértékén. Azt mondja a kontinuummechanika, hogy minél vékonyabb egy membrán, annál könnyebb hajlítgatni, ezt lefordítva a hullámok nyelvére, annál kisebb hullámhosszat lehet belegyűrni. Ezért azt vártuk volna, hogy ha eltérés van, akkor, mivelhogy a szén–szén kötések a grafénban nagyon erősek, erősebbek, mint a gyémántban, ezért nagyobb lesz a hullámhossz. Az elmélet azt jósolta, hogy a hullámhossz több nanométer lesz, ehhez képest kaptuk a 0,7 nanométert, vagyis egy nagyságrenddel kisebb lett a hullámhossz, mint vártuk, és ez nagyon meglepett minket. A Minnesotai Egyetemen Traian Dumitrica professzor szén nanocsövek esetében vizsgált ilyen deformációkat elméletileg, ezért kezdeményeztem egy együttműködést vele: nézzük meg grafénra is, hogy mi történik az ilyen kis deformációknál, mert nekünk meglepő kísérleti eredményeink vannak. Őt szerencsére nagyon érdekelte a dolog, és az ő módszerével gyakorlatilag azonnal megkaptuk azt az eredményt, amit a kísérletekben is tapasztaltunk. Itt a szén–szén atomi kötések mechanikáját számoltuk, úgy, hogy figyelembe vettünk kvantummechanikai hatásokat, és ha ezeket figyelembe vettük, akkor gyakorlatilag azonnal kijött, hogy a grafén képes ilyen kicsi hullámhosszakat elviselni. Ezután nekiálltunk azt elemezni, miért nem működik a kontinuummechanika a grafén esetében. Az egyik ok viszonylag könnyen érhető: a kontinuummechanikában, amikor folyamatos lemezként tekintem a membránt, és meghajlítom, akkor úgy számolunk, hogy a lemez alján a hajlítástól lesz egy összenyomó síkbeli feszültség, a tetején pedig lesz egy hasonló nyújtó feszültség. A grafén viszont egyetlen atomnyi vastag réteg, így egyszerűen csak meghajlik, azaz nincs csatolás a síkbeli és a síkra merőleges deformációk között. Itt a hajlítással szembeni ellenállás az atomi pályák kölcsönhatásaiból adódik, az elektronpályák átfednek, és ez fejt ki taszító erőt. Ez a hatás viszont sokkal kisebb, mint a síkban való nyújtás vagy összenyomás, figyelembe véve a rendkívül erős síkbeli szén–szén kötéseket. Másrészt, ez a szerkezet nem lesz teljesen feszültségmentes, maradnak benne olyan feszültségek, amelyek nem relaxálódnak, tulajdonképpen egy metastabil állapot jön létre. Tehát találtunk két okot, hogy miért mond csődöt a klasszikus mechanika a nanométeres grafénhullámok esetében. Ez azért volt érdekes, mert a grafén viselkedésének megértése ezen az atomi skálán nagyon fontos lehet a különböző nano-elektro-mechanikus rendszerek, például érzékelők tervezésében. Mi pont erre a megszokottól merőben eltérő viselkedésre – a nanométeres deformációk tartományában – adtunk egy új leírást.


De nem kell az embernek ebben a mérettartományban eleve arra gondolnia,
hogy figyelembe kellene venni az egyes atomokat, a kvantummechanikai hatásokat?
Nem ezt várná az ember a józan ész alapján is?


Hát persze, ahogyan már említettem, a kontinuummechanika törvényeinek leírásában ez benne van, feltételezi, hogy a deformáció jóval nagyobb, mint az atomi méret. Az volt a meglepő, hogy bár számoltunk azzal, hogy eltérés lehet a klasszikus mechanikától, de azt vártuk, hogy az eltérés az ellenkező irányban lesz, a jósoltnál nagyobb hullámhosszak alakulnak ki. Titokban reméltük is, hogy lesznek eltérések az elmélettől, hiszen az érdekes fizika mindig ott van, ahol a régi elméletek csődöt mondanak, ha valami másképp működik, mint ahogy várnánk, és azt még meg is tudjuk magyarázni. Két dologra nem számítottunk, egyrészt, hogy az eltérés nagyságrendi lesz, nemcsak egy kis korrekció kell, a másik, hogy ilyen irányú lesz. És ez nem volt triviális, a józan ész alapján átgondolva nem is tudtuk megmagyarázni, hogy ez miért van így. Tehát először kellettek a kvantumos számítások, viszont utána azoknak az értelmezéséből már szemléletesen is rekonstruálni lehetett, hogy miért történik mindez. De alapból, mikor mértük, nem értettük, és elsőre nem értette Dumitrica professzor sem, pedig neki már sok tapasztalata volt az elméletek területén.


Most itt mindenki egyből ráugrott
erre az eredményre, hogy ebből miféle csodálatos kvantumeszközök lesznek.


Ez a leggyakoribb kérdés, persze érthető, hogy mindenki azt kérdezi, mire jó ez.


Michael Faraday, amikor megkérdezték, hogy mire lesz jó az elektromosság, két dolgot mondott, az egyik: „Miért, mire jó egy újszülött?”, a másik pedig,
amit a pénzügyminiszternek mondott: „Ön előbb-utóbb adót fog kivetni rá!” .


Hát igen. Persze nyilvánvaló, mi is érezzük azt, hogy nagyon fontosak az alkalmazások, csak mikor elmondjuk, hogy ennek jelen formájában elsősorban tudományos jelentősége van, kicsit bővítettük az ismereteinket, többet értünk a világból, erre általában úgy reagálnak, hogy hát igen-igen, ez nagyon szép tudományos tornamutatvány, na de mire lesz ez jó. Magát azt, hogy új ismeretre tettünk szert, mintha kevésbé értékelnénk, inkább csak azt a részét, hogy hogyan válik ez fogyasztható termékké. Mire jó, hogy felfedeztünk egy újszerű viselkedést? Kihasználhatjuk, hogy a kontinuummechanika értelmében bizonyos típusú eszközök nem lennének megvalósíthatók, de ha az újszerű viselkedést alkalmazzuk a tervezésben, ezek lehetségessé válhatnak. Több dolgot is lehet említeni: mivel a grafén elektromos vezetését befolyásolni tudjuk ezekkel a hullámokkal, akkor el lehet fantáziálni különböző lehetőségeken, vannak elméleti cikkek, amelyek leírják, hogy ha ilyen periodikus hullámokat hozunk létre, akkor tulajdonképpen egy valódi tiltott sávot nyithatunk a grafén sávszerkezetében. Ez nagyon fontos, mert a grafén nulla szélességű tiltott sávjával gyakorlatilag nem lehet digitális elektronikát csinálni, vagyis nem lehet a grafént valódi félvezetőként használni. Ez lehetne például az egyik lehetséges alkalmazás. Hogy technológiailag ez a módszer mennyire érné meg mondjuk az iparnak, ez egy teljesen más, nyitott kérdés, amelyet majd az ipar fog eldönteni. Elvileg a lehetőség megvan, és ezt szeretnénk is bebizonyítani, hogy valóban, ezzel a módszerrel félvezetővé tehetjük a grafént, anélkül, hogy felszabdalnánk.


Ez már látszik?


A tiltott sávot még nem mértük ki, mert ahhoz még ráadásul egy merőleges elektromos térbe kellene helyezni, magyarul egy kapuelektródát kell tenni az egész alá. Ez már félig-meddig eszközkonfiguráció lenne, és egy következő lépés lesz, hogy megpróbáljuk. De azt is tudjuk, hogy mindenféle mechanikai feszültségre érzékenyek ezek a hullámok. Bármilyen mechanikai feszültséget hozunk létre, megváltozik a hullámok amplitúdója. Ugyanakkor ez viszont létrehoz egy változást az elektromos tulajdonságokban, vagyis érzékelőként, szenzorként működik, mechanikai feszültségre elektromos jelváltozást ad. Ilyen érzékelők vannak, még mikronos tartományban is, például a MEMS-ek, a mikroelektromechanikai érzékelők, de ez a mi lehetséges szerkezetünk nanométeres tartományban működik, egy 5 × 50 nm méretű érzékelő, de akár 5 × 20 nm-ben is meg lehet valósítani. Hogy ebből eszköz készüljön, az persze megint egy másik történet, több tényezőtől is függ, hogy ilyen irányban meddig érdemes nekünk elmennünk.


Az ember arra gondol, hogy jó, most van egy jelenségem, amit sikerült kimutatni. Lehet, hogy ezt a jelenséget egy másik, jobb technológiával lehet majd hasznosítani. Tehát az első lépés, tudom, hogy létezik a jelenség, utána lehet azon gondolkodni, hogyan lehet majd ezt a gyakorlatban hasznosítani.


Természetesen. Nyilvánvalóan van egy erős késztetés arra, hogy mi magunk próbáljuk meg továbbvinni az alkalmazásig, persze kérdés, hogy erre képesek vagyunk-e egyáltalán? A fejlesztés egy nagyságrenddel nagyobb finanszírozást is igényel, és más jellegű kompetenciákat is. Mi, a jelenlegi felállásban, nagyjából odáig tudjuk hatékonyan elvinni ezt a munkát, mert ahhoz értünk, hogy a működési elvet demonstráljuk..
 



Kulcsszavak: grafén, grafit, AFM, STM, kvantummechanika, kontinuumechanika, hőtágulás