Homepage
Grafen: LiU-forskare var med från starten
En oktoberdag 2010 var ordet grafen plötsligt i var mans mun. Ett Nobelpris var vad som behövdes för att göra detta ”supermaterial” känt utanför fysiklabben. Då fick man också lära sig att något kan existera i bara två dimensioner. Ett grafenskikt har ingen höjd, eftersom det består av ett enda lager av kolatomer, tunnare än våglängden på det synliga ljuset. (LiU Magasin 4/2010)
-En struktur i två dimensioner borde inte vara stabil. Förekomsten av grafen förutsågs teoretiskt för många år sedan, men man trodde då att ett sådant material snabbt skulle falla sönder. Men det visade sig att detta var ett undantag, säger Rositza Yakimova, professor i materialfysik och bäst i världen på att framställa grafen i en storlek som duger för att tillverka komponenter.
Figuren ovan visar hur kolatomerna är bundna till varandra i en hexagonal struktur (foto: Jannik Meyer, Science vol. 324, 2009). Den infällda bilden från ett elektronmikroskop visar en grafenyta framställd vid Linköpings universitet (foto: Mikael Syväjärvi/LiU).
Det var André Geim och Konstantin Novoselov som genom experiment visade att ett grafenlager (som de skalat av med tejp från en bit grafit) verkligen var stabilt, vilket delvis kunde förklaras av den ondulerande ytan (se bilden). 2004 publicerade de upptäckten som efter den rekordkorta tiden sex år renderade dem Nobelpriset i fysik.
Men när Geim och Novoselov experimenterade med pyttesmå flagor på universitetet i Manchester, hade Rositza Yakimova och hennes medarbetare i all tysthet skapat materialet på betydligt större ytor. Det var resultatet av flera års försök med upphettning av halvledarmaterialet kiselkarbid, en förening av kisel och kol. I hettan bryts de kemiska bindningarna och kiselatomerna förångas.
-Vi utvecklade epitaxiell grafit av hög kvalitet, och upptäckte snart att vi kunde göra det tunnare och tunnare. 2003 hade vi lyckats komma ner till ett enda lager, men vi kunde inte vara säkra på att det verkligen var grafen. Vi visste inte heller vad Geim och Novoselov höll på med, säger Rositza Yakimova.
Den största skillnaden mellan de båda gruppernas arbete är att Nobelpristagarna arbetat med små flagor som måste sättas fast på en kiselskiva för att vara användbara. LiU-forskarnas grafen däremot sitter kvar på den kiselkarbidyta där det skapades. Det gjorde att de till en början möttes av en del tvivel: skulle egenskaperna påverkas negativt av underlaget?
-Det är en ovanlig form av grafen eftersom det är bundet till ett substrat. Men vår publicering i Nature Materials tillsammans med kolleger på bland annat Chalmers blev ett genombrott, säger Rositza Yakimova.
Det som imponerade på omvärlden var att man lyckas få fram grafen i större format med så hög kvalitet och att dess egenskaper kunde mätas med mycket hög precision. Nu arbetar gruppen vidare på att åstadkomma en internationell standard för materialet.
Deras metod, High temperature graphene process, är en form av epitaxiell framställning. Man placerar en wafer av kiselkarbid i en högrenad behållare som hettas upp med induktionsvärme till 2000 grader. Vid den temperaturen bryts bindningarna mellan kisel och kol varvid kiselatomerna på ytan sublimeras och övergår till gasform. Det gäller att kontrollera processen noga så att endast ett grafenlager byggs upp. Det som händer är motsatsen till LiU-gruppens framställningsprocess för kiselkarbid, där materialet växer genom förening av kol och kisel i gasform.
Samarbetet med fysiker vid Chalmers går nu vidare i EU-projektet Concept graphene med en budget på 3,2 miljoner euro. Linköpingsgruppen utvecklar materialet med hög kvalitet på ytor större än 50 mm i diameter, vilket är en förutsättning för att kunna bygga elektroniska komponenter med grafen som bas. Ett mål med projektet är att lägga grunden till ett företag för grafenproduktion i stor skala. Forskaren Mikael Syväjärvi arbetar med industrialiseringen och hoppas att det kan hamna i Linköping:
-Det är helt i linje med våra tankar. Just nu skickar vi ut grafen helt gratis, säger han.
Åke Hjelm
2010-10-13
Fotnot: Epitaxi är en välkontrollerad fysikalisk metod som används för att bygga kristallina strukturer. Ordet kommer från grekiskans epi (ovanpå) och taxis (ordnat).
Kontakt:
Rositza Yakimova, professor, 013-282528, rosya@ifm.liu.se
Mikael Syväjärvi, docent, 013-285708, mikael.syvajarvi@liu.se
Mer grafenforskning vid LiU
Ytans egenskaper studeras experimentellt av forskarassistent Chariya Virojanadara och professor Leif Johansson. Ett problem när man låter grafen växa på ett underlag av kiselkarbid är att det bildas ett buffertlager av kolatomer, som samspelar med kiselatomer och därigenom försämrar kvaliteten på materialet. Virojanadara och Johansson och medarbetare har visat att det går att lyfta upp detta buffertlager genom att stoppa in andra atomer som separerar det från underlaget - ungefär som när en husbyggare gjuter plintar mellan marken och bjälklaget för att undvika röta.
De första lyckade experimenten gjordes med väteatomer. Nu har gruppen gått vidare och gjort försök med alkalimetaller som litium, cesium och rubidium. Resultaten som i november 2010 publicerades i tidskriften Physical Review B visar att litium uppträder ungefär som väte, det lyfter upp buffertlagret så att det omvandlas till ett äkta grafenskikt. Cesium och rubidium avger endast sin laddning till grafenet, så kallad elektrondopning vilket kan ge nya intressanta egenskaper.
Grafen som kontaktmaterial i organiska lysdioder (OLED). OLED finns i mobiltelefoner, läsplattor, kameror och små tv-apparater. Tack vare sitt ljusalstrande lager av ledande plast är de strömsnåla och ultratunna. Men de måste förses med en genomskinlig metallelektrod där den sällsynta och dyrbara metallen indium ofta ingår. LiU-forskaren Nathaniel Robinson har tillsammans med kolleger vid Umeå universitet och USA utvecklat en helt kolbaserad lysande komponent, en ljusemitterande elektrokemisk cell (LEC) där den negativa elektroden tillverkas av grafen. Det betyder att komponenten är 100-procentigt kolbaserad vilket gör den billigare och enklare att återvinna.
Teoretiska modeller. Grafen spås en lysande framtid inom en rad olika områden vid sidan om ultrasnabb elektronik, till exempel lagring av vätgas och nötningståliga ytor i maskiner och verktyg. Det är dessutom det mest lovande materialet för framtidsdrömmarna om kvantdatorer och spinntronik. Professor Igor Zozoulenko och hans medarbetare utvecklar teoretiska modeller för elektroniska egenskaper, materialegenskaper och elektromagnetisk/optisk respons i grafenbaserade lager, band och komponenter.
Kol i olika skepnader
Grafen är det tunnaste material som finns. Fysikaliskt sett är det är en halvmetall, ett mellanting mellan isolator och metall. I den tvådimensionella strukturen rör sig elektronerna 100 gånger snabbare än i kisel. Materialet har många eftertraktade egenskaper: det är mycket hållfast, genomskinligt, segt och böjbart och det tål hög temperatur. De elektriska egenskaperna är extraordinära och det är framförallt det som förklarar det stora intresset för materialet. Elektronerna som svävar som en dimma över ett grafenskikt rör sig med en hastighet nära ljusets, 100 gånger snabbare än i kisel.
Grafit är en av de olika former som grundämnet kol kan anta naturligt. Grafitkristallen är uppbyggd av lager på lager med kolatomer i en hexagonal struktur, som bikakor. Materialet är mycket mjukt och används bland annat i blyertsstift och som smörjmedel.
Kiselkarbid, en förening mellan kisel och kol, förekommer inte i naturen. Som elektronikmaterial har det många fördelar framför rent kisel: det tål högre spänning, temperatur och frekvens och står pall i de tuffaste omgivningar. Forskare vid LiU har varit pionjärer på tillverkning av kiselkarbid och deras metod används industriellt i Norstels fabrik i Norrköping.
Sidansvarig:
birgitta.weibull@liu.se
Senast uppdaterad: Tue Jan 10 14:38:17 CET 2012
