Grafen – materiał nowego świata

Autor: Geoff Mortimer

Niewiele materiałów w ciągu ostatnich 20 lat wywołało tyle sensacji w świecie nauki i przemysłu co grafen. Już pod koniec XX wieku naukowcy wiedzieli o istnieniu tego jednowarstwowego i dwuwymiarowego kryształu, nikt jednak wówczas nie opracował jeszcze metody jego ekstrakcji z grafitu. Dopiero w październiku 2004 roku profesorowie Sir Andre Geim i Sir Konstantin Novoselov z Uniwersytetu w Manchesterze, publikując pracę pt. "Efekt pola elektrycznego w atomowo cienkich warstwach węgla", dokonali przełomu. Dalsze badania przyniosły im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku.

Od tamtej pory Uniwersytet w Manchesterze znajduje się w światowej czołówce badań nad grafenem. Opublikowano już tysiące artykułów naukowych, a zaproponowane zastosowania obejmują szeroki wachlarz produktów – od superkomputerów i ultrawydajnej elektroniki po wyjątkowo wytrzymałe materiały. Choć niektóre z bardziej futurystycznych wizji dotyczących grafenu wciąż czekają na realizację, nie ma wątpliwości, że jego wpływ na sektor półprzewodników będzie coraz większy. Przemysł nieustannie dąży do produkcji szybszych, bardziej wydajnych i kompaktowych urządzeń elektronicznych. Na rynku jest już dostępnych ponad 50 milionów produktów wzbogaconych o grafen. Wykorzystywane są w przeróżnych branżach, między innymi: motoryzacja, filtracja wody, panele słoneczne, lotnictwo, satelity czy nawet buty do biegania.

Ale co sprawia, że grafen budzi tak wielkie zainteresowanie i co,  w kontekście półprzewodników, czyni go lepszą alternatywą dla krzemu?

Materiał przyszłości

Grafen to najcieńszy znany światu materiał, ale wyjątkowość zapewnia mu przede wszystkim fenomenalna mobilność elektronów, około 500 razy większa niż w przypadku krzemu. Dzięki temu, że elektrony mogą przemieszczać się niezwykle szybko przez jego przypominającą plaster miodu sieć krystaliczną, grafen zapewnia lepsze przewodnictwo elektryczne i wyższą wydajność urządzeń.

W kontekście półprzewodników grafen (oraz inne materiały dwuwymiarowe) otwierają drogę do tworzenia elastycznej elektroniki. Jego atomowa cienkość, wysoka stabilność mechaniczna i elastyczność sprawiają, że jest idealnym kandydatem do zadań tego typu. Ponadto grafen jest doskonałym przewodnikiem ciepła, co może wspomóc dalszą miniaturyzację struktur elektronicznych.

Profesor Geim obecnie pracuje w Narodowym Instytucie Grafenu (NGI) na Uniwersytecie w Manchesterze. Instytut, założony, by prowadzić zaawansowane badania nad grafenem i pokrewnymi materiałami 2D, stał się globalnym centrum przełomowych odkryć. NGI i Centrum Innowacji Inżynierii Grafenu (GEIC), współpracując z ponad 400 firmami na całym świecie, odgrywają kluczową rolę w łączeniu badań akademickich z zastosowaniami przemysłowymi.

Od momentu powstania GEIC przyczyniło się do realizacji ponad 500 projektów wykorzystujących grafen – od zaawansowanych kompozytów po czujniki nowej generacji. Te innowacje są wynikiem strategicznych partnerstw i projektów, które mają na celu zastosowanie niezwykłych właściwości grafenu w rzeczywistych rozwiązaniach. NGI i GEIC wspólnie pomogły w stworzeniu ponad 60 start-upów oraz pozyskaniu znaczących inwestycji, co umacnia pozycję Manchesteru jako „stolicy grafenu”.

Andrew Strudwick, menedżer ds. zastosowań w dziedzinie CVD i druku w GEIC, w wywiadzie dla Evertiq wyjaśnia, jak jego zespół wspiera te innowacje:

"W GEIC zapewniamy firmom narzędzia, wiedzę i środowisko do współpracy, które pozwala im odkrywać potencjał grafenu. Nasz zespół ściśle współpracuje z partnerami przemysłowymi, aby opracowywać prototypy i skalować technologie nowej generacji, zapewniając płynne przejście grafenu z laboratorium do realnych zastosowań komercyjnych. To podejście kształtuje przyszłość elektroniki, energetyki i nauki o materiałach."

Wsparcie ze strony UE

W Szwecji powstała inicjatywa Graphene Flagship, której cele są zbliżone do tych realizowanych przez GEIC, w tym rozwój linii pilotażowej dla materiałów dwuwymiarowych (2D-pilot line). W 2013 roku, z budżetem wynoszącym około 1 miliarda euro, uruchomiona została inicjatywa badawcza UE. W ramach projektu współpracuje ponad 100 firm i partnerów akademickich z różnych sektorów – od motoryzacji i lotnictwa po elektronikę, energetykę, kompozyty i biomedycynę.

„Projekt opiera się na fundamentach programów Graphene Flagship Core 3 i 2D-EPL” – w rozmowie z Evertiq wyjaśnia Inge Asselberghs, dyrektor 2D-EPL i doradca naukowo-technologiczny Graphene Flagship. – „W ramach 2D-EPL konsorcjum skupiło się na dwóch klasach materiałów – grafenie oraz TMDC (MoS₂/WS₂). Wykorzystanie dostępnych w konsorcjum narzędzi i nowego sprzętu pozwoliło na znaczący rozwój modułów wzrostu i transferu. Wraz z nowymi inwestycjami planowanymi w kolejnym projekcie 2D-PL celem jest dalsze doskonalenie procesów produkcyjnych.”

Organizacja znacząco wpłynęła na rozwój karier około 1 000 doktorantów i młodych naukowców oraz przyczyniła się do powstania 20 spółek spin-off, które łącznie pozyskały ponad 170 milionów euro kapitału inwestycyjnego. Dodatkowo, uczestnicy projektu zgłosili ponad 80 patentów i wprowadzili na rynek ponad 100 produktów. Według raportu instytutu badawczego WifOR, program Graphene Flagship w latach 2014–2030 ma przyczynić się do wzrostu PKB UE o 3,8 miliarda euro i wygenerowania 38 400 nowych miejsc pracy.

Świat pełen możliwości

W kontekście półprzewodników główne zastosowania grafenu koncentrują się obecnie na sensorach – przede wszystkim do detekcji gazów oraz biosensorach. Oprócz sensorów i tranzystorów, wysoka przewodność elektryczna oraz odporność na elektro-migrację sprawiają, że grafen, zmniejszając straty energii i poprawiając wydajność, jest idealnym materiałem do połączeń międzysystemowych w układach scalonych. Jego elastyczność i wytrzymałość otwierają nowe możliwości w elektronice użytkowej – od składanych smartfonów po wearable technology.

Kolejnym ważnym obszarem jego zastosowań jest fotonika. Interakcja grafenu ze światłem napędza rozwój innowacyjnych fotodetektorów, modulatorów i innych urządzeń fotonicznych, które są kluczowe dla sieci komunikacyjnych nowej generacji.

Wyzwanie luki pasmowej

„Cudowny materiał” nie jest jednak wolny od wyzwań, a najważniejszym jest tzw. band gap (przerwa energetyczna).

W uproszczeniu, przerwa energetyczna jest barierą dla ruchu elektronów w strukturach krystalicznych i wynika z symetrii występujących w materiale. W krzemie barierę tę można pokonać poprzez przyłożenie napięcia do tranzystora – elektrony zaczynają się poruszać, a urządzenie przechodzi w stan „włączony”. Kiedy napięcie jest odłączone, przepływ elektronów ustaje, a urządzenie jest „wyłączone” – co jest charakterystycznym zachowaniem półprzewodnika.

Grafen zachowuje się jednak jak półmetal, a nie półprzewodnik. Nie posiada naturalnej przerwy energetycznej, co oznacza, że w standardowej konfiguracji nie można go w pełni „wyłączyć”, co prowadzi do problemów ze zwiększonym poborem mocy.

Przez lata naukowcy pracowali nad rozwiązaniem tego problemu, między innymi ograniczając grafen do nanowstążek lub stosując alternatywne geometrie urządzeń. Przełom może jednak nadejść dzięki badaniom prowadzonym na Uniwersytecie Tianjin, gdzie naukowcom udało się stworzyć materiał grafenowy na podłożu z węglika krzemu. Wykorzystanie interakcji między tymi dwoma materiałami pozwoliło na wygenerowanie przerwy energetycznej w powstałej strukturze.

Innym wyzwaniem jest skalowalność oraz integracja grafenu z istniejącymi procesami produkcji półprzewodników. W tym zakresie również dokonano znacznych postępów – kluczową rolę odgrywa inicjatywa 2D-Pilot Line, której celem jest rozwijanie technologii grafenowych do zastosowań przemysłowych i oferowanie usług prototypowania, umożliwiających przejście od badań do rzeczywistych aplikacji.

Firmy takie jak Paragraf i Graphenea prowadzą już testy komercyjne tranzystorów i sensorów opartych na grafenie, ale według Asselberghs wciąż jest wiele do zrobienia. „Inżynieria przerwy energetycznej w grafenie to ogromne wyzwanie, wymagające niezwykle precyzyjnej kontroli procesu. Choć w literaturze naukowej można znaleźć obiecujące przykłady, kluczowe jest uwzględnienie aspektów skalowalności i powtarzalności” – podkreśla.

Czy hype jest uzasadniony?

Dwadzieścia lat temu snuto różne wizje dotyczące potencjału grafenu – niektóre realistyczne, inne mniej. Inge Asselberghs jest przekonana, że jeszcze wiele przed nami:

„Na początku programu Graphene Flagship wielu sceptyków wątpiło, czy da się niezawodnie uzyskać wysokiej jakości grafen w skali centymetrów kwadratowych. Dziś jesteśmy już daleko poza tym etapem. Inwestycje w technologie obróbki waflowej oraz produkcję demonstratorów otwierają drogę do rozwoju sensorów, fotoniki i urządzeń elektronicznych” – mówi.

W dziedzinie półprzewodników, gdzie dąży się do coraz większej wydajności i miniaturyzacji, grafen wyróżnia się jako kluczowy materiał napędzający innowacje i dający wiele powodów do optymizmu.

Być może, jak twierdzi wielu badaczy, „rewolucja grafenowa dopiero się zaczyna”.