Nanografen prosto na krzemie. Polscy fizycy pominęli najdroższy etap produkcji

Najdroższym etapem produkcji nanografenu nie jest sam grafen, lecz jego przeniesienie z metalu na właściwe podłoże. Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego znaleźli sposób, by ten krok pominąć całkowicie.

Problem ukryty w transferze

→ Czytaj też: Chińscy fizycy zapisali dane na jednym elektronie. Jak to możliwe?

Nanografen — czyli precyzyjnie zaprojektowane nanowstążki i płatki grafenowe o ściśle określonej strukturze — to materiał, który ma napędzać elektronikę przyszłości. Kłopot w tym, jak go wytworzyć.

Obecnie układy nanografenowe powstają przede wszystkim na metalach szlachetnych. Dopiero potem trzeba je przenieść na docelowe podłoże, na przykład krzem. Jak wyjaśnia zespół z UJ, są to operacje złożone, energochłonne i kosztowne. Głównym wyzwaniem pozostaje właśnie transfer struktur z jednego materiału na drugi.

To wąskie gardło całego procesu. Przy przenoszeniu łatwo o zanieczyszczenia i uszkodzenia delikatnych nanostruktur.

Wodór jako selektywny katalizator

→ Czytaj też: Nowy stan kwantowy odkryty w laboratorium. Jak wpłynie na Twój komputer?

Metoda opracowana w Zakładzie Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii UJ działa inaczej. Pozwala bezpośrednio pokrywać powierzchnie półprzewodników, izolatorów i materiałów krzemowych nanowstążkami oraz płatkami grafenowymi o zadanych strukturach.

Schemat jest prosty. Prekursory grafenu nanosi się w warunkach wysokiej próżni wprost na powierzchnię materiału niemetalicznego. Układ podgrzewa się następnie do 200–220 stopni Celsjusza i wystawia na działanie atomowego wodoru.

Wodór pełni tu rolę selektywnego katalizatora reakcji powierzchniowych. Pod jego wpływem prekursory przekształcają się w uporządkowane struktury nanografenowe — bez ryzyka powstawania zanieczyszczeń na pokrywanym podłożu.

Co szczególnie istotne, do korzystania z tej metody nie potrzeba żadnych nowatorskich czy trudnodostępnych technologii ani materiałów — zaznaczył dr inż. Rafał Zuzak, współtwórca rozwiązania.

Tania i dostępna technologia

Kluczowy argument zespołu dotyczy kosztów. Polska metoda eliminuje skomplikowane i drogie etapy stosowane dziś w przemyśle przy powlekaniu grafenem materiałów niemetalicznych.

Nie wymaga metali szlachetnych. Nie potrzebuje też przenoszenia nanopowłok z metalu na materiał docelowy. Cały proces opiera się na dostępnych w przemyśle prekursorach grafenu oraz na urządzeniach do generowania próżni i produkcji atomowego wodoru, tak zwanych crackerach.

Zdaniem badaczy łatwa dostępność narzędzi i prekursorów otwiera drogę do powszechnego wdrożenia tej technologii w przemyśle. To różni ją od wielu laboratoryjnych metod, które działają na stole, ale nie poddają się skalowaniu.

Materiał dla elektroniki, telekomunikacji i medycyny

Nanografen nie jest celem samym w sobie. Ściśle określone struktury grafenowe — zwłaszcza nanowstążki — mają właściwości elektroniczne, których brakuje zwykłemu, jednolitemu grafenowi. To czyni je atrakcyjnymi dla projektowania nowych układów.

Naukowcy z UJ wskazują, że ich metoda umożliwia projektowanie materiałów wykorzystywanych w elektronice, telekomunikacji i medycynie. Możliwość nanoszenia nanografenu wprost na krzem ma tu wymiar praktyczny: krzem pozostaje podstawą całej współczesnej mikroelektroniki.

Rozwiązanie objęto międzynarodową ochroną patentową. Obecnie technologia znajduje się na etapie intensywnych badań i dalszego rozwoju.

Zespół pracuje nad zebraniem danych o możliwości skalowania procesu oraz nad dostosowaniem metody do realnych potrzeb przemysłu. To etap, na którym wiele obiecujących pomysłów ostatecznie się sprawdza — albo nie. Jeśli skalowanie się powiedzie, droga od metali szlachetnych do prostego ogrzewania w próżni może okazać się skrótem, na który czekała branża nanomateriałów.