Kerrostettua grafeenia

Unohda 3D, tässä tulee 2D – uuden elektroniikan läpimurto Suomesta


Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan ominaisuuksiltaan erittäin lupaavan sähköä johtavan 2D-komponentin yhdistämällä grafeenin gallium-seleenin heteroliitoksella. Jutun pihvi on siinä, että keksinnön ansiosta voidaan nyt valmistaaa äärimmäisen ohutta ja taipuisaa elektroniikkaa.


Grafeeni vain yhden atomikerroksen paksuinen matto hiiliatomeita. Se on tällä hetkellä maailman kestävin tunnettu aine, ja sitä tutkitaan hyvin intensiivisesti joka puolella maailmaa, koska se on samalla erittäin valoa läpäisevää ja johtaa hyvin lämpöä ja sähköä. Se on eräs parhaista ehdokkaista tulevaisuuden, mullistavan elektroniikan materiaaleiksi.

Itse asiassa grafeenista on povattu elektroniikan mullistajaa siitä lähtien, kun se keksittiin vuonna 2004 ja etenkin sen jälkeen, kun Andre Geim ja Konstantin Novoselov saivat 2010 fysiikan Nobelin sillä tekemistään läpimurtokokeista.

Ongelmana grafeenissa on kuitenkin niin sanottu energia-aukko. Litteästi asettuneiden hiiliatomien elektronit ovat asettuneet siten, että grafeeni käyttäytyy kuin sähkönjohde. Puolijohteiden tulisi nimensä mukaisesti johtaa sähkövirtaa hallitusti, puolittain, joten grafeenin käyttö elektroniikassa puolijohdemateriaalina on ollut vaikeaa.  

Nyt kuitenkin Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet lyöttämään grafeenin yhteen gallium-seleenin kanssa. Gallium-metallin ja muun muassa aurinkopaneeleissa valoherkkyytensä vuoksi käytetyn seleenin yhdiste on metallinen puolijohde, ja lisäksi myös vain yhden atomikerroksen paksuinen (eli 2D-materiaali), joten yhdessä grafeenin kanssa ne muodostavat hyvin ohuen ja kestävän puolijohdemateriaalin.

Erilaisia grafeeniliitoksia on yritetty ja tehty aiemminkin, mutta espoolaisten keksintö on erittäin kiinnostava ja lajissaan ensimmäinen.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun gallium-seleeniä käytetään grafeenin kanssa puolijohdemateriaalien heteroliitoksissa", toteaa tutkimusryhmän johtaja Juha Riikonen Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Kahdesta eri materiaalista koostuvat rakenteet ovat tärkeä osa puolijohdeteollisuutta, ja näitä liitoksia kutsutaan heteroliitoksiksi. Näitä käytetään muun muassa lasereissa ja transistoreissa.

"Perinteisiin, piitä sisältäviin komponentteihin verrattuna meidän komponenttimme on kuitenkin äärimmäisen ohut, vain kymmenestuhannesosa hiuksen halkaisijasta", sanoo tutkija Wonjae Kim.

Kaavakiirros liitoksesta

Laboratoriosta teollisuuteen

Aikaisemmissa tutkimuksissa grafeeniin yhdistetyt 2D-rakenteet on pitänyt valmistaa manuaalisesti, kerros kerrokselta, mikä on tehnyt prosessista hitaan, haastavan ja vaikeasti skaalattavan.

Uusi komponenttirakenne mahdollistaa sen, että materiaalia voidaan valmistaa teollisesti työlään käsityöpuurtamisen sijaan.

"Tavoitteemme on tuoda huippuluokan komponentit tutkimuslaboratoriosta teollisuuteen. Uuden, yksinkertaisemman valmistustavan lisäksi komponentti on myös ominaisuuksiltaan erinomainen", kertoo Kim. 

"Esimerkiksi sen elektroniikan kannalta olennainen on-off-suhde on jopa 10³, mikä osoittaa sekä materiaaliyhdistelmän että rakenteen toimivuuden."

On-off -suhde liittyy grafeenin energia-aukkoon: mitä parempi suhde on, sitä paremmin aine toimii puolijohteena.

Läpinäkyvyys ja äärimäisen ohuuden tuoma taipuisuus avaavat myös elektroniikan kehittämiseen aivan uusia mahdollisuuksia. Mikäli tällaisia ohutkalvoja voitaisiin tuottaa massoittain, voitaisiin niitä käyttää muun muassa vaatteissa, paperien ja muiden materiaalien pinnoittamisessa, silmälaseissa, ikkunoissa ja muissa paikoissa, missä materiaalin päälle haluttaisiin liittää elektroniikkaa. 

 

Tulokset julkaistiin äskettäin Advanced Materials -tiedejulkaisussa.

Tässä jutussa on pohjana käytetty Aalto-yliopiston tiedotetta.


Juttuja samasta aiheesta