grafeeni

Ensimmäisen rengasrakenteisen olympiseeni-molekyylin kehittivät brittitutkijat vuonna 2012 Lontoon olympialaisten aattona. Tuolloin prosessi oli hankala ja monivaiheinen, mutta nyt homma hoituu huomattavasti helpommin.

Ylimääräinen hiiliatomien muodostama rengas saadaan liitettyä suoraan polveilevan molekyylirakenteen jatkoksi. Työvaiheita on vain kaksi, kun niitä aiemmin oli kaikkiaan seitsemän.

Olympiseenit muistuttavat rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan grafeenia, joka on monikäyttöinen aine, sillä se johtaa hyvin sekä sähköä että lämpöä ja lisäksi se on 200 kertaa terästä lujempaa.

Lämpötilat vaihtelevat maailman eri kolkissa sekä vuoden- että vuorokaudenaikojen mukana. Vaikka ilmasto lämpenee kaiken aikaa, vaihtelu säilyy. Se voi yllättäen tarjota ehtymättömän energianlähteen.

Lämpösähköisessä ilmiössä lämpötilaero tuottaa sähkövirtaa tai päin vastoin eli sähkövirralla saadaan aikaan lämpötilaero. Ilmiötä käytetään hyväksi esimerkiksi lämpömittareissa ja jäähdytyslaitteistossa, mutta nyt Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa se on valjastettu sähköntuotantoon.

Uutta on se, että uusi tekniikka ei vaadi samanaikaisesti kahta eri lämpötilaa, vaan se tuottaa sähköä nimenomaan lämpötilan vaihteluista päivän ja yön välillä.

Näennäisesti tekniikan ytimenä oleva lämpöresonaattori tuottaa sähköä tyhjästä, koska lämpötilaerot eivät "näy", niitä ei tarvitse eikä edes voi tankata eivätkä ne todellakaan lopu kesken.

Ainakaan toistaiseksi tekniikalla ei pystytä tuottamaan sähköä kovin tehokkaasti, mutta sillä saattaa olla merkittäviä sovelluksia muiden sähköntuotantomenetelmien varajärjestelmänä. Ja erityisesti käyttökohteissa, joissa vaaditaan taattua sähkövirtaa olosuhteista riippumatta.

Lämpöresonaattoriin perustuva laitteisto toimii säällä kuin säällä, kunhan lämpötilassa tapahtuu vaihteluita.

Zhili Xiaon johtaman ryhmän kehittämällä uudella materiaalilla voi olla sovelluksia tiedon tallennuksessa, muisti- ja logiikkapiirien kehitystyössä, entistä pienemmissä ja tehokkaammissa tietokoneissa, mahdollisesti myös kvanttilaskennassa.

Nykyinen tallennustekniikka perustuu nanomagneetteihin, joiden polariteetti vastaa joko nollaa tai ykköstä. Magneettisessa varausjäässä on erilaisia vaihtoehtoja peräti kahdeksan, mikä mahdollistaa suuremman tallennuskapasiteetin tai kenties jopa uudenlaisia toimintamuotoja, joita nykyinen tietotekniikka ei tarjoa.

"Pystyimme ensimmäisen kerran valmistamaan magneettisten varausten muodostamaa keinotekoista jäätä, jonka energiatilat ovat hallittavissa", toteaa Xiao.

Viime vuosina on tutkittu ahkeasti "keinotekoista spin-jäätä", joka on saanut nimensä siitä, että sen hilarakenteen spin-ominaisuudet ovat samanlaiset kuin vesijäässä. Spin on puolestaan alkeishiukkasilla esiintyvä ominaisuus, jota voi kuvailla sisäisellä pyörimismäärällä, mutta kvanttimaailman ilmiöiden tapaan se on kuitenkin pohjimmiltaan hieman eri asia.

Toistaiseksi spin-jäiden magneettisten varausten hallinta on ollut hankalaa tai mahdotonta, mutta Xiaon tutkijaryhmä löysi ratkaisun kytkemällä toisiinsa magneettisten spinien ja magneettisten varausten hilarakenteet. Ryhmän kehittämällä menetelmällä on mahdollista kontrolloida magneettisia varauksia siten, että kaikki kahdeksan vaihtoehtoista "tilaa" saadaan hallitusti käyttöön.

Osoituksena menetelmän tarkkuudesta tutkijat "kirjoittivat" materiaalin pintaan sanan ICE, jonka koko on kymmenesosa ihmisen hiuksen läpimitasta. 

Magneettinen varausjää on kaksiulotteista ainetta eli se koostuu hyvin ohuesta atomikerroksesta. Sillä voidaan pinnoittaa muita aineita kuten grafeenia, se on ympäristöystävällistä ja valmistuskustannuksiltaan suhteellisen edullista.

Käytännön sovelluksiin on kuitenkin vielä matkaa, sillä uuden menetelmän yhdistäminen nykyisin tietokoneissa käytettävään piipohjaiseen tekniikkaan on haastavaa.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert-tiedesivustolla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Yong-Lei Wang/Zhili Xiao

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.

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.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kokeellisesti, että atomitasolla täsmälleen tietyn levyiset grafeeni-nanonauhat käyttäytyvät metallin tavoin, aiempien teoreettisten ennustusten mukaisesti.

Grafeeni on kymmenkunta vuotta sitten keksitty hiilirakenne, joka muodostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja. Se on kestävin tällä hetkellä tunnettu aine, ja koska se on erittäin valoaläpäisevää ja johtaa hyvin lämpöä ja sähköä, etsitään sille käyttöä monissa erilaisissa sovelluksissa.

Uudet suomalaistulokset tasoittavat tietä grafeenin käytölle tulevaisuuden elektronissa laitteissa, kuten mikroprosessoreissa, joissa grafeiinista valmistetuilla erittäin ohuilla nanonauhoilla voitaisiin korvata kupari johdinmateriaalina. Kun johtimen koko pienennetään atomimittakaavaan, grafeenin lämmönjohtavuuden ja kestävyyden uskotaan olevan parempi kuin kuparin.

Grafeenia tutkitaan maailmalla paljon. Aiemmin valmistetut grafeeni-nanonauhat ovat kuitenkin olleet puolijohteita, joilla ei voi suoraan korvata metallisia johtimia. 

Poikkeukselliset elektroniset ominaisuudet

Nanonauhan valmistus perustuu molekyylien väliseen kemialliseen reaktioon metallipinnalla.

"Nauhojen valmistamiseen käytettävä molekyyli määrittää tarkasti nauhan leveyden", selittää Pekka Joensuu, joka valvoi käytettyjen molekyylien synteesiä. 

"Jos halutaan muuttaa nauhan leveyttä vaikkapa yhden hiiliatomin verran, valitaan vain eri molekyyli".

"Mittasimme tunnelointimikroskoopilla yksittäisten nauhojen ominaisuuksia ja osoitimme, että yli viiden nanometrin pituiset nauhat käyttäytyvät metallin tavoin", kertoo Amina Kimouche.

Otsikkokuva esittää grafeeninauhaa ja sitä tutkivaa mikroskoopin kärkeä.

Kokeellisia havaintoja täydennettiin teoreettisilla laskelmilla. Teorian mukaan nauhojen leveyden kasvaessa atomi kerrallaan joka kolmannen leveyden pitäisi olla lähes metallinen ja sen energia-aukon erittäin pieni.

"Kvanttimekaniikan mukaan järjestelmän pienentäminen tavallisesti kasvattaa energia-aukkoa. Grafeeni toimii eri tavalla poikkeuksellisten elektronisten ominaisuuksiensa ansiosta", sanoo laskelmat tehnyt tohtoriopiskelija Mikko Ervasti Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmästä.

"Tulevissa tutkimuksissa keskitymme kokonaan grafeenista valmistettuihin rakenteisiin, joissa yhdistyvät sekä metalliset että puolijohtavat grafeeni-nanorakenteet”, toteaa tutkimuksen johtaja professori Peter Liljeroth.

Tutkimus "Ultra-narrow metallic armchair graphene nanoribbons" julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä.

Tutkimukseen osallistuneet Atomic Scale Physics - ja Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmät kuuluvat Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien (LTQ) ja Laskennallisen nanotieteen (COMP) huippuyksiköihin. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvosto ERC.

Artikkeli perustuu Aalto-ylioiston tiedotteeseen.