Grafen
Grafen
Je to forma uhlíku, podobná grafitu. Uhlík se vyskytuje především ve struktuře kubické a šesterečné. Grafit, jak známo, je nekovový šesterečný minerál, který tvoří šupinky s velmi dokonalou štěpností. Struktura grafitu se skládá z vrstev, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Na každý uhlík jsou vázany další tři uhlíky. Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí, tzv. van der Waalsovy síly.
Schéma atomu uhlíku Prostorové rozložení elektronů v uhlíku
Kubické uspořádání atomů uhlíku Šesterečné uspořádání atomů uhlíku
Označení grafen je užíván pro dvojdimenzionální (2D) krystal uhlíkových atomů, které jsou
uspořádány do mřížky s šestičetnou symetrií, tedy se symetrií včelí plástve. Atomy uhlíku jsou uspořádány do podoby šestiúhelníků a destička je lehce zvlněná. Současné vysvětlení termodynamické stability grafenu přepokládá právě existenci drobného zvlnění (angl. ripples) na škále řádově větší než vzdálenost nejbližších atomů.
Zvlnění grafenu Symetrická struktura grafenu
Toto zvlnění poskytuje grafenu dostatečnou odolnost vůči termálním fluktuacím, minimálně však ovlivňuje pásovou strukturu tohoto materiálu, který tak z hlediska elektrických vlastností zůstává 2D systémem. Pásová struktura grafenu je po teoretické stránce známa již přes padesát let. Charakter vazby v grafenu a vlastnosti jeho pásové struktury jsou dány především sp2 konfigurací valenčních elektronů. Zatímco s orbital a v rovině krystalu ležící p orbitaly vedou k velmi silné kovalentní vazbě mezi atomy a jsou tak příčinnou neobyčejně vysoké mechanické pevnosti grafenu, zbývající p orbital, orientovaný kolmo k rovině grafenu, vede ke vzniku p pásů, které určují jeho unikátní chování v mnoha transportních a optických experimentech. Dva p pásy znázorněné na obrázku, tj. pás vodivostní a valenční, se vzájemně dotýkají v bodech K a K’, které tvoří rohy Brillouinovy zóny ve tvaru pravidelného šestiúhelníku. V nedopovaném grafenu jsou tyto pásy zaplněny právě až k bodu jejich vzájemného dotyku. Grafen tak lze označit za polovodič s nulovou šířkou zakázaného pásu. Omezíme-li se na pásovou strukturu grafenu v okolí libovolného z K bodů, zjistíme, že energetické pásy mají tvar dvou, vrcholem se dotýkajících, kuželů. Nosiče náboje tedy lze v této oblasti Brillouinovy zóny považovat za volné částice.
Elektronové pásy v grafenu
Fyzikální historie grafenu začala již poměrně dávno – již v polovině minulého století byla spočtena jeho elektronová pásová struktura a využita jako výchozí bod pro popis objemového grafitu. Podobně grafen posloužil nedávno při výpočtech elektronických vlastností uhlíkových nanotrubek i fullerenů. Řada zajímavých a výjimečných vlastností grafenu tedy byla teoreticky známa a popsána již delší dobu, nebyla jim však věnována přílišná pozornost, neboť izolovanou monovrstvu grafenu až donedávna nebylo možné získat.
Grafen byl poprvé připraven v roce 2005 ve skupině Andre Geima na Univerzitě v Manchesteru použitím jednoduché metody, kdy jsou z povrchu krystalu grafitu běžnou lepící páskou slupovány vrstvy o různých tloušťkách. Po jejich depozici na vhodný substrát, kterým je nejčastěji křemíková destička s vrstvou SiO2, lze v běžném optickém mikroskopu identifikovat vrstvy o tloušťce několika atomových rovin a překvapivě i samotný grafen.
Pokusy s grafenem na substrátu SiO2
Vzorky získané tímto postupem mohou mít velikost přesahující 100 mikronů v průměru. Téměř současně s touto tzv. Scotch tape metodou byl grafen připraven také epitaxně, a to termální dekompozicí karbidu křemíku. Při zahřátí krystalu SiC na teplotu nad 1000°C se z povrchu uvolňují atomy křemíku a zbylé uhlíkové atomy se přeuspořádají do grafenové vrstvy.
Příprava grafenu, neboli prvního ryze dvojdimenzionálního krystalu, byla velmi překvapivá,
neboť z hlediska základních termodynamických úvah, které nezávisle provedli Peierls i Landau, by totiž takový materiál neměl být stabilní. Za libovolné teploty by se měl rozpadnout nebo minimálně separovat do izolovaných ostrůvků. Obzvláště naléhavým se tento problém stal poté, co byl grafen připraven v podobě samonosné membrány, která bezpečně vyloučila možnost, že existence grafenu je podmíněna blízkostí substrátu, na kterém se grafen nachází. Pokroky v litografických technikách dnes umožňují přípravu membrán o průměru až 100 mikronů, tedy téměř o makroskopické velikosti.
U žádného jiného materiálu nebylo dosud pozorováno, že by se jeho elektrony chovaly, jakoby neměly žádnou hmotnost a pohybovaly se rychlostí světla. V případě, že by se toto prokázalo, otevřela by se cesta k vývoji zcela nového druhu tranzistorů. Kromě elektrické vodivosti je grafen také propustný pro světlo, takže by se dal využít při výrobě například displejů a nahradit tak stávající zařízení z tenkých vrstviček oxidů kovů. Jak bylo řečeno, grafen je polovodivý. Připravit polovodivý grafen typu p není tak obtížně, protože k tomu stačí jeho lehká oxidace, k níž
dochází často přirozenou cestou v zemské atmosféře. Vyrobit typ n už tak jednoduché není, pro využití grafenu v elektronice je třeba obou typů. Tento problém vyřešil početný tým tvořený vědci ze Stanford University, University of Florida a Lawrence Livermore National Laboratory. Vyvinuli novou technologii, která spočívá v zahřívání grafenu procházejícím elektrickým proudem na teplotu stovek stupňů Celsia v atmosféře z čistého amoniaku. Na místech poruch v krystalové struktuře dochází k chemické reakci, při které se do ní zabuduje dusík. Díky polovodivosti a tloušťce síťky pouhý jeden atom je možné z grafenu vyrobit tranzistory, které jsou teoreticky schopné pracovat až do frekvence 1 Thz. Zvlnění sice lehce zvětšuje rozměry nového tranzistoru, ale stabilizuje 2D strukturu. I tak je ale grafenový tranzistor až 4krát menší než nejmenší křemíkový. Navíc je lze skládat do velice kompaktních celků. Díky těmto vlastnostem se do budoucna počítá s využitím grafenu v mikroprocesorech a pamětech.