Fizycy zaczęli traktować atomowo cienkie płaszczyzny trochę jak klocki, które można przesuwać, obracać i układać jedna na drugiej. Minimalna zmiana geometrii wystarcza wtedy, aby elektrony zaczęły zachowywać się zupełnie inaczej. Jeszcze niedawno takie eksperymenty wymagały cierpliwego polowania na mikroskopijne płatki materiału. Teraz Chińczycy pokazali, że część tej loterii można zastąpić kontrolowanym procesem produkcyjnym.
Jeden atom grubości już nie wystarcza. Liczy się sposób ułożenia grafenu
Zespół z Uniwersytetu Pekińskiego opracował metodę wytwarzania grafenu romboedrycznego, czyli wielowarstwowej odmiany, w której kolejne płaszczyzny węgla układają się według sekwencji ABCABC. Typowy grafit preferuje stabilniejszy układ ABAB, określany jako ułożenie Bernala. Różnica wygląda wręcz banalnie, bo sprowadza się do przesunięcia kolejnych warstw względem siebie, ale dla elektronów taka banalna już jednak nie jest.
Czytaj też: Grafen w nowej formie! Europa stawia na cudowny materiał, który zachwyca nie tylko wagą
W romboedrycznej strukturze mogą pojawiać się silne oddziaływania elektronów, płaskie pasma energetyczne oraz egzotyczne stany kwantowe związane między innymi z nadprzewodnictwem i kwantowym efektem Halla. Pisałem już o tym przy romboedrycznym grafenie, kiedy eksperymenty pokazały zadziwiające zachowanie nadprzewodnictwa w takich strukturach. Problem był wtedy bardzo przyziemny. Materiał o odpowiednim ułożeniu warstw trzeba było najpierw znaleźć.
Dotychczas badacze mogli rozdzielać grafit mechanicznie i to nawet z wykorzystaniem taśmy klejącej, a następnie przeglądać uzyskane płatki pod mikroskopem. Według współautora nowego badania odpowiednie romboedryczne ułożenie pojawiało się w mniej niż jednym procencie próbek. Jako metoda prowadzenia eksperymentów fizycznych jeszcze da się z tym żyć. Jednak jako podstawa jakiejkolwiek przyszłej produkcji elektroniki jest to po prostu nieopłacalne.
Chińczycy przestali szukać odpowiedniego grafenu. Zaczęli go hodować
Nowa metoda odwraca ten problem produkcji. Badacze wykorzystali powierzchnię tlenku aluminium z mikroskopijnym stopniem oraz stop miedzi i niklu, który pełni jednocześnie rolę katalizatora i szablonu wzrostu. Geometria podłoża pomaga wymusić odpowiednie przesuwanie kolejnych warstw podczas wzrostu materiału w wysokiej temperaturze. Zamiast liczyć, że natura przypadkiem ułoży stos w konfiguracji ABC, proces zaczyna tę konfigurację narzucać.
Czytaj też: Zwykle nie wierzę w grafenowe cuda. Jednak tym razem ciężko przejść obok tego obojętnie
Rezultat jest imponujący. Badacze osiągnęli ponad 99-procentową czystość fazową grafenu romboedrycznego, więc chodzi o to, że niemal cały uzyskany materiał ma pożądane ułożenie warstw. Powstałe fragmenty osiągnęły nawet 160 na 80 mikrometrów, a grubość można regulować od około 15 warstw aż do około 120 nanometrów.
Skala nadal wprawdzie nie imponuje komuś przyzwyczajonemu do 300-milimetrowych wafli krzemowych, ale w świecie badań materiałów kwantowych przeskok jest ogromny. Wcześniej samo zdobycie dobrej próbki było częścią eksperymentu. Teraz można zacząć myśleć o powtarzalnym przygotowywaniu materiału o zdefiniowanej strukturze.
Najważniejszy może być nie grafen, tylko kontrola nad materią
Właśnie w tym miejscu dla mnie zaczyna się najciekawsza część tej historii, bo nie wierzę, że za kilka lat nagle wyrzucimy krzem i zastąpimy każdy procesor grafenem. Podobny dystans warto zachować m.in. przy chińskim tranzystorze ferroelektrycznym z bramką około 1 nm, gdzie również imponujący demonstrator nie oznacza jeszcze gotowego procesu przemysłowego. Znacznie bardziej fascynuje mnie jednak coś innego.
Czytaj też: Grafen z ołówka zaczął robić rzeczy, których fizycy nie potrafią jeszcze wyjaśnić
Elektronika przyszłości może w coraz mniejszym stopniu polegać wyłącznie na poszukiwaniu nowych materiałów, a w coraz większym na sterowaniu ich geometrią w skali atomowej. Ten sam węgiel może zachowywać się inaczej zależnie od tego, jak przesuniemy względem siebie jego warstwy. Zamiast tylko projektować układy elektroniczne, zaczynamy więc w pewnym sensie projektować samą fizykę materiału.
Grafen romboedryczny jest szczególnie interesujący jako platforma do badania skorelowanych i topologicznych stanów kwantowych. W dłuższej perspektywie takie właściwości mogą okazać się przydatne również przy konstrukcji bardziej odpornych na zakłócenia urządzeń kwantowych, choć droga od próbki laboratoryjnej do użytecznego kubitu pozostaje ogromna. Następnym krokiem ma być łączenie mniejszych obszarów romboedrycznego grafenu w większe, ciągłe arkusze nadające się lepiej do budowania rzeczywistych urządzeń. Dopiero wtedy przekonamy się, czy obecny eksperyment był tylko bardzo eleganckim rozwiązaniem laboratoryjnego problemu, czy początkiem metody, którą kiedyś zobaczymy w zaawansowanych półprzewodnikach.
Źródła: Science , South China Morning Post
