sklodowska_Wysmolek grafen.pdf

Grafen – dwuwymiarowy materiał przyszłości

Dwa wymiary grafenu

ułożeniu atomów na powierzchni wygrzewa-

nego w wysokiej temperaturze węglika krze-

mu. Niestety, badacze nie zaciekawili się tym

osiągnięciem i trzeba było czekać aż do roku

2004, kiedy to dwóch fizyków z Uniwersytetu

w Manchester w Wielkiej Brytanii do uzyska-

nia grafenu użyło grafitu i taśmy klejącej. Za

badania, zapoczątkowane tym eksperymen-

tem, Andrej Geim i Konstantin Novoselov

uzyskali w 2010 roku Nagrodę Nobla. Wynik

ich doświadczeń zaskoczył środowisko fizy-

ków, gdyż był sprzeczny z przewidywania-

mi teoretycznymi, które wykluczały istnienie

swobodnych, termodynamicznie stabilnych

dwuwymiarowych kryształów.

Po entuzjastycznym doniesieniu o uzyska-

niu płaskiej, pojedynczej warstwy węglowej

zaczęły się badania właściwości nowego ma-

teriału. Już rok później w magazynie Nature

pojawiło się potwierdzenie jego unikatowych

właściwości. Pierwsze otrzymane płatki gra-

fenu były stosunkowo małe, o wymiarach

około kilku-kilkudziesięciu mikrometrów.

Ich jakość pozwoliła jednak na przeprowa-

dzenie wielu pomiarów. Wstępne wyniki

od razu sugerowały, że grafen jest obiecują-

cym kandydatem do przyszłych zastosowań

Andrzej Wysmołek

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

andrzej.wysmolek@fuw.edu.pl

Dr hab. Andrzej Wysmołek pracuje w Zakładzie Fizyki

Ciała Stałego Instytutu Fizyki Doświadczalnej

na Wydziale Fizyki UW, od roku 2008 jest prodziekanem

ds. studenckich Wydziału Fizyki UW

jAkub TWorzydło

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

jakub.tworzydlo@fuw.edu.pl

Dr hab. Jakub Tworzydło pracuje w Katedrze Fizyki

Materii Skondesowanej Instytutu Fizyki Teoretycznej

na Wydziale Fizyki UW

AneTA drAbińskA

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

aneta.drabinska@fuw.edu.pl

Dr Aneta Drabińska pracuje w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego

Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki UW

Sieć krystaliczna

grafenu – atomy

tworzące dwie

podsieci wyróżnione

zostały innym

odcieniem

jAcek bArAnoWski

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Rada Naukowa Instytutu Fizyki, Warszawa

Polska Akademia Nauk

jacek-m.baranowski@fuw.edu.pl

Prof. dr hab. Jacek Baranowski pracuje w Instytucie Technologii

Materiałów Elektronicznych i w Załadzie Fizyki Ciała Stałego

Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki UW

W ubiegłym roku Nagroda Nobla

z fizyki została przyznana za badania

nad grafenem – dwuwymiarową, płaską

formą węgla o grubości jednego

atomu, tworzącą kryształ o strukturze

plastra miodu

Grafen jako płaska, jednoatomowa warstwa

węglowa o heksagonalnym ułożeniu znana

była od wielu lat jako podstawowy budulec

grafitu. Pierwsze doniesienie o wytworzeniu

grafenu datuje się na rok 1975, kiedy to van

Bommel ze współpracownikami z laboratorium

Philipsa w Holandii stwierdził obecność mono-

atomowej warstwy węgla o heksagonalnym

Struktura pasmowa

grafenu

w heksagonalnej strefie

Brillouina (zaznaczonej

na czerwono pomiędzy

pasmem przewodnictwa

i pasmem walencyjnym)

w elektronice, takich jak np. balistyczne

tranzystory polowe. Takie zastosowania wy-

magają jednak otrzymywania grafenu na

dużych powierzchniach, tak by nadawał się

do technik litografii elektronowej. Jedną

z bardzo obiecujących metod, która może

spełnić ten warunek, jest otrzymywanie gra-

fenu przy użyciu metody sublimacji krzemu

z węglika krzemu (SiC). Technika ta została

zapoczątkowana w 2004 roku w Georgia

Institute of Technology w USA. W roku

2007 badania nad otrzymywaniem grafenu

metodą sublimacji krzemu na politypach

6HSiC i 4HSiC rozpoczęto w Instytucie

Technologii Materiałów Elektronicznych

w Warszawie we współpracy z Instytutem

Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki

Uniwersytetu Warszawskiego.

wybrać dwa z tych punktów, gdyż pozo-

stałe są im równoważne. W pobliżu tych

punktów relacja dyspersji ma kształt stożka

i odpowiada liniowej zależności energii

E= vp od długości dwuwymiarowego kwazi-

pędu p = ħ|k|. Zależność dyspersyjna jest

zatem taka, jak dla fotonu, a stała v odgrywa

rolę prędkości światła ( v ≃ c /300). Mimo że

prędkość v jest dużo mniejsza od prędkości

światła, to jednak wzbudzenia elektronowe

w grafenie opisane są przez równanie falo-

we relatywistycznej mechaniki kwantowej.

Jest to równanie Diraca dla cząstki o zerowej

masie.

Konsekwencją symetrii inwersji atomów

w komórce elementarnej sześciokątnej sieci

krystalicznej jest symetria cząstka-dziura

wzbudzeń w grafenie. Każdemu stanowi

o energii E (elektronowemu) odpowiada stan

o energii − E (dziurowy) z odwróconym kie-

runkiem pseudospinu. Zarówno wzbudzenia

elektronowe (w pasmie przewodnictwa), jak

itedziurowe(wpasmiewalencyjnym)charakte-

ryzuje liniowa relacja dyspersji i zerowa masa.

Z tego względu zarówno elektrony, jak i dziu-

ry w grafenie będą zachowywały się inaczej

niż w typowych półprzewodnikach czy meta-

lach, gdzie energia jest paraboliczną funkcją

wektora falowego.

Struktura pasmowa grafenu

Struktura krystaliczna grafenu cha-

rakteryzuje się ułożeniem atomów węgla

w tzw. „plaster miodu” oraz posiada dwu-

atomową komórkę elementarną. Najniższe

pasmo przewodnictwa i najwyższe pasmo

walencyjne utworzone są ze stanów orbi-

tali typu p . Orbitale te są prostopadłe do

płaszczyzny węglowej i posiadają niewielkie

przykrycie pomiędzy sąsiednimi atomami,

które prowadzi do powstawania stanów pas-

mowych typu . W sześciu punktach pasma

stykają się, co odpowiada pojawieniu się

zerowej przerwy energetycznej. Wystarczy

Technika przyszłości

Po niezwykłych elektronowych własnoś-

ciach grafenu wiele obiecuje sobie przemysł

Grafen – dwuwymiarowy materiał przyszłości

elektroniczny. Wyznaczane eksperymental-

nie ruchliwości nośników w grafenie są

o przeszło rząd wielkości większe niż dla

tranzystorów krzemowych. Spodziewane

teoretyczne wartości ruchliwości nośni-

ków w temperaturze pokojowej są rzędu

10 5 cm 2 /Vs. Zapewnia to balistyczny trans-

port na odległości rzędu wielu mikronów.

Należy zatem spodziewać się, że z pomocą

litografii elektronowej mogłyby powstawać

przyrządy elektroniczne o bardzo dobrych

parametrach.

Inny interesujący kierunek badań to

własności spinowe pasków grafenu, które

mogą być półprzewodnikami lub metalami

w zależności od tego, jak są wycięte. Ze

względu na zaniedbywalne oddziaływanie

spin-orbita polaryzacja spinowa w grafenie

może utrzymywać się dla dużych odległo-

ści. Wycinając odpowiedni pasek z warstwy

grafenu, można uzyskać przeciwne polary-

zacje spinowe na obu brzegach paska, co

pozwala na otrzymanie pół-metalu o równo-

wadze spinowej nośników. Zastosowanie pola

elektrycznego może zburzyć tę równowagę

i daje szansę na strojenie koncentracji noś-

ników o określonym spinie. Dzięki temu

paski grafenu mogą znaleźć zastosowanie

w spintronice.

Warto wspomnieć również o możliwych

natychmiastowych praktycznych zastosowa-

niach grafenu. Ostatnio wykazano, że grafen

może absorbować cząsteczki z otaczającej

atmosfery, co prowadzi do jego „domieszko-

wania” elektronami lub dziurami, w zależ-

ności od rodzaju adsorbowanego gazu.

kontrolowanym rozpadem SiC w wyso-

kich temperaturach w ramach współ-

pracy Instytutu Technologii Materiałów

Elektronicznych (ITME) w Warszawie

z Instytutem Fizyki Doświadczalnej Wydziału

Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Hodowane w ITME warstwy węglowe bada-

no przy użyciu technik eksperymentalnych

dostępnych na Wydziale Fizyki UW, ta-

kich jak mikroskopia sił atomowych (AFM),

skaningowa mikroskopia tunelowa (STM),

nieelastyczne rozpraszanie światła (efekt

Ramana) oraz transmisja optyczna. Pierwsze

w Polsce warstwy grafenu uzyskano na

atomowo gładkiej powierzchni pochodzącej

z frontu krystalizacji kryształu objętościowe-

go 6HSiC(0001) o polarności krzemowej. Na

obrazach z mikroskopu tunelowego (STM),

otrzymanych dla próbek wyhodowanych

w ITME, widać wyraźnie sieć jasnych punk-

tów, występujących w odległościach 2,45 Å,

związanych z siecią atomową grafenu. Na

strukturę grafenu nałożona jest struktura

„makroskopowa”, występująca w odległoś-

ciach 17,5 Å, pochodząca z oddziaływania

grafenu z podłożem SiC. Oznacza to, że

otrzymana warstwa grafenu jest cienka,

jedno- lub dwuatomowa. Później warstwy

grafenu otrzymywane były również na in-

nych politypach SiC, a także na warstwach

epitaksjalnych.

Obecnie ITME jest jednym z niewielu

ośrodków w Europie mogącym wytwarzać

grafen na SiC. Ogromne zainteresowanie

tym materiałem zaowocowało nawiązaniem

kontaktów naukowych z najlepszymi labora-

toriami w Europie i na świecie. Współpraca

z Grenoble High Magnetic Field Laboratory

umożliwiła przeprowadzenie na próbkach

z Warszawy pomiarów magnetooptycznych

w dalekiej podczerwieni. Wyniki tych badań

okazały się niezbędne dla zrozumienia włas-

ności grafenu.

Bardzo ciekawe własności grafen wyka-

zuje również w badaniach absorpcyjnych

w świetle widzialnym. Jednoatomowa

warstwa grafenu absorbuje 2,3 % światła

niezależnie od długości fali. Taką różnicę

w natężeniu światła z łatwością wykry-

wa ludzkie oko. Rozważając warunki

brzegowe na granicach powietrze-grafen

oraz grafen-SiC, stwierdzamy, że transmi-

sja przez N warstw grafenu epitaksjalne-

go również nie zależy od długości fali,

Obraz otrzymany

w skaningowym

mikroskopie tunelowym

na Wydziale Fizyki UW

dla warstwy grafenu

na krysztale

6HSiC(0001) z ITME

Warszawski grafen

Otrzymywanie grafenu w Warszawie

rozpoczęło się w 2007 r. od badań nad

ale każda z warstw grafenu epitaksjalne-

go absorbuje nie 2,3%, ale 1,29% światła

padającego. Dzięki temu prosty pomiar ab-

sorpcji może służyć jako źródło informacji

o liczbie warstw grafenowych wyhodowa-

nych na podłożu SiC.

stopniu zależeć od defektów podłoża SiC.

Kluczowa okazała się możliwość zabloko-

wania procesu sublimacji poprzez przepływ

argonu. Po zablokowaniu sublimacji do argo-

nu dodawano niewielką domieszkę propanu,

z którego na powierzchni SiC osadziły się

warstwy węglowe.

Wstępne badania przy użyciu różnych

technik pokazały, że proponowana meto-

da wzrostu może dostarczyć bardzo wyso-

kiej jakości warstw grafenowych. Badania

przy użyciu metody ARPES (Angle-Resolved

Photoemission Spectroscopy) pokazały, że

w warstwach uzyskanych metodą CVD noś-

niki zachowują się jak bezmasowe fermiony

Diraca, dla których zależność energii od

pędu jest liniowa. Jak wynika z badań ra-

manowskich, próbki uzyskane metodą CVD

są znacznie mniej naprężone przez podłoże

i wykazują znacznie lepszą jednorodność od

warstw uzyskiwanych metodą sublimacji.

Wysoką jakość warstw CVD potwierdzają

badania przy użyciu skaningowej mikrosko-

pii tunelowej.

Intensywne prace badawcze prowadzone

nad grafenem na całym świecie potwier-

dzają, że jest to bardzo interesujący mate-

riał z punktu widzenia procesów i zjawisk

w nim zachodzących, jak też z punktu wi-

dzenia możliwych zastosowań. Bardzo ważne

jest to, że w Polsce udało się dołączyć do

światowych trendów i wyhodować wysokiej

jakości grafen, którego właściwości optycz-

ne, elektryczne nie odbiegają od najlepszych

struktur dostępnych obecnie na świecie. n

Chociaż mamy

w Polsce duże

pokłady wegla,

niestety, nie

można ich

przerobić

na grafen, tak jak

nie można

ich też przerobić

na diamenty

Metoda CVD

Podczas prac nad udoskonalaniem me-

tody sublimacji dr Włodzimierz Strupiński

z ITME zaproponował, żeby zamiast subli-

macji spróbować odkładania warstw węglo-

chcesz wiedzieć więcej?

Drabińska A., Borysiuk J., Strupiński W., Baranowski J.M.

(2010). Optical Transmission of Epitaxial Graphene

Layers on SiC in the Visible Spectral Range.

Materials Science Forum , 645–648, 615-618.

Drabińska A., Grodecki K., Strupiński W., Bożek R., Korona

K.P., Wysmołek A., Stępniewski R., Baranowski J.M.

(2010). Growth kinetics of epitaxial graphene on SiC

substrates. Phys. Rev . B 81, 245410.

Strupiński W., Grodecki K., Wysmołek A., Stępniewski

R., Szkopek T., Gaskell P.E., Grneis A., Haberer D.,

Bożek R., Krupka J., and Baranowski J.M. (2011).

Graphene Epitaxy by Chemical Vapor Deposition.

Nano Lett . 11 (4), 1786-1791.

Tworzydło J., Trauzettel B., Titov M., Rycerz A., and

Beenakker C.W.J. (2006). Sub-Poissonian shot

noise in graphene. Phys. Rev. Lett . 96, 246802.

Wysmołek A., Tworzydło J., Drabińska A. (2011). Grafen

- nowy dwuwymiarowy materiał. Postępy Fizyki , 62,

3, 94-103.

wych na podłożach SiC, używając metody

CVD (Chemical Vapor Deposition). Jedną

z zalet wykorzystania metody CVD na wę-

gliku krzemu byłoby wykorzystanie ist-

niejących już rozwiązań, stosowanych

w technologii urządzeń elektronicznych wy-

konywanych z SiC. W metodzie tej jakość

uzyskiwanych warstw może w mniejszym

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: