Közel félmilliárdot ér a magyar dr. Tapasztó Levente grafénja Európának
10 perc olvasás
A Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének (MFA) munkatársa, dr. Tapasztó Levente, Lendület-pályázat nyertes, Junior Príma díjas, Akadémiai Ifjúsági Díjas kutatócsoport vezető elnyerte az European Research Council Starting Grant öt éves, 1,5 millió euróra rúgó kutatási támogatását.
A Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének (MFA) munkatársa, dr. Tapasztó Levente, Lendület-pályázat nyertes, Junior Príma díjas, Akadémiai Ifjúsági Díjas kutatócsoport vezető elnyerte az European Research Council Starting Grant öt éves, 1,5 millió euróra rúgó kutatási támogatását.
Dr. Tapasztó Levente eddigi kiváló egyéni kutatási eredményei predesztinálták arra, hogy magyarként is egy ilyen jelentős európai támogatásban részesüljön. Ez mindössze a negyedik ERC Grant, amit hazai szilártdtest-fizikus kutató nyer el, lehetőséget kapva arra, hogy önálló kutatási irányt honosítson meg a saját maga toborozta, szervezte csapattal.
Tapasztó Levente Aradon született 1979-ben és a kolozsvári Babes-Bolyai Egyetemen szerzett fizikusi oklevelet 2002-ben. Fokozatszerzése summa cum laude minősítéssel szén nanocső témában már Magyarországon, az ELTE állami ösztöndíjas PhD hallgatójaként történt 2008-ban. A kutató az MFA neveltje, hiszen Biró László Péter akadémikus szárnyai alatt fejlődött érett kutatóvá, és aratta megérdemelten elismert sikereit. Hamar kitűnt kiváló szervezőképességével és kutatói habitusával. Az MTA akkori elnöke, Pálinkás József meghívta a Fiatal Kutatók Tanácsába, ahol a Fizikai Tudományok Osztályának állandó meghívottjaként képviselte az anyagtudományt.
Az elmúlt évek grafén kutatása terén elért eredményei és elsőrangú publikációi hozták meg számára azt a nemzetközi figyelmet és presztízst, ami pályázatát – a 2013-as ERC StG kísérlete után – 2015-ben siker koronázta.
A grafén kutatás a világ élvonalába tartozó kutatási terület, ahol talán az egyik legerősebb a nemzetközi verseny. Európa is kiemelt témaként kezeli, hiszen a grafén egyike a két európai zászlóshajó (Flagship) projektnek, amelyre hosszú távú (10 év) és kiemelt (1 milliárd euró) támogatást szán az Európai Unió. A grafént alig több mint 10 éve fedezték fel 2004-ben, amely felfedezésért 2010-ben fizikai Nobel-díjban részesültek Andre Geim és Konsztantin Novoselov, orosz származású, Angliában dolgozó fizikusok. A grafén az ismert legjobb elektromos vezető, a legerősebb anyag, ugyanakkor páratlanul rugalmas és szinte teljesen átlátszó. Ezek az egyedülálló tulajdonságok predesztinálják a grafént számos elektronikai alkalmazás megvalósítására.
A Tapasztó Levente vezette magyar kutatócsoport kidolgozott egy olyan nanotechnológiai eljárást, amely a világon jelenleg létező legpontosabb módszer grafén nanoszerkezetek megmunkálására. Azáltal, hogy a grafén atomi szerkezetét közel atomi pontossággal tudják megmunkálni, sikerült félvezetővé és mágnesessé tenni az egyébként fémes és nem mágneses grafént. Ez olyan alkalmazások előtt nyithatja meg az utat, amelyek a jelenleginél nagyságrendekkel gyorsabb és kisebb fogyasztású elektronikai eszközök kifejlesztéséhez vezethetnek.
A mostani siker is ráirányítja a figyelmet az anyagtudománynak, mint a hazai innovációs törekvések egyik eszközének alapvető fontosságára és ezen belül az immár az Energiatudományi Kutatóközpontba sorolt Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben folyó színvonalas munka értékére. Az intézet reméli, hogy a központosítás ellenére a jövőben biztosíthatóak lesznek azok a feltételek, flexibilitás és önállóság, amit az anyagtudomány korábban élvezett, és ami a sikeres kutatómunka alapvető előfeltétele.
Tapasztó Levente Aradon született 1979.08.16-án és a kolozsvári Babes-Bolyai Egyetemen szerzett fizikusi oklevelet 2002-ben. Fokozatszerzése summa cum laude minősítéssel szén nanocső témában már Magyarországon, az ELTE állami ösztöndíjas PhD hallgatójaként történt 2008-ban. Az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóközpontban 2005-ben kezdett Biró László Péter akadémikus kutatócsoportjában szén nanocsövekkel, grafénnal majd további 2D anyagokkal foglalkozni. Kiemelt kutatási területe az újszerű nanotechnológiai eljárások kifejlesztése a grafén és 2D anyagok elektronszerkezetének kontrollált módosítására. 2014-ben a grafén-kutatásban elért eredményei a legrangosabb tudományos lapban a Nature-ben jelentek meg.
Az MFA ifjúsági és kutatói intézeti díjai mellett 2008-ban Junior Príma Díjat, 2013-ban pedig az MTA Akadémiai Ifjúsági Díját is megkapta, továbbá 2012-ben Bolyai ösztöndíjat szerzett.
Hamar kitűnt kiváló szervezőképességével és kutatói habitusával. Az MTA korábbi elnöke, Pálinkás József meghívta a Fiatal Kutatók Tanácsába, mint ilyen fiatal a Fizikai Tudományok Osztályának állandó meghívottjaként képviselte az anyagtudományt.
http://www.otka.hu/otka-magazin/a-honap-kutatoja/2014-2/2014-december
Legutóbbi eredményei (a Nanoszerkezetek laboratórium munkatársaival közösen):
– Szisztematikusan feltárták az STM litográfiával létrehozott kristálytanilag orientált élű grafén nanoszalagok elektronszerkezeti tulajdonságait.
– Kimutatták, hogy a grafén nanoszalagok erősen él-specifikus viselkedést mutatnak, amennyiben az élek kristálytanilag orientáltak és atomi szinten „simák".
– Cikk-cakk élű szalagokban kimutatták, hogy a szalagok élein szobahőmérsékleten stabil mágneses rend alakulhat ki. A szalag két éle közti mágneses csatolás a szalag szélességének függvényében anti-ferromágnesesről ferromágnesesre vált, amelyet az alagútspektroszkópiai mérésekben egy félvezető-fém átmenet jelez. Az eredményekből Tapasztó Levente cikket írt, amely a Nature folyóiratban jelent meg.
– A cikk-cakk élű nanoszalagok elektromos és mágnes tulajdonságainak leírására kidolgozott elméleti modellüket tovább fejlesztették, hogy hibahelyekkel rendelkező szalag éleket is vizsgálni tudjanak. Kimutatták, hogy az atomi szintű hibák esetében viszonylag nagy koncentrációig az él-mágnesesség gyengül, de stabil marad.
– Vizsgálták két-dimenziós szuperrácsok (Moire-mintázatok) kialakulását grafénban Cu(111) illetve Au(111) hordozók felületén. Elsőként figyelték meg kísérletileg az eddigi legkisebb (1.5 nm) rácsállandójú szuperrácsot Cu (111) felületén.
– Egy új eljárást dolgoztak ki átmenetifém dikalkogenid egyrétegek előállítására, amellyel a jelenleg használt ragasztószalagos eljárásnál nagyságrendekkel nagyobb (akár milliméteres) laterális méretű egyrétegek állíthatók elő MoS2, WSe2, Bi2Te3 kristályokból.
– Az arany felületére exfoliált MoS2 egyrétegeket sikeresen áttranszferálták szigetelő SiO2/Si hordozóra, lehetővé téve az elektromos transzport méréseket és eszközök létrehozását.
– Elsőként sikerült atomi felbontású STM méréseket végezni MoS2 egyrétegeken, feltárva ezek jellemző szerkezeti hibáit a viszonylag nagy koncentrációban jelen lévő S-atom vakanciákat.
– Alagútspektroszkópiai mérésekkel vizsgálták a MoS2 rétegek tiltott sávjának változását a rétegek számának a függvényében. Kimutatták, hogy az egyrétegek jelentősen szélesebb tiltott sávval rendelkeznek, mint a tömbi anyag.
Az utóbbi években fő célkitűzésük volt annak megértése, hogy miért maradnak alul akár egy nagyságrenddel is a CVD módszerrel előállított grafén elektromos jellemzői a mechanikailag exfoliált grafénhoz viszonyítva. Azt találták, hogy a CVD grafénban jelenlévő szemcsehatárok fontos szerepet játszanak az elektromos tulajdonságok alakításában. A szemcsehatárok hatásának tisztázására nanométeres skálájú, lokális vezető-képesség térképeket készítettek pásztázó alagútmikroszkóp segítségével egyedi grafén szemcsehatárokon, amelyek szerkezetét atomi felbontásban le tudták képezni. Kimutatták, hogy a grafén lokális vezetőképessége a szemcsehatárokon egy nagyságrenddel kisebb, mint a hibamentes grafén területeken. Elektromos szempontból a polikristályos CVD grafén jól vezető egykristályos szigetekre esik szét, amelyeket nagyobb ellenállású, néhány nanométer széles határfelületek (szemcsehatárok) választanak el egymástól. Emellett kimutatták, hogy a grafén szemcsehatárok képesek nanométer széles n-típusú inverziós csatornákat létrehozni az egyébként p-típusú grafénban. Ezek a csatornák azzal az egyedi és újszerű tulajdonsággal rendelkeznek, hogy az így létrejövő p-n átmenetek nanométeres skálán is élesek. Ilyen éles p-n átmenetek több alkalmazás számára is fontosak lehetnek és jelenleg nem ismeretes más módszer, amellyel ilyeneket hozhatnánk létre. Ugyanakkor az eredmények arra is rámutattak, hogy a szemcsehatárok tulajdonságai gyakorlatilag függetlenek a szemcsehatár szögétől, azaz szerkezetük nem az addig feltételezett periodikus atomi szerkezet, hanem sokkal rendezetlenebb. A szemcsehatárokra vonatkozó eredményeik nagyban hozzájárultak a CVD minták elektromos transzport mérésekben mutatott viselkedésének megértéséhez.
A másik fő célkitűzésük ebben az időszakban annak megértése volt, hogy miként hangolható a grafén szerkezete és elektromos tulajdonságai mechanikai feszültség segítségével. Ennek keretében, egy új nanomegmunkálási eljárást dolgoztak ki, amely segítségével egy felfüggesztett grafén membrán atomi szerkezetét nanométer alatti pontossággal lehetséges modulálni mechanikai feszültség segítségével. Ez jelenleg a legpontosabb grafén nanomegmunkálási eljárás. Kimutatták, hogy a grafén szerkezetének nanométeres skálájú hullámzása nem értelmezhető a kontinuum mechanika keretei között. Egy új elméleti modellt dolgoztak ki, amely a C-C atomi kötések kvantumos jellegéből kiindulva sikeresen magyarázni tudta a grafén nano-mechanikai viselkedését, így a kísérletileg észlelt grafén nanohullámok kialakulását is.
Pásztázó alagút-spektroszkópiai mérésekkel Tapasztó megmutatta, hogy a nanoskálájú szerkezeti hullámok segítségével egy úgynevezett elektromos szuperrácsot hozhatunk létre a grafénban, amely nem más, mint az elektron-állapotsűrűség nanoskálán periodikus modulációja, és amely segítségével kontrollált módon hangolhatók a grafén elektromos tulajdonságai.
Jelenleg is intenzíven kutatott terület a különböző orientációjú (100, 110, 111) réz egykristály felületeken növesztett, kéttengelyű összenyomó feszültségnek kitett grafén mintákban kialakuló különleges elektronállapotok, amelyek valószínűsíthetően egy korrelált makroszkopikus kvantum-állapotot alkotnak.
A Nanoszerkezetek Laboratóriuma keretében 2014-ben a legjelentősebb eredményüket a Nature folyóiratban publikálták. A világon először munkálták meg közel atomi pontossággal a kémiai leválasztás módszerével előállított (CVD) egyetlen atom vastag grafén lemezt meghatározott kristálytani irányok szerint. Kísérletileg jellemezték az így kialakított néhány nanométer széles szalagok elektronikus tulajdonságait és elméleti modellezéssel alátámasztva az eredményeket, elsőként igazoltak egy több mint 20 éves jóslatot, amely szerint a nem mágneses grafén, mágnesesen polarizált él-állapotokra tehet szert, ha megadott kristálytani irányok szerint, atomi pontosságú éleket alakítanak ki benne. Kísérletileg megmutatták, hogy a karosszék élű grafén nanoszalagok a tiltott sávjuk szerint valóban az elmélet által megjósolt három csoportba sorolhatók, míg a cikkcakk élű nanoszalagok, ha 7 nanométernél keskenyebbek, antiferromágnesesen rendezett élek alakulnak ki bennük és tiltott sáv jellemzi az elektronszerkezetüket. Ha ennél szélesebbek, akkor az élek ferromágneses rendeződést mutatnak és a szalagban nem jelentkezik tiltott sáv. A mágnesesen rendezett élű grafén szalagok alkalmasak lehetnek elektromos térrel vezérelhető spintronikai eszközök kifejlesztésére.
Kimutatták, hogy a kémiai úton leválasztott (CVD) grafén szemcséi közötti szemcsehatárok szerkezetük szerint lehetnek: egyenesek és rendezettek, rendezettek és „kígyózók", illetve rendezetlenek, ez utóbbiakban nem marad meg a szénatomok hármas koordinációja. Az első két típus hasonló módon befolyásolja az elektronok áthaladását, ezzel szemben a rendezetlen szemcsehatárok drasztikusan kisebb elektron-transzmisszióval rendelkeznek a bennük előforduló kettős koordinációjú szénatomok miatt. A szemcsehatárok pontos ismerete meghatározó jelentőségű a CVD grafén gyakorlati alkalmazása szempontjából.
Az egyetlen atom vastag grafén lemez elektronikus tulajdonságai hangolhatók a rétegben fellépő mechanikai feszültség által. Megmutatták, hogy a grafén hullámossága és a réteg feszültsége kontrollált módon befolyásolható, ha a grafén réteget nanorészecskékből álló rétegre helyezik át. A hullámosság és a feszültség tovább alakítható hőkezelések alkalmazásával.
