Magyar kutatóknak sikerült először grafén szuperrácsot létrehozni

Magyar kutatóknak, Tapasztó Leventének és munkatársainak sikerült először az MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében (MFA) a grafén szerkezeti hullámosságát nanométer alatti (0.7 nm) pontossággal szabályozni, mellyel messze meghaladták az addig elérhető legkisebb, 300 nanométeres hullámperiódust.

Magyar kutatóknak, Tapasztó Leventének és munkatársainak sikerült először az MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében (MFA) a grafén szerkezeti hullámosságát nanométer alatti (0.7 nm) pontossággal szabályozni, mellyel messze meghaladták az addig elérhető legkisebb, 300 nanométeres hullámperiódust.

A grafit egyetlen atomnyi vastagságú rétegéből álló grafén szokatlan tulajdonságokkal rendelkező különleges anyag, melyet a méretek csökkenésével elképzelhetően a szilícium helyettesítőjeként alkalmaznak majd integrált áramkörökben, mobiltelefonokban, számítógépekben, napelemekben, de akár érintőképernyőkben is. A friss magyar eredmény jelentőségét tükrözi, hogy a publikációt az egyik legelismertebb nemzetközi fizikai szaklap, a Nature Physics folyóirat következő száma közli.

Magyarország a világ élvonalához tartozik a jövő egyik ígéretes elektronikai anyaga, a grafén kutatásában, illetve annak hozzáférhetővé tételében a technológia számára. A grafén jelentőségét a szintén szén alapú nanocsövekhez képest az adja, hogy ipari előállítása és alkalmazása elérhetőbbnek látszik. Az anyag segítségével így eddig elképzelhetetlen technológiai megoldások nyílhatnak meg az emberiség előtt: az elektronikában például átléphető lenne a – félvezető technológiában jelenleg egyeduralkodó alapanyagként használt – szilícium tulajdonságai által megszabott méret-határ. A grafén felfedezéséért 2010-ben megosztott fizikai Nobel-díjat adtak.  

Tapasztó Levente és munkatársai a szuszpendált grafén nanomembránok atomi szerkezetében ellenőrzött módon tudtak létrehozni nanométeres periódusú modulációt termikusan indukált feszültség segítségével. Ez az úttörő eredmény átütő jelentőségű: lehetőséget nyit arra, hogy a membránok mechanikai viselkedését nanométer alatti mérettartományban is tanulmányozhassák. A kutatók vizsgálata szerint a grafén nanoskálájú deformációinak értelmezésében a klasszikus kontinuum mechanika egyenletei csődöt mondanak és a nanoméretű grafén hullámok kialakulását csak az atomi kötések mechanikájára alapozott kvantummechanikai modellek képesek leírni. A klasszikus mechanika szerint ugyanis olyan ismert anyagból álló membrán, amely ilyen kis periódusú (hullámhosszú) szerkezeti hullámosságot képes lenne elviselni, nem létezik.

Ez az eredmény alapvető fontosságú a grafén alapú nano-elektro-mechanikai rendszerek (NEMS) működésének tervezésében. A TTK MFA kutatóinak először sikerült grafénban úgynevezett elektromos szuperráscsot létrehozni, amely potenciálisan számos alkalmazás alapját képezheti. Így várható, hogy a felfedezés segítségével anélkül nyitható a grafén sávszerkezetében a félvezető tulajdonságokat meghatározó úgynevezett tiltott sáv, hogy hibákat (grafén éleket) hoznánk létre.

„Az alapkutatások fontosságát jól példázza a mostani eredmény: nem csupán olyan ismeretlen területekre sikerül ajtót nyitni, amiről eddig csak sejtéseink voltak, de a felfedezés óriási jelentőségű lehet az ipar, így egész Magyarország számára is". – fogalmazott dr. Bársony István, az MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetének igazgatója, majd hozzátette: „A nanotartományban történő kutatásban élen jár az MTA TTK MFA, de a világszínvonalú munka és eredmény, valamint az EU pályázataiban való részvétel elképzelhetetlen korszerű kutatóeszközök nélkül, ezért nagyon fontos lenne az infrastruktúra hazai forrásokból történő folyamatos fejlesztése és fenntartása."

A kísérleti munka a Koreai-Magyar Közös Nanolaboratórium keretében zajlott, amelynek hazai koordinátora Biró László Péter. A grafén mintákat Chanyong Hwang csoportjával (Korea Research Institute of Standards and Science) együttműködve állították elő, az elméleti szimulációk pedig Traian Dumitrica csoportjával (University of Minnesota) együttműködésben születtek. Az MFA nanoszerkezetek laboratóriumában ez immár a második olyan nanotechnológiai eljárás, amely új etalont állít fel a grafénkutatás területén, hiszen a korábban kifejlesztett STM (pásztázó alagútmikroszkópiás) litográfiás nanomegmunkálási eljárásuk pontosságát (2,5 nm széles grafén szalag) a mai napig sem sikerült elérni.