Vidundermaterialet grafen var for få år siden det dyreste materiale i verden; nu kan det fremstilles i rullevis.



Grafen er 0.3 nm tynde lag af kulstofatomer med en lang række teknologisk attraktive egenskaber, som jeg tidligere har blogget om. De tynde lag af kulstofatomer kan dyrkes i god kvalitet på kobberfolie ved en CVD proces (Chemical Vapor Deposition). Ved at lave en sandwich af kobber/grafen folien og en polymer film, presse det godt sammen med en rulle, og derefter ætse kobberet væk, har Koreanske forskere præsteret at fremstille grafen i rullevis. Se for eksempel artiklen i Nature Nanotechnology eller skriv "roll to roll graphene" i Google.



Resultatet er en 75 cm bred, supertynd plasticfilm med et elektrisk ledende, transparent lag, der kan tåle at blive bøjet og vredet: perfekt til solceller, touchscreens, displays og plastic "consumer" elektronik.

Det er med andre ord et solidt gennembrud.

For få år siden var den eneste måde at skaffe enkeltlags grafen at købe det i flagevis, for omkring 5 kr per kvadratmikrometer, hvilket er langt, langt dyrere end noget andet kendt materiale, vil jeg vædde på. Kiloprisen er således mange størrelsesordener gange det antal penge der eksisterer i Verden (regn selv efter). Men vi - for eksempel på DTU - betalte gladeligt, for grafen er et fantastisk interessant materiale for forskere og, ser det ud til efterhånden, for teknologiske anvendelser. Det er meget bemærkelsesværdigt at vi her, kun 6 år efter grafen blev isoleret for første gang i Manchester, kan producere det i rullevis.

Forklaringen på at det er gået så hurtigt, hænger sammen med historien bag grafens slægtning, kulstof nanorøreret - grafen rullet op til et langt, 1-2 nm diameter rør.



I mange år blev kulstof nanorør tilbedt og hypet som fremtidens ”do-it-all” materiale; med overlegne fysiske egenskaber – termisk, elektrisk, mekanisk, optisk. Til en vis grad er det blevet ved fremtiden. Nanorør bruges i mange forskellige produkter og absolut stadig et særdeles brugbart materiale, men noget overlydsbrag har der ikke været.

Problemet er at de fantastiske rør er ... rør. Den smukke, ikoniske form fra hundreder af institut og nanofirma logoer, er et stærkt symbol på nanoteknologi – bittelille men med superkræfter. Men det er også netop formen der gør det vanskeligt at udnytte i praksis. I samspil med IC-fabrikations teknologi, er de tynde, lange tråde ikke så nemme at have med at gøre – de er ganske enkelt lidt for makaroni-agtige og upraktiske til i al fald en række af de "lovede" anvendelser.

I 2004 ”opdagede” Andrei Geim så ”grafen” – eller rettere, hans gruppe i Manchester viste at man kunne isolere enkelte flager af kulstof atomer på en overflade, og lave elektriske målinger. Tre bemærkelsesværdige træk ved disse målinger viste sig.

1. Elektroner bevæger sig supernemt i grafen!

Den første var at grafen har en ekstrem høj elektron bevægelighed, hvilket er en forudsætning for at lave hurtig elektronik – for eksempel switches og transistorer som opererer med meget høje frekvenser. Op til 100 gange højere en silicium (200000 cm2/Vs)! Perfekt til moderne digital signalbehandling! IBM har lovet 100 GHz elektronik baseret på grafen, så må man håbe de leverer.

2. Grafen er planar!

Den anden var at grafen er planar – i modsætning til kulstof nanorør. Grafen ultratynd film som kan processeres på linie med andre tyndfilm, og dermed er langt bedre egnet til stor-skala produktion af IC’er, sensorer og deslige.

3. ...men så er der lige det med båndstrukturen.

Grafen har en særlig energibånd struktur, der gør at elektronerne opfører sig som masseløse (effektiv masse lig nul) Dirac-partikler. Umanerligt spændende, men teknologisk set lidt uheldigt idet båndstrukturen er semimetallisk. Det betyder at valensbåndet som er fyldt af elektroner, og det tomme ledningsbånd akkurat mødes. Grafen mangler altså det famøse båndgab, der skal til for at lave en transistor med en fornuftig on/off ratio... en grafen transistor kan med andre ord godt være åben - endda meget åben - men kan ikke lukke ordentligt for strømmen.... elektronhanen drypper!



(billedet viser båndstrukturen for en halvleder til venstre. Elektronerne kan ikke uden videre hoppe fra valensbåndet (rødt) tværs over gabet til ledningsbåndet (blåt), og dette gør det muligt for halvlederen at lukke af for strømmen. For materialet grafen (til højre) rører valensbåndet og ledningsbåndet hinanden, så her skal der på en eller anden måde åbnes et båndgab inden man har en god transistor).

Det er der råd for: ved at skære grafen i tynde strimler, eller perforere det med huller, kan kvanteeffekter skabe et båndgab. Disse metoder er endnu på forsøgsstadiet - blandt andet på DTU og iNANO, som samarbejder om at få dette til at virke. Forskere på iNANO fandt for nylig ud af at man kan åbne et båndgab ved at deponere hydrogen klynger på grafen-overfladen (se artiklen her)

Tilbage til rullerne!

Der er nemlig andre spændende anvendelser af grafen, hvor det er strålende at kunne slippe for båndgabet. Grafen er nemlig en ultratynd (det tyndeste materiale i verden), transparent og elektrisk ledende film, og er som sagt oplagt til touch-screens, solceller, fleksible displays og andre anvendelser hvor for eksempel det skrøbelige, dyre og upraktiske ITO (indium tin oxid) godt kunne bruge en afløser - her er en demo af verdens første grafen-touchscreen:

Nå ja - på DTU Danchip får her om et par måneder en CVD maskine specielt konstrueret til at lave kulstofnanomaterialer, såsom nanorør og grafen i store mængder - Aixtron "Black Magic" hedder vidunderet. Så skal VI da også prøve at fremstille grafen i rullevis. Skal du have noget med?

Mere om det senere. Meget mere, håber jeg.