Egy autót is elbírna egy kávéscsészén a világ legerősebb anyaga

A mai szilícium-alapú tranzisztoroknál százszor gyorsabb tranzisztorokat építenek hamarosan a világ legerősebb anyagából. Ez a csodálatos anyag a grafén, a mindössze egyetlen atom vastagságú szénréteg.

Az amerikai Columbia Egyetemen megmérték a grafén szilárdságát, vagyis azt az erőt keresték meg, amelynél a grafén eltörik. Az újabban a nanotechnológiai kutatások élvonalába került grafén nem más, mint egy egyetlen atom vastagságú grafitréteg, vagyis olyan, mint egy kitekert szén-nanocső.

A méréshez szilíciumlapkába egy mikrométer (a milliméter ezredrésze) átmérőjű lyukakat fúrtak, majd a lyukakat egyenként lefedték grafénnal. A grafén átlyukasztásához gyémántvégű, éles próbatestet használtak. Hétköznapi hasonlattal élve ez a mérés ahhoz hasonlít, mintha egy kávésbögrét műanyag fóliával vonnánk be, majd egy ceruzával próbálnánk meg azt kilyukasztani.

Autó a kávésbögrén

James Hone professzor, a kísérletek egyik vezetője elmondta: ha a kávésbögrét fólia helyett grafénnal fednénk be, akkor még egy a ceruza végére állított autó súlyát is elbírná a grafénborítás. Ez a feladat azonban megoldhatatlan, mivel a makroszkopikus méretű anyagok tele vannak repedésekkel, anyaghibákkal. Szupererős anyagokat csak parányi méretekben lehet létrehozni. A mérés eredménye: a grafén a legerősebb az eddig vizsgált anyagok között!

Korábban elsősorban a nanoanyagok elektromos, optikai és kémiai tulajdonságait vizsgálták, nincsenek azonban kimérve a mechanikai tulajdonságaik. A legerősebb anyag megtalálása bizonyára további vizsgálatok sorát indítja el, megpróbálják majd megdönteni a grafénnal felállított csúcseredményt.

A grafén kivételes erőssége jó hír a félvezetőipar számára. A mai anyagoknál az egyik legnagyobb gondot a tranzisztorokat a gyártási folyamatok során érő feszültségek sora, majd a működés során fellépő, váltakozó hőhatások jelentik. Graféneszközöknél ezek a gondok nem, vagy jóval kisebb mértékben jelentkeznek.

Százszor gyorsabb tranzisztorok

Tavaly decemberben mutatták be az első graféntranzisztort, amelyet az amerikai Georgia Műegyetemen alkottak meg. Graféntranzisztorok százait építették egyetlen csipre. Elméleti számítások szerint a graféntranzisztor százszor gyorsabb lehet a szilíciumtranzisztoroknál, de a gyakorlatban még nem tartanak itt. A grafénben kevesebb hő keletkezik az elektronok mozgása során, és hővezetőnek is jobb ez az anyag.

Ha a hőterhelés nem okoz gondot, akkor gyorsabban, nagyobb frekvencián lehet működtetni az eszközt. A gigahertz-tartományban működő mai tranzisztoroknál ezerszer nagyobb frekvencián, a terahertz tartományban működhetnek az új eszközök. Az ultragyors tranzisztorok a távközlésben és a képalkotó eljárásokban kaphatnak szerepet.

Kapcsolóelemként egyelőre nem működnek a graféneszközök, mert a grafén elektromos vezetőképessége csak kismértékben változtatható meg. Modellszámítások szerint egy keskeny grafénszalag félvezetőként viselkedne, de ilyent még nem tudtak létrehozni.

A kutatások előrehaladt és ígéretes voltát mutatja, hogy a Hewlett-Packard, az IBM és az Intel vizsgálni kezdte grafén alkalmazásának lehetőségét termékeiben.

Részletesen a grafénről

A nanotechnológiai szaklapokban az utóbbi időben gombamód megszaporodott egy új anyaggal, a grafénnel foglalkozó cikkek száma. A grafén iránti lelkesedés talán azt jelzi, hogy leáldozóban az elmúlt évtized sztárja, a szén-nanocső csillaga? Erről kérdeztük Biró László Pétert, az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Nanoszerkezetek Osztályának tudományos tanácsadóját, aki maga is az új anyag elkötelezett híve. Részletek korábbi cikkünkben.