תצפית חדשה תוכל להוביל לשיפור הייצור התעשייתי של גרפן באיכות גבוהה, תוך החשת העידן של מכשירי-אלקטרוניקה מבוססי גרפן, זאת תודות למהנדסים מאוניברסיטת אילינוי
| תהליך חדש לייצור שכבות גרפן. איור: אוניברסיטת אילינוי |
תצפית חדשה תוכל להוביל לשיפור הייצור התעשייתי של גרפן באיכות גבוהה, תוך החשת העידן של מכשירי-אלקטרוניקה מבוססי גרפן, זאת תודות למהנדסים מאוניברסיטת אילינוי.
באמצעות שילוב של מידע שמקורו במספר שיטות דימות, צוות המחקר מצא כי האיכות של הגרפן תלויה במבנה הגבישי של מצע הנחושת שעליו הוא מיוצר. הקבוצה, בראשותם של הפרופסורים להנדסת מחשבים ואלקטרוניקה Joseph Lyding ו- Eric Pop, פרסמה את ממצאי מחקרה בכתב-העת המדעי Nano Letters.
"גרפן הוא חומר חשוב במיוחד," אומר Lyding. "עתיד תחום האלקטרוניקה עשוי להיות תלוי בו. רמת איכות הפקתו היא אחת מהבעיות הבלתי-פתורות עדיין במגזר הננו-טכנולוגיה וממצאי המחקר שלנו מהווים שלב אחד נוסף במגמה לפתרונה."
על-מנת להפיק יריעות נרחבות של החומר גרפן מוזרם גז מתאן לכבשן המכיל יריעה של רדיד נחושת. כאשר המתאן פוגע בנחושת, קשרי הפחמן-מימן שבו מתפרקים, המימן משתחרר בצורת גז בעוד שאטומי הפחמן נקשרים למשטח הנחושת, שם הם נעים עד לרגע שבו הם חוברים אחד לשני ויוצרים בכך את שכבת הגרפן. נחושת מהווה מצע מבוקש מאחר והיא זולה יחסית ומאחר והיא מסוגלת לקדם יצירה של גרפן חד-שכבתי, תוצר שהינו חשוב ליישומי האלקטרוניקה. "זוהי דרך חסכונית וישירה להכנת גרפן בקנה-מידה נרחב," מציין אחד מהחוקרים. "אולם, תהליך זה אינו מתחשב בדקויות מנגנון היצירה של הגרפן," הוא מוסיף. "הבנת דקויות אלו חשובה לשם ייצור רכיבי אלקטרוניקה באיכות גבוהה ובעלי רמת ביצועים גבוהה."
למרות שגרפן המיוצר על-גבי נחושת נוטה להיות בעל איכות גבוהה יותר מאשר גרפן המיוצר על-גבי מצעים מסוגים אחרים, הוא עדיין גדוש בפגמים ובאזורים רב-שכבתיים, שתי עובדות המונעות מבעדו לשמש ביישומים בעלי ביצועים גבוהים. חוקרים סברו כי החספוס הטבעי של משטח הנחושת עשוי להשפיע על קבלת הגרפן, אולם קבוצת המחקר מאוניברסיטת אילינוי מצאה כי המבנה הגבישי של הנחושת הוא הגורם החשוב יותר. רדידי נחושת הם מעשה טלאים ובעלי מבני גבישים שונים. מרגע שהמתאן מגיע למשטח הרדיד, הצורות של גבישי הנחושת בהם הוא פוגש משפיעות על איכות הגרפן שיתקבל מתוך אטומי הפחמן.
לצורות גבישיות שונות מוקצים ערכים מספריים מוגדרים. באמצעות שימוש במספר שיטות דימות מתקדמות, צוות המחקר מצא כי מצעי נחושת בעלי מספרי אינדקס גבוהים יותר נוטים להפיק גרפן באיכות נמוכה יותר. בנוסף, הוא גילה כי שני מבנים גבישיים נפוצים, המסומנים בתגיות(100) ו- (111) מובילים לאיכות הגרועה והטובה ביותר, בהתאמה. לגבישים בעלי המבנה(100) יש צורת קובייה והם בעלי מרווחים גדולים בין האטומים, בעוד שהגבישים מהסוג(111) הם בעלי מבנה משושה הארוז בדחיסות.
"במבנה מהסוג (100) יש סבירות גבוהה יותר כי אטומי הפחמן ישקעו לתוך החרירים המצויים בנחושת ברמה האטומית, ובשלב הבא הם יחברו אנכית זה עם זה, מאשר יפעפעו החוצה ויחברו זה עם זה בציר הרוחבי," מסביר החוקר. "משטח ה- (111) הינו משושה, וכן גם הגרפן עצמו. אין הדבר משמעותו כי ההתאמה מושלמת, אלא שיש התאמה מועדפת בין שני משטחים אלו."
חוקרים ניצבים עתה מול הסוגיה של איזון המחיר של נחושת מסוג (111) בלבד מול הערך של גרפן נטול-פגמים באיכות גבוהה. אומנם קיימת אפשרות לייצר נחושת חד-גבישית, אולם התהליך מורכב ויקר.
החוקרים מעריכים כי ניתן לשפר את תהליכי הפקת רדידי הנחושת כך שיובילו לקבלת כמות גבוהה יותר של גבישים מהסוג הרצוי – (111). גרפן המיוצר על-גבי רדידים שכאלו אומנם לא יהיה אידיאלי, אך ייתכן והוא יהיה "טוב דיו" עבור רוב היישומים.
"השאלה היא כיצד אתה מייעל את התהליכים תוך שימור היעילות הכספית עבור יישומים טכנולוגיים?" שואל החוקר. "כקהילה, אנו עדיין כותבים את "ספר הבישול" להכנת גרפן. אנו מלטשים תדיר את השיטות שלנו ומנסים מתכונים חדשים. כמו בכל טכנולוגיה הנמצאת בחיתוליה, אנו עדיין בוחנים את מה שעובד ואת מה שלא."
בשלב הבא, החוקרים מקווים להשתמש בשיטה שלהם על מנת לבדוק את ההכנה של חומרים דו-מימדיים אחרים מלבד גרפן, לרבות חומרי בידוד, על מנת לשפר את ביצועיהם של התקנים מבוססי-גרפן. בנוסף, החוקרים מתכננים להכין גרפן על-גבי נחושת חד-גבישית.
"קיים חוסר ודאות רב בעסקי הגרפן כיום," מציין החוקר הראשי. "העובדה כי יש הבדל ברור בתצפיות בין שני מנגנוני ההכנה השונים הללו עוזרת להכווין את המחקר וייתכן ותאפשר עריכת ניסויים כמותיים יותר ופיתוח מודלים טובים יותר. המאמר שלנו מנתב את העניינים לכיוון הזה."
הידיעה על המחקר
