הכנת גרפן נקי בעזרת… סוכר שולחני

שימוש בסוכר כחומר אילוח מאפשר להרכיב שכבת גרפן על גבי צורן, תחום שהחוקר באוניברסיטת רייס שפיתח אותו טוען שעשויים להיות בו יישומים מסחריים רבים
.

מחשבי העתיד אמורים להיות קצת יותר מתוקים, זאת בזכות שיפור תהליך הייצור של גרפן שהתבצע באוניברסיטת רייס.   
חוקרים מאוניברסיטת רייס (Rice) מצאו דרך לייצר יריעות נקיות של גרפן, הצורה החד-אטומית של פחמן, מסוכר שולחני רגיל ומחומרים מבוססי-פחמן אחרים. הם הצליחו לעשות זאת באמצעות תהליך חד-שלבי בטמפרטורה מספיק נמוכה שתהפוך את ייצור הגרפן לפשוט יותר.
חוקרים ממעבדתו של הכימאי James Tour מאוניברסיטת רייס מדווחים בכתב-העת היוקרתי Nature שניתן להכין יריעות גרפן נרחבות בעלות איכות גבוהה ממספר מקורות פחמן בטמפרטורות נמוכות יחסית של 800 מעלות צלסיוס. למרות טמפרטורה כה גבוהה זו, ההבדל בהפעלתו של תנור בטמפרטורה של 800 מעלות צלסיוס לעומת 1000 מעלות צלסיוס הוא משמעותי, מציין החוקר הראשי.
"ב- 800 מעלות צלסיוס מצע הצורן נותר פעיל לטובת שימושי אלקטרוניקה, בעוד שבטמפרטורה של 1000 מעלות צלסיוס הוא מאבד את מרבית פעילותו," אמר החוקר הראשי.
Zhengzong Sun, תלמיד לתואר ראשון במעבדתו של החוקר והכותב הראשון של המאמר, מצא כי הנחת מקורות עתירי-פחמן ע"ג מצע של נחושת או ניקל הולידה גרפן בכל צורה מתבקשת: יריעות חד-, דו- או רב-שכבתיות שתוכלנה להיות שימושיות מאוד במספר יישומים.
החוקרים גילו כי ניתן להתאים בקלות את השיטה גם עבור הייצור של גרפן מאולח; גרפן מסוג זה, המכיל זיהומים מוכוונים ומוגדרים מראש של חומרים אחרים בתוכו, מאפשר שינוי תכונותיו האלקטרוניות והאופטיות של החומר הסופי – מאפיין חשוב ביותר בהכנת התקני מיתוג ומעגלים לוגיים.
לשם קבלת גרפן נקי מסוג זה החוקרים התחילו עם שכבה דקיקה של החומר פולימתיל מתאקרילט (PMMA) – המוכר יותר כזכוכית אקרילית (פלקסיגלס, פרספקס, אקריליט, אקריפלסט) – שהוכנסה למצע של נחושת המשמשת כזרז. הזרמת גז מימן וארגון ע"ג השכבות תוך חימום ובלחץ נמוך למשך 10 דקות בלבד חיזרה אותן לפחמן טהור והפכה את השכבה ליריעה חד-אטומית של גרפן. שינוי קצב הזרמת הגז מאפשר לחוקרים לשלוט בעובי שכבת הגרפן הנוצרת.
הדברים הפכו מרתקים יותר בהמשך, מציין החוקר. הם פנו למקורות פחמן אחרים, לרבות אבקת סוכרוזה, מה שמוכר לכולנו כסוכר שולחני. "חשבנו שיהיה מעניין לנסות את החומר הזה," אמר החוקר. "בעוד שבמעבדות אחרות המדענים משנים את סוג הזרז המתכתי, אנו ניסינו לשנות דווקא את מקורות הסוכר."
החוקר הניח 10 מיליגרמים של סוכר ע"ג יריעה של רדיד נחושת בגודל של סמ"ר אחד וחשף אותה לאותם תנאי התגובה כפי שנעשה עם הזכוכית האקרילית. במהירות רבה התערובת הפכה לגרפן חד-שכבתי. החוקרים שיערו כי במוצר המוגמר יהיו פגמים מבניים מאחר והתכונות הכימיות של שני החומרים מעט שונות. אולם, להפתעתם של החוקרים, הפגמים המבניים שאומנם נוצרים, מתקנים את עצמם במהלך יצירתו של הגרפן. "ככל שהבטנו בתהליך באורח מעמיק יותר ויותר מצאנו כי זה לא רק מעניין, אלא גם שימושי," מוסיף החוקר.
החוקרים לא הצליחו ליצור גרפן ע"ג משטחי צורן ותחמוצת צורן, ממצא שהוביל לאפשרות לייצר גרפן מעוצב משכבה דקיקה של נחושת או ניקל המונחת ע"ג פרוסות צורן.
גרפן מאולח (מזוהם במכוון) מאפשר שימושים רבים יותר בתחום של רכיבי אלקטרוניקה והחוקרים מצאו כי די קל להכינו. לשם כך, הזכוכית האקרילית מעורבבת עם חומר מאלח (melamine) ואליה מוזרם הגז בלחץ אטמוספרי לקבלת גרפן המאולח באטומי חנקן. לגרפן טהור אין פער פסים, אולם גרפן מאולח מאפשר שליטה על המבנה האלקטרוני, שמוביל להכנת טרנזיסטורים מסוג field-effect.
"בכל יום נוסף, ההכנה של גרפן ע"ג צורן מתקרבת לרמת מוכנות מסחרית, וממצאי מחקר זה מקדמים את התחום שלב אחד נוסף," מסביר החוקר.

הידיעה על המחקר באתר אוניברסיטת רייס