Grafeeni võidukäik

HARRY ALLES, JAAN AARIK, JAAK KIKAS

Grafeenist on räägitud kui kõige õhemast materjalist – õhemaks aatomi mõõtmetest pole eriti kuhugi minna.

Jaanipäeva paiku saabus Tartu füüsikutele rõõmustav sõnum – Tartu ülikooli füüsika instituut (TÜFI) on arvatud ainsana Balti riikide teaduskeskustest osalema üleeuroopalises grafeeniuuringute projektis „Graphene Flagship”*, mida koordineerib Chalmersi tehnoloogiaülikool ja rahastab Euroopa Komisjon. Euroopa on olnud grafeeniuuringutes juhtkohal juba väga algusest peale, alates 2004. aastast, mil Manchesteri teadlastel Andre Geimil ja Konstantin Novosjolovil õnnestus isoleerida üksik grafeenileht ja uurida selle omadusi. Projekti „Graphene Flagship” peaeesmärgiks on nende uuringute konsolideerimine ja kiirendamine, et tuua see imematerjal ja sellesarnased materjalid teaduslaboritest igapäevaellu. Nüüdsest siis ka Eesti teadlaste osalusel.

Tagasihoidlik süsinik
Grafeen on üks süsiniku vormidest. Süsinik on levikult universumis neljas element, samal ajal on maakoores seda vaid 0,03%. Ometi on süsinik meile kaugelt olulisem, kui võiks oletada selle tagasihoidliku protsendi järgi. Süsinik on elusaine, sh ka inimorganismis leiduva, oluline koostisosa. Süsinikühendites salvestunud päikeseenergiale (loe: fossiilkütuste põletamisel) tugineb suuresti meie energeetika. Jah, tegelikult jõudsime ka rauaaega tänu süsinikule – kui õppisime söe abil rauamaagist puhast rauda kätte saama. Juveeli ja abrasiivina on tuntud teemant. Teemant on aga ka hea, kuigi küllalt kallis pooljuht, mida võib edukalt kasutada elektroonikas.
Grafeeni avastamise ja uurimise loos võib näha allegooriat, kus inimvõimed, nt teaduslik andekus, hakkavad ennast täiel määral ilmutama vaid piisava vabaduse korral. Grafiidi struktuur oli teada juba aastast 1916, mil röntgenstruktuuranalüüsi abil tehti kindlaks selle ehitus: tasapinnalised ühe süsiniku aatomi paksused „lehed”, milles aatomid on seotud kuusnurksesse võrgustikku tugevate kovalentsete keemiliste sidemetega. Selliseid süsiniktasandeid seovad omavahel oluliselt nõrgemad jõud ja need tasandid võivad üksteise suhtes hõlpsasti libiseda. Viimasel asjaolul tugineb grafiitpliiatsi kasutamine – rakendus, mida tunti juba ammu enne grafiidi molekulaarstruktuuri selgumist. Selline üksik süsiniktasand sai endale nimeks grafeen. Ometigi läks tõeline grafeenibuum lahti alles alates aastast 2004 (jah, vaid kümme aastat tagasi) pärast Geimi ja Novosjolovi murranguliseks osutunud eksperimente, mis tõid neile 2010. aasta Nobeli füüsikaauhinna. On huvitav tõdeda, et mõned grafeeni „sugulased” – fullereenid ja süsiniknanotorud, avastati ja said tuntuks juba mõneti varem, aastatel 1980–1990. Märkimisväärne on fakt, et Geim ja Novosjolov said oma esimestes katsetes grafeeni vägagi lihtsal „kodusel” meetodil, nimelt tillukesi grafiidihelbeid kleeplindi abil lõhestades. Palju keerulisem oli tõestada, et sel viisil jõuti tõesti grafeeni üksikkihini. Nüüdseks on grafeeni sünteesi meetodid muidugi juba tublisti edenenud, võimaldades saada grafeenilehti, mille pindalad võivad olla isegi ruutmeetri suurusjärgus. Siiski ei ole suurte grafeenilehtede kvaliteet veel võrreldav nn teibimeetodil saadud tillukeste grafeenihelveste ideaalilähedase kvaliteediga.
Grafeenist on räägitud kui kõige õhemast materjalist. Tõepoolest, õhemaks aatomi mõõtmetest ei ole maistes tingimustes eriti kuhugi minna. Meie kolmemõõtmelises maailmas on grafeenilaadsed „kahemõõtmelised” struktuurid suhteliselt haruldased. Õigupoolest ei tohikski neid olemas olla. Ühe väga fundamentaalse füüsikateooria (Mermini-Wagneri teoreem) järgi ei saaks nad olla stabiilsed. Kuidas siis grafeen selle teooriaga hakkama saab? Päris osavalt – tõmbab ennast õrnalt lainesse. Siis ei ole ta enam absoluutselt tasapinnaline ja võib olemas olla küll. Sellise struktuuri omadused on aga vägagi ootamatud. Grafeeni silmapaistvate mehaaniliste omaduste kõrval (paarsada korda terasest tugevam) on enim räägitud selle elektrilistest omadustest. Grafeen on suurepärane elektrijuht – omadus, mis tuleneb asjaolust, et elektronid on grafeenis väga liikuvad. Elektronid justkui oleksid kaotanud grafeenis oma massi ja hakkavad kiiresti liikuma juba väga nõrgas elektriväljas. Lisaks säilitavad elektronid selles materjalis küllalt kaua oma algse pöörlemisseisundi (spinni), mis muudab selle materjali atraktiivseks kvantarvutite loojatele. Grafeen on ka suurepärane soojusjuht – seegi asjaolu võib kasuks tulla grafeenil põhinevate elektroonikaseadmete väljatöötamisel. Vaatamata oma minimaalsele paksusele neelab grafeenikiht täheldataval hulgal (2,3%) valgust, s.t võib sobivatel tingimustel olla nähtav optilise mikroskoobiga ja isegi palja silmaga.

Milleks see hea võib olla?
Grafeenile on pandud väga suured lootused. Näiteks peaks grafeeni suurepärane ja seejuures tüüritav elektrijuhtivus olema väga sobiv selleks, et valmistada senisest oluliselt paremaid väljatransistore – elektroonikaseadmeid, millel põhinevad nii arvutid kui ka enamik teisi infotehnoloogilisi seadmeid. Grafeenil usutakse olevat ka omadusi, mis võiksid avada uusi võimalusi kvantarvutite väljatöötamisel. Märksa kiiremini võib aga oodata grafeeni jõudmist tavatarbijani näiteks arvutikuvarites ja päikesepatareides, täpsemalt nende seadiste elektrit juhtivates kihtides e elektroodides, mis peavad hästi voolu juhtima ja samal ajal ka võimalikult hästi valgust läbi laskma. Grafeenis on need mõlemad omadused esindatud. Seetõttu loodetakse, et juba lähiaastatel ilmuvad turule grafeeni sisaldava üliõhukese ja painduva ekraaniga nutitelefonid. Kaugel ei tohiks olla ka grafeeni sisaldavate päikesepatareide ja energiasalvestite kasutuselevõtt. Samuti on lootust, et grafeen võiks leida rakendust meditsiinis ja tervishoius, näiteks silma kunstliku võrkkesta arendamisel või vee filtreerimisel. On leitud, et juba väga väikese koguse grafeeni lisamine materjalidesse võib suurendada nende materjalide tugevust, elastsust ja korrosioonikindlust, mis võib viia kergemate ja vähem energiat tarbivate liiklusvahenditeni.
Grafeeriuuringud Tartus
Tartus, täpsemalt TÜFIs algasid grafeeniuuringud 2008. aasta lõpupoole, kui koostöös tollase Helsingi tehnikaülikooli külmalaboriga (praegune Aalto ülikooli O. V. Lounasmaa labor) hakati katsetama mikroskoopilise teibimeetodiga saadud grafeeninäidiste katmist õhukeste, grafeenist vaid veidi paksemate dielektrikukihtidega. Selliste kihtide kandmine grafeenile on vajalik eelkõige grafeenil põhinevate elektroonikaseadmete, nt väljatransistoride valmistamiseks. Selle koostöö üheks eelduseks oli Tartus paari aastakümne jooksul välja töötatud aatomkihtsadestamise tehnoloogia, mis sobis suurepäraselt sellise protsessi jaoks. Mõned aastad hiljem, 2011. aasta alguses, valmis TÜFIs aga seade kuni mõne ruutsentimeetri suuruste grafeenilehtede valmistamiseks ja sealtpeale on uuritud isevalmistatud grafeeni omadusi eri meetoditega. Muu hulgas on valmistatud grafeenil põhinevaid gaasisensoreid, mille tundlikkust on mõõdetud (ja üritatud suurendada) gaaside, näiteks elutegevuseks vajaliku hapniku, aga ka mürgiste gaaside, nt ammoniaagi, suhtes. Lisaks on uuritud grafeeni vastupidavust laserimpulssidele ning võimalusi grafeeni kasutamiseks korrosioonivastastes pinnakatetes.

Detailsemat eestikeelset infot grafeeni omadustest ja rakendusest võib huviline eesti keeles leida ajakirja Inseneeria 2013. aasta aprillinumbrist: Harry Alles, Jaan Aarik „Grafeen – uus väljakutse kõrg­tehnoloogiale”.

*http://graphene-flagship.eu