Grafeenin, atomin paksuisen hiilikalvon tutkimus oli vahvassa nousussa vuonna 2010, sillä sitä pidettiin löytönä, joka johtaisi teknologiseen mullistukseen. Suuri läpimurto odottelee kuitenkin vielä tulemistaan. Tällä välin tiedemaailmaa on parhaillaan valtaamassa muiden kaksiulotteisten materiaalien tutkimus, joiden tutkimukseen grafeeni on avannut väylän.
Vanhempi tutkija Tommi Kaplas jaksaa vielä uskoa grafeenin menestykseen. Kaplas on ollut mukana Joensuun kampuksen grafeenitutkimuksessa kymmenen vuoden ajan.
—Grafeeni löydettiin vuonna 2004. Samana vuonna grafeenin ja hiilinanokomposiittien tutkimus aloitettiin myös Joensuussa professoreiden Alexander Obraztsov ja Yuri Svirko johdolla. Maailmalla erityisesti vuosien 2005 ja 2015 aikoihin tehtiin valtava määrä tutkimusta grafeenin valmistukseen, ominaisuuksiin ja käyttökohteisiin liittyen. Tällä hetkellä grafeenihypetys on laantunut, mutta vaikka tutkimuksen painopiste onkin siirtymässä toisaalle, se ei tarkoita, että grafeenin ominaisuudet olisivat mitenkään huonontuneet, Kaplas sanoo.
—Ominaisuudet ovat erinomaisia, mutta erittäin intensiivisen tutkimusjakson jälkeen uuden tiedon tai sovelluskohteiden löytäminen materiaalista on muuttunut haastavammaksi. Pelkkä perustutkimus grafeenista ei tuo juurikaan uutta kentälle, ja se on ajanut monet ryhmät muuttamaan tutkimuksellista suuntaa.
Itä-Suomen yliopistossa grafeenia ja hiilinanorakenteita tutkitaan sekä Joensuussa, että Kuopiossa. Tutkimuksen painopiste molemmilla kampuksilla on ollut grafeenin synteesimenetelmien kehityksessä. Joensuussa tutkimuksellinen suunta on ollut grafeenin valmistus optiikan sovelluskohteisiin metallisten nanokatalyyttien avulla. Kuopiossa tutkimus keskittyy tällä hetkellä erityisesti hiilen nanorakenteiden, kuten grafeenin valmistukseen biomassaan pohjautuvista lähtöaineista.
—Biomassa tarjoaa edullisen ja uusiutuvan hiilipohjaisen lähtöaineen, mikä on suuren mielenkiinnon kohteena maailmalla. Sovelluskohteina on tutkittu erityisesti energian varastointiin ja jätevesien puhdistukseen liittyviä ratkaisuja, mutta myös grafeenin ominaisuudet muun muassa läpinäkyvissä, johtavissa kalvoissa ovat mielenkiinnon kohteena, kertoo akatemiatutkija Anna Lähde.
Yhdenkin uuden materiaalin valmistus ja kokeellinen mittaus on merkittävä läpimurto
Ennen vuotta 2004 kaksiulotteisten materiaalien kuviteltiin olevan mahdottomia olla olemassa. Uskottiin, ja oltiin jopa todistettu teoriassa, että kaksiulotteiset materiaalit rullautuvat tai käpertyvät termodynaamisista syistä.
—Vuonna 2004 kaikki tämä muuttui, kun Andre Geim ja Konstantin Novoselov todistivat kokeellisesti aiemmat kuvitelmat vääriksi. Heidät palkittiin vuonna 2010 fysiikan Nobelilla, mutta mikä tärkeintä, heidän tutkimuksensa avasi ovet grafeenin ja samalla myös muiden kaksiulotteisten materiaalien tutkimukselle, kertoo Kaplas.
Grafeenin rinnalle onkin tullut materiaaleja, kuten vaikkapa kaksiuloitteiset pii eli siliseeni (silicene), germaani eli germaneeni (germanene), telluuri eli tellureeni (tellurene), molybdeeni-disulfidi (MoS2), molybdeeni-selenidi (MoSe), musta fosfori ja heksagonaalinen boorinitridi.
—Grafeenin jälkeen on löydetty suuri joukko muita kaksiulotteisia materiaaleja, ja on odotettavissa, että niitä löydetään vielä monia lisää. Teoriassa niitä voi olla olemassa jopa tuhansia, mutta käytännössä jo yhdenkin uuden materiaalin valmistus ja kokeellinen mittaus on merkittävä läpimurto.
Vuonna 2015 EU aloitti yhden miljardin euron ja kymmenen vuotta kestävän Graphene Flagship - projektin, joka tähtää grafeenin ja vastaavien materiaalien kartoittamisen, sekä hyödyntämisen ihmiskunnan käytössä. Projekti on lähestymässä puoliväliä, ja tutkimusta ollaan vähän kerrallaan viemässä yliopistoista kohti teollisuutta.
—EU:n lippulaivaprojektin yhtenä päätavoitteista on valjastaa grafeeni laajasti teknologian käyttöön. Tämä vaatii materiaalin viemistä teollisuuteen, mutta siihen on vielä pitkä matka, arvioi Kaplas, jonka omakin kiinnostus seurailee alan yleisiä suuntaviittoja.
Grafeenikalvon valmistus aiheuttaa päänvaivaa
Grafeenin valmistusmenetelmä on ollut yksi perimmäisistä ongelmista. Yhden atomikalvon paksuisen materiaalin valmistaminen onnistuu kyllä laboratoriossa, mutta prosessointi teollisessa mittakaavassa aiheuttaa päänsärkyä.
— Hyppäys siihen, että atomin paksuisia materiaaleja saataisiin vietyä käytännön laitteisiin ja komponentteihin, saati sarjatuotantoon, on ollut odotettua hankalampaa, hän sanoo.
Yhden atomin paksuisen materiaalin valmistaminen vaatii paljon myös laitteilta, sillä laadun on oltava hyvää. Perinteisesti grafeenia on tuotettu kasvattamalla kalvo kemiallisen kaasufraasipinnoituksen avulla metallien, kuten kuparin päälle.
—Siinä se kasvaakin oikein nätisti. Kuparin päällä grafeenista ei tosin ole paljoa iloa, sillä metallin päällä grafeenia ei voi käyttää optiikassa tai elektroniikassa. Siksi grafeeni on siirrettävä kuparilta esimerkiksi piin tai lasin päälle, sanoo Kaplas.
—Ongelmia tuottaa kasvatetun kalvon siirtäminen, sillä se vaatii taitoa ja aikaa. Kokeneelta tekijältä yksi siirtoprosessi voi ottaa kahdesta kolmeen päivään. Onnistuminenkaan ei ole aina taattua. Teollisessa mittakaavassa tämä ei ole kovin houkuttelevaa, ja siksi oma tutkimukseni onkin keskittynyt siihen, miten kalvoa voisi kasvattaa suoraan esimerkiksi piin tai lasin päälle erilaisten nanokatalyyttien avulla.
—Tällä hetkellä ensisijainen käyttökohde materiaaleillemme on optiikassa ja fotoniikassa. Tähän tarkoitukseen suoraan piin tai lasin päälle kasvatettu grafeeni toimii erinomaisesti, Kaplas tiivistää.
Räätälöinnillä saadaan esiin kaksiulotteisten materiaalien monipuolisuus
Kaksiulotteisilla materiaaleilla on valtava määrä potentiaalia esimerkiksi elektroniikan ja optiikan sovelluskohteissa. Nopeat, jopa kolmassadasosan valonnopeudella liikkuvat elektronit voisivat moninkertaistaa tietokoneiden sekä tiedonsiirron nopeudet. Tosin sähkö-optisilta ominaisuuksiltaan grafeeni saattaa jäädä tuoreempien kaksiulotteisten materiaalien varjoon.
Tämän tietää myös fysiikan ja matematiikan laitoksen professori Yuri Svirko, jonka vastikään hyväksytty EU-konsortio kohdistuu grafeenin ja eräiden muiden 2D materiaalien käyttöön optiikassa.
— Grafeeni ei ole mielestäni paras materiaali optiikkaan. Muiden kaksiulotteisten materiaalien sähköoptiset ominaisuudet tekevät niistä monipuolisempia ja siten kiinnostavampia optiikan ja fotoniikan sovelluskohteissa, sanoo Svirko.
— Lisäksi optoelektronisissa laitteissa käytettynä grafeeni saattaa haurautensa puolesta osoittautua epäluotettavaksi. Se on kyllä esimerkiksi kevyempää kuin perinteiset materiaalit, ja olisi siten houkutteleva materiaali esimerkiksi satelliitteihin, joissa jokainen gramma on merkityksellinen. Mutta kuinka luotettavia ovat esimeriksi grafeenia hyödyntävät diodit ja transistorit, ja miten esimerkiksi avaruussäteily vaikuttaa niihin? Nämä ovat suuria kysymyksiä.
—Kaksiulotteisissa materiaaleissa on elektronien nopeuden lisäksi eräitä muita sähköoptisia erikoisuuksia verrattuna vastaaviin kolmiulotteisiin materiaaleihin. Ja kun materiaalit ovat vain atomin paksuisia, monet näistä ominaisuuksista ovat herkkiä ulkoisille tekijöille. Ominaisuuksia voidaan räätälöidä vaikkapa yhdistelemällä monia kaksiulotteisia materiaaleja keskenään. Materiaaleista voidaan tehdä esimerkiksi kahden, kolmen tai useamman materiaalin kasa, joista jokainen yksittäinen materiaali on ainoastaan yhden atomikerroksen paksuinen, kertoo Kaplas.
Yhtenä esimerkkinä lasisubstraatin päälle laitetun yhden atomikerroksen paksuisen grafeenin sijaan voidaankin grafeeni laittaa kahden boorinitridikalvon väliin. Tällaisessa paketissa grafeenin elektronien nopeus voi olla jopa 10-20-kertainen, kuin jos grafeeni olisi suoraan lasin päällä.
—Rakenteeltaan monikerroksista kasaa voi jokseenkin verrata hampurilaiseen. Kerrosrakenteen ”maku”, eli tässä tapauksessa sähköiset ja optiset ominaisuudet muuttuvat sen mukaan mistä materiaaleista kasa koostuu. Lisäksi paketissa olevien yksittäisten materiaalien ominaisuuksia voidaan kontrolloida ulkoisilla tai paketissa generoiduilla sisäisillä sähkökentillä. Kuulostaa mahdottomalta, mutta on silti mahdollista, hän toteaa.
—Asiat ottavat kuitenkin oman aikansa. Esimerkiksi transistorin perusperiaate keksittiin jo 1900-luvun alkupuolella, mutta kesti yli vuosikymmenen ajan ennen kuin ensimmäinen, nyrkin kokoinen transistori pystyttiin rakentamaan.
—Nykyään, noin vuosisata ensimmäisestä ajatuksesta, älypuhelimissa ja tietokoneissa on jopa miljardeja transistoreja. Grafeeni löydettiin reilu kymmenen vuotta sitten. Tällä hetkellä laboratorioissa rakennetaan toimivia grafeenipohjaisia laitteita. Saattaa olla, että sadan vuoden päästä grafeenia tai muita kaksiulotteisia materiaaleja on kaikkialla. Aika näyttää miten käy.
Kaplaksen oma tutkimus jatkuu parhaillaan teraherts- ja puolijohdeoptiikan parissa Vilnassa, FTMC instituutissa Optoelektroniikan laitoksella, Irmantas Kasalynasin KOTERA-PLAZA -projektissa. https://www.ftmc.lt/en/
***
Lue lisää
Yuri Svirko tutkimusryhmineen on parhaillaan mukana kahdessa Marie Curie RISE -projektissa:
- Collective excitation in advanced nanostructures (CoExAn), 2014-2019
- Dirac semimetals based terahertz components (DiSetCom), 2019-2022
Dr Polina Kuzhir, Belarus State University, sai juuri H2020 Marie Curie International Fellowship -rahoituksen työskentelyyn TURANDOT -projektissa, 2019-2021
Itä-Suomessa järjestetään joka toinen vuosi International Workshop on nanocarbon Photonics and optoelectronics -tapahtuma, www.npo.fi
Kuvassa: Grafeenipohjainen THz-sensori.
Kuvassa: Tommi Kaplas uskoo grafeenin lyövän itsensä läpi teollisuudessa lähitulevaisuudessa. Ominaisuuksiensa vuoksi grafeenia voidaan käyttää esimerkiksi terahertz (THz) -optiikassa.
