Mis on grafeen ja milline on Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi teadlaste osa selle materjali uurimisel?
juht HARRY ALLES
Hüpoteetilise materjalina oli grafeeni - vaid ühe aatomikihi paksust süsinikaatomite võrgustikku - 2004. aastaks teoreetiliselt uuritud rohkem kui pool sajandit. Ometi rabas teadusmaailma suur üllatus, kui Manchesteri ülikooli füüsikud eesotsas Andre Geimi ja Konstantin Novoseloviga publitseerisid teadusajakirjas Science oma uurimistöö tulemused (Novoselov et al., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, 306, 666-669).
Nimelt õnnestus neil tavalise kleeplindiga grafiidist üha õhemaid ja õhemaid kihte tõmmata ning jõuda üheainsa aatomikihi ehk siis grafeeni eraldamisele. Saadud grafeeninäidised olid tibatillukesed. Nende pindala oli võrreldav juuksekarva ristlõikega. Samas on grafeenikihi paksus ligi 200 000 korda väiksem juuksekarva läbimõõdust. Lisaks olid saadud grafeeninäidised, mida teatud mööndusega võiks nimetada kahemõõtmelisteks kristallideks, väga väheste defektidega, keemiliselt inertsed ja käitusid ülihea elektrijuhina.
Grafeeni „toodab" tõenäoliselt iga hariliku pliiatsiga kirjutaja. Manchesteri teadlaste geniaalsus seisnes vähemasti osaliselt selles, et nad siirdasid grafeenitükikesed ränialustele, mis olid kaetud sobiva paksusega (võis olla ka õnnelik juhus!) ränidioksiidiga. Interferentsefekti tõttu oli selle pinnal vaid mõnekümnekordse suurendusega optilise mikroskoobi all nähtav isegi üksainus aatomikiht.
Füüsikateooriate järgi ei saa rangelt kahemõõtmelised kristallid olla stabiilsed. Hetkearusaama järgi „väldib" grafeen füüsikaseadustega vastuollu minekut „kortsus" olemisega: uuringute põhjal ei ole grafeen rangelt tasapinnaline, vaid kergelt laineline, kusjuures nende lainete kõrgus on palju väiksem kui 1 nanomeeter ehk 0,000 001 millimeetrit.
Manchesteri ülikooli teadlaste tulemused käivitasid tõelise „grafeenipalaviku", mille põhjustasid esmajoones suured lootused rakendada grafeeni tuleviku nanoelektroonikas. Nimelt leiti juba kõige esimestes katsetes, et laengukandjate, elektronide ja aukude, liikuvus on grafeenis väga suur, ületades ligi suurusjärgu võrra tänapäeva mikroelektroonikas laialdaselt kasutusel oleva räni vastava näitaja. Seega võimaldaks grafeeni kasutuselevõtt tulevikus põhimõtteliselt kiiremaid arvuteid.
Siinkohal tuleb kindlasti märkida, et grafeeni kohest kasutuselevõttu näiteks väljatransistorites piirab üks grafeeni fundamentaalne omadus. Nimelt ei saa, erinevalt elektroonikatööstuses kasutatavatest pooljuhtidest, näiteks ränist, grafeeni elektrijuhtivust väga lihtsalt „välja lülitada". See omakorda aga ei tähenda, et grafeeni ei võiks edukalt kasutada näiteks mobiiltelefonides, mis kasutavad raadiosagedusel põhinevaid analoogseadmeid, kus digitaalsete (sees-väljas) olekute asemel eristatakse signaale nende tugevuse järgi.
Teine oluline põhjus, mis on seni piiranud grafeeni rakendusi elektroonikas, on seotud selle materjali valmistamisega. Nimelt ei ole grafeeninäidiste isoleerimine kleeplindi abil kindlasti sobiv grafeeni tööstuslikuks tootmiseks. Seepärast on viimastel aastatel väga aktiivselt uuritud võimalusi, kuidas valmistada grafeenilehti, mille pindala on ruutsentimeetrite suurune ja mis omadustelt ei jääks alla kleeplindi abil grafiidist eraldatud näidistele. Just sellel suunal on Andre Geimi hinnangul tehtud viimastel aastatel ehk kõige suuremaid edusamme. Näiteks on ränikarbiidi (SiC) termilisel töötlemisel saadud makroskoopilisi heakvaliteedilisi grafeenilehti, millest on standardsete meetoditega valmistatud väljatransistoreid. Nende laengukandjate liikuvus ületab aga selgelt ränil põhinevate nn MOSFET-tüüpi (ingl metal-oxide-semiconductor field effect transistor ehk metall-oksiid-pooljuht väljatransistor) transistorite vastava näitaja. Lisaks on suudetud küllalt kõrgekvaliteedilisi grafeenilehti valmistada keemilise aursadestamise teel.
Grafeeni elektrilisi omadusi on seni uuritud peaasjalikult katmata grafeenikihtidega, kas oksüdeeritud ränist või siis ränikarbiidist alustel. Samas on grafeenil põhinevate nanoelektrooniliste seadmete valmistamiseks vaja kindlasti leida viis, kuidas grafeeni keemiliselt inertne pind katta üliõhukese, ideaalis vaid mõne nanomeetri paksuse isolaatorkihiga. Just selle probleemi lahendamisse on oma panuse andnud ka Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi materjaliteadlased. Nimelt sünteesiti siinses, professor Jaan Aariku juhitud kiletehnoloogia laboris Helsingi Tehnikaülikooli Külmalaboris valmistatud grafeeninäidiste pinnale vaid mõnekümne nanomeetri paksusi hafniumoksiidist isolaatorkihte, kasutades aatomkihtsadestust. Seda meetodit on arendatud Füüsika Instituudis juba rohkem kui 20 aastat ja selles valdkonnas on Tartu materjaliteadlaste töörühm üks maailma tuntumaid. Niimoodi töödeldud grafeenistruktuure on uuritud nii doktor Ilmo Sildose kui ka professor Väino Sammelselja töörühmas ning saadud tulemused on võimaldanud Tartu materjaliteadlastel luua kontakte teiste, sealhulgas Euroopa juhtivate grafeeniuurimisrühmadega.
