לכאורה מדובר בשאלה תמימה ופשוטה: "כיצד עובד העיפרון?" ברור, נאמר - כאשר העיפרון עובר על הנייר הוא משאיר אחריו שכבות של גרפיט. שכבה יחידה של אטומי פחמן בתוך הגרפיט מכונה גרפין. לפני כשלוש שנים הצליחו חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה ומהמכון למיקרואלקטרוניקה צ'רנוגולובקה ברוסיה, לבודד שכבות בודדות של גרפין, בעובי של כחצי ננומטר בלבד, על ידי טכניקה הדומה לכתיבה על משטח של סיליקון אוקסיד, ולצפות בהן במיקרוסקופ אופטי [1]. בתמונה (1a) אנו רואים את המבנה האטומי של גרפין, בו כל אטום פחמן קשור לשלושה אטומים מסביבו, קישור אשר מוביל למבנה מרחבי של כוורת דו-מימדית.

המבנה המרחבי הוא המקור לתכונות האלקטרוניות הייחודיות של גרפין. תמונה (1b) צולמה על-ידי מיקרוסקופ אלקטרוני, ומראה שכבות בודדות של גרפין, ובתמונה השלישית שכבות עבות יותר של גרפיט. מאז לא מפסיק הגרפין ליצר תופעות מפתיעות. ב-2005 הצליחו חוקרים משתי קבוצות נפרדות להזרים זרם חשמלי דרך שכבת גרפין. בניסוי התגלה כי המוביליות של האלקטרונים בגרפין גבוהה פי 10 (!) מזו של סיליקון בטמפרטורת החדר. המוביליות, אשר מוגדרת כיחס בין השדה החשמלי המניע את הזרם לבין מהירות האלקטרון, מגלה לנו כי בגרפין האלקטרון מסוגל לנוע מרחקים עצומים של כ-300 ננומטר בלא שיתפזר. תכונה זו נובעת מהניקיון (Purity) המבני של פתיתי הגרפין. בנוסף, מוביליות מרשימה זו אינה מושפעת באופן משמעותי משינויי טמפרטורה או מקיומן של מטענים נוספים על גבי הגרפין. נראה כי יש גם אפשרויות רבות לשיפורים בתהליכי הייצור של גרפין, אולם האם יצליחו החוקרים לייצר ממנו דור חדש של רכיבים אלקטרוניים? שלושה ניסויים מרמזים כי יש תקווה. ראשית אפקט הול הקוונטי מתקיים בגרפין בטמפרטורת החדר. זוהי תגלית מדהימה בהתחשב בכך שאפקט זה לא נראה במוליכים למחצה בטמפרטורה שמעל 30K. אפקט הול הקוונטי הינו למעשה התנהגות מיוחדת מאד של המוליכות החשמלית של חומר מוליך דו-מימדי, אשר נמצא בהשפעת שדה מגנטי. אפקט זה התגלה בשנת 1980, ובו נראה כי המוליכות "קופצת" בערכים של כאשר משנים את השדה המגנטי. הסיבה אשר בגללה ניתן לראות את האפקט בטמפרטורת החדר בגרפין נעוצה במבנה רמות האנרגיה שלו, אשר הינו שונה באופן מהותי מזה של מוליך רגיל, והינו דומה לחלקיק חופשי יחסותי, כגון אלקטרון במאיץ חלקיקים הנע במהירות הקרובה למהירות האור. לאחרונה הראו חוקרים כי ניתן לבנות טרנזיסטור חד-חלקיקי (SET- Single Electron Transistor) מגרפין, וכן טרנסיסטור על-מוליך (Superconducting transistor). פיתוח מסחרי של התקנים אלקטרוניים מגרפין ייתקל במספר אתגרים טכנולוגיים אשר עדיין צריך להתמודד איתם: ראשית, האם ניתן יהיה לייצר כמויות גדולות של גרפין באיכות גבוהה? בעיה נוספת אשר מתגלה בטרנזיסטורים אשר יוצרו בינתיים הינה זליגת זרם תמידית אשר קשה להפטר ממנה, הנובעת מן התנועה הלא מופרעת של האלקטרונים במשטח הגרפין. ישנם מספר רעיונות לפתרון הבעיה, כגון שימוש בשכבות כפולות של גרפין, או שימוש בסרטים (Ribbons) של גרפין במקום במשטחים רחבים. אולם כל אחת מן האפשרויות הללו דורשת את היכולות הטכניות הגבוהות ביותר מן הננו-טכנולוגיה של היום, ומרחיקה אותן משימוש מסחרי.

למרות שמחקר הגרפין הינו בשלב ההתחלתי שלו בלבד, כבר היום לאחר שלוש שנים מספר התגליות הינו עצום. נראה כי למרות הקשיים ברתימת הגרפין לשימושים, יש סיכוי להתגבר עליהם, אם נזכור כי גם לשימושים הנרחבים בסיליקון לקחו עשרות שנים להגיע להצלחות הגדולות שלהם.

הקוראים מוזמנים להגיב - האם יש לכם רעיונות לשימושים נוספים לגרפין?

מקורות:
Novoselov, K. S. et. al., Science 306, 666 (2004)
Jeroen van den Brink, Nature Nanotechnology 2, 199 (2007)

 

מאת: ערן גינוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

0 תגובות