בכתבה קודמת, סקרנו את המבנה החשמלי של הגרפין. העובדה כי האלקטרונים בגרפין נעים בדומה לחלקיקים חסרי מאסה, תחת חוקי תורת היחסות, מביאה למגוון תופעות מרתקות, והופכת את הגרפין לחומר הנחקר ביותר כיום במעבדות הפיסיקה והכימיה ברחבי העולם.
למרות הפוטנציאל האדיר הטמון בגרפין, נראה כי בינתיים המוליכים למחצה הקלאסיים (סיליקון, גאליום ארסנייד וכו') שומרים על מקומם כאבני היסוד של האלקטרוניקה המודרנית, ועדיין לא הגיע היום בו הם מוחלפים על ידי הגרפין. אחת הסיבות המרכזיות לכך, הינה יכולת הייצור המוגבלת של יריעות גרפין.
על מנת שגרפין יתפוס מקום משמעותי בתעשיית האלקטרוניקה, על המדענים לפתח שיטה לייצר את החומר, הן בכמויות גדולות, והן באיכות גבוהה. איכות הגרפין לצורך תעשיית האלקטרוניקה ומחקר התכונות החשמליות של הגרפין, נמדדת בעיקר על ידי "ניידות האלקטרונים". תכונה זו משקפת את הזמן הממוצע בו נע כל אלקטרון עד שהוא פוגש בזיהום כלשהו בגביש, אשר גורם לפיזורו לכיוון אקראי. מדד נוסף לאיכות החומר, הוא בחינה האם הוא מפגין אפקטים הנצפים רק ביריעות בעלות ניידות גבוהה כגון אפקט הול הקוונטי.
ניתן לחלק את הטכניקות לייצור גרפין לשתי קטגוריות - טכניקה מכאנית, וטכניקות כימיות. הטכניקה המכאנית היא הטכניקה הנפוצה בעולם המדע. בשיטה זו מוסרת שכבה של גרפין מתוך גוש גרפיט, פשוט באמצעות חומר הדומה לנייר דבק רגיל. הדבקת הנייר על הגרפיט וקילופו משאיר שכבה דקה של גרפין על גבי נייר הדבק, אשר לאחר מכן מועברת מנייר הדבק אל מצע מבודד כלשהו.
לשיטה זו אשר נראית פרימיטיבית למדי, חסרונות בולטים - לא ניתן לייצר יריעות גדולות של גרפין בשיטה זה. קשה להבטיח כי תתקבל שכבה אחידה, חוסר ניקיון בנייר הדבק עלול להכניס פגמים לגרפין ועוד', אולם נראה כי העובדה שבשיטה זו לא נכללים חומרים כימיים אשר עלולים לפגוע בגרפין, מניבה יריעות גרפין עם ניידות אלקטרונים גבוהה ביותר (אם כי עדין נמוכה באופן משמעותי משיא הניידות במבנים מיוחדים המורכבים ממוליכים למחצה). אי לכך, זוהי השיטה המקובלת ביותר בעולם לייצור גרפין, למטרות מחקר מדעי.
השיטות הכימיות, הינן רבות ומגוונות. באופן כללי יתרונן הוא בכך שהן מאפשרות לייצר יריעות גדולות יותר של גרפין, מתוך כוונה לייצר בסופו של דבר את הגרפין בכמות תעשייתית. תיאורטית, גם הניידות של הגרפין המגודל בשיטות אלו עשויה להיות גבוהה, מאחר וניתן לגדל גרפין באמצעותן בסביבה נקייה מזיהומים.
בפועל, כיום רוב השיטות הללו מייצרות גרפין באיכות ירודה, אולם לאחרונה דווח על התקדמות משמעותית בשתי שיטות כימיות שונות אותן נסקור כעת:
א) חימום סיליקון פחמני - אחת השיטות להפקת גרפין, היא על ידי חימום מצע של סיליקון פחמני (Sic), בואקום, לטמפרטורה של 1100 מעלות צלזיוס. כתוצאה מכך עולה פחמן לפני השטח ונוצר מצע של גרפין על פני השטח. היתרון הגדול בשיטה זו הינה, כי תיאורטית, אמורה להיווצר שכבה גדולה של גרפין, אשר גודלה נקבע על ידי גודל המצע שחומם. בפועל השכבה שנוצרת אינה אחידה, והיא מורכבת מגרעינים מיקרוסקופים של גרפין בגודל ממוצע של כ20-200 ננומטרים בלבד.
לאחרונה הראתה קבוצת מדענים כי אם התהליך מבוצע לא בואקום, אלא בנוכחות גז ארגון, התוצאה משתפרת, וגרעיני הגרפין גדלים בהרבה, לגדול מקרוסקופי. החוקרים מדדות את הניידות של שכבת הגרפין שנוצרה, וגילו כי היא גבוהה למדי, ונמוכה רק במעט מן הניידות המתקבלת בשיטת המכאנית. שיטה זו עדין סובלת מחסרונות רבים אולם השיפור החדש שמצאו המדענים, מעלה את התקווה כי בעתיד ניתן יהיה לייצר יריעות גדולות של גרפין איכותי באמצעותה.
ב) ריבוץ אדים כימי - Chemical Vapor Deposition - שיטה זו הינה שיטה אשר משמשת לגידול חומרים שונים, ביניהם מוליכים למחצה. בשיטה זו חומר השמש כמצע נחשף לאדים של חומרים שונים, המגיבים עם המצע, וכתוצאה מכך יוצרים שכבה דקה ואחידה של חומר על גבי המצע.
על מנת לייצר גרפין בשיטה זו, נעשה שימוש במצע ניקל, הנחשף לאדי מימן פחמני. כתוצאה מהריאקציה בין הניקל לגז, נוצרת שכבה של אטומי פחמן על גבי הניקל. מאחר והניקל הינה מתכת מוליכה, מאוחר יותר מועברת שכבה זו בשיטות שונות אל מצע אחר, מבודד.
הבעיה בשיטה זו, הינה ששכבת הפחמן שנוצרת, אינה שכבת גרפין דו ממדית. לעיתים מצטברת כמות גדולה של פחמן על גבי הניקל, ולמעשה מתקבלת שכבה תלת ממדית של גרפייט.
במחקר חדש שהתפרסם בעיתון "Nature" דיווחה קבוצת מדענים על התקדמות משמעותית בתחום זה. המדענים הצליחו לשפר משמעותית את שיטת הגידול, על ידי יצירת שכבות דקות מאוד של ניקל (בעובי של 300 ננו מטרים), ושימוש בהן כמצע בתהליך הגידול. שיפור זה הוביל ליצירת שכבות בודדות (אם כי עדין לא שכבה אחת בלבד) של גרפין על גבי המצע.
החוקרים גם פיתחו טכניקות חדשות להעברת הגרפין מהניקל אל גבי מצעים מבודדים, בצורה אשר תמנע פגיעה באיכות הגרפין.
החוקרים הדגימו כי ביכולתם לגדל בשיטה זו יריעה "עצומה" של מספר בודד של שכבות גרפין, בגודל של כס"מ על ס"מ. כמו כן מדדו החוקרים את ניידות האלקטרונים בשכבה זו וגילו כי היא גבוהה למדי, בדומה לניידות של האלקטרונים בגרפין אשר נוצר בשיטה מכאנית, וכמו כן הם הצליחו להבחין באפקט הול הקוונטי בשכבה הגרפין, דבר המעיד על איכותה.
כהערת צד, ניתן לציין הישג נוסף של החוקרים במקרה זה. היריעות שגודלו בשיטה זו הינן כמעט שקופות לגמרי. עובדה זו מאפשרת את השימוש בהם במגוון אפליקציות הדורשות מעגלים אלקטרונים שקופים, כגון מסכים מתקדמים.
קיימות שיטות רבות ומגוונות לייצור גרפין וכתבה זו סקרה רק חלק קטן מהן. כיום, גידול החומר אשר נראה אולי כחלק אפור ולא מעניין לעיתים, הינו המכשול העיקרי בפני המהפך האמיתי שהגרפין יכול להכניס לחיינו. אין ספור המאמרים המתפרסמים מידי שבוע וסוקרים שיפורים אפשריים לשיטות הגידול, מעלים את התקווה כי הגרפין אכן יגודל בקרוב, בכמויות גדולות, ויכנס לשימוש מסחרי.
תמונה המתקבלת מדפרקצית אלקטרונים כתוצאה מהמבנה המחזורי של שכבת גרפין
המדענים משתמשים בשיטה זו על מנת לוודא כי הגרפין שנוצר, הינו אחיד ובעל מבנה מחזורי. אלקטרונים נשלחים לעבר יריעת הגרפין ועל ידי התבנית שנוצרת על ידי האלקטרונים המוחזרים ניתן לדעת על המבנה האטומי של הגרפין בדיוק רב. אם הגרפין נקי ובעל מבנה מחזורי, צפויה להתקבל תמונת החזרה מחזורית.
בתמונה זה נראית תמונת ההחזרה מן הגרפים אשר גודל על ידי חימום סיליקון פחמני בנוכחות גז ארגון. ניתן לראות כאן שתי תבניות מחזוריות. האחת, אשר סומנה בחצים כחולים נובעת מכך שהמצע עליו גודל הגרפין (סיליקון פחמני) הינו גם כן בעל מבנה מחזורי. השניה סומנה בחצים אדומים, והיא נובעת ממבנה הגרפין ומוכיחה כי גודל גרפין נקי בשיטה זו.
ריבוץ אדים כימי בפעולה
המתכת האדומה בתמונה הינה גוף חימום הדואג לחימום המצע לטמפרטורה הנחוצה לשם התגובה הכימית. בתמונה זו נראה ענן סגול - זהו ענן פלאזמה המשמש לעיתים לשם האצת התהליך.
בבליוגרפיה:
1. Towars wafer size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide. Nature materials, Nature Materials 8 ,203-207
2. Large scale pattern growth of grapheme films for stretchable transparent electrodes, Nature 457 ,706-710
מאת: ירון גרוס
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.
