Grafen - materiál budoucnosti

Nejznámějšími formami chemického prvku uhlíku jsou diamant a grafit. Grafitu (tuha) je velmi podobná  forma uspořádání uhlíku zvaná grafen. Grafen je materiál složený pouze z jedné nebo dvou vrstev atomů uhlíku, které  jsou uspořádány do pravidelné struktury šestiúhelníku vazbami sp2. Jednoatomární vrstva grafenu bez příměsí vykazuje vysokou elektrickou vodivost, dvouatomární vrstva se chová podobně jako polovodič. Elektrony v grafenu dosahují nejvyšší pohyblivosti ze všech známých materiálů. Grafen je nejtenčí a současně nejpevnější materiál na světě.

Grafen je natolik pevný, že na proříznutí 100 μm tlusté membrány (jen o málo silnější než vlas) by v případě, pokud by atomy této vrstvy byly vázány stejně pevně jako atomy grafenu, bylo nutné použít sílu asi 20 000 N k jejímu proříznutí. Grafen je nyní jedním z nejintenzívněji zkoumaných materiálů na světě.

Grafen se poprvé podařilo vyrobit v roce 2004 vědcům z Univerzity v Manchesteru ve Velké Británii a Ústavu pro mikroelektronické technologiev Černogolovce (Rusko). Teoreticky však byly tyto dvojrozměrné struktury studovány o mnoho desítek roků dříve, ale fyzikové se tehdy domnívali, že jednoatomární vrstvy by byly velmi nestabilní. Důvodem byly tepelné kmity krystalové mřížky, které měly být natolik silné, že by docházelo k přemisťování atomů a přeměně částí jednoatomární vrstvy do nanotrubic a fulerenových struktur. Podle vědců mají elektrony v grafenu dokonce jiné vlastnosti, než by měly mít. U žádného jiného materiálu nebylo dosud pozorováno, že by se jeho elektrony chovaly, jakoby neměly žádnou hmotnost a pohybovaly se rychlostí světla! Uvažuje se, že by grafen mohl být použit při důkazu tzv. Kleinova paradoxu. K tomuto jevu totiž podle dosavadních znalostí mělo docházet jen ve velmi extrémních podmínkách (např. v okolí černých děr). V případě, že by se toto prokázalo, otevřela by se cesta k vývoji zcela nového druhu tranzistorů.

Kromě elektrické vodivosti je grafen také propustný pro světlo, takže by se dal využít při výrobě například displejů a nahradit tak stávající zařízení z tenkých vrstviček oxidů kovů.  Díky polovodivosti a tloušťce síťky pouhý jeden atom je možné z grafenu vyrobit tranzistory, které jsou teoreticky schopné pracovat až do frekvence 1 THz.

Navíc je lze skládat do velice kompaktních celků. Díky těmto vlastnostem se do budoucna počítá s využitím grafenu v mikroprocesorech a pamětech. Nyní probíhají experimenty s grafenovými tranzistory a s ovlivňováním vlastností grafenu za pomocí vhodných dopantů (nečistota záměrně přidaná v malém množství do krystalové mřížky, aby tím byly ovlivněny optické a elektrické vlastnosti krystalu).

První grafenový tranzistor byl vyroben ve stejném roce, kdy byl poprvé vyroben samotný grafen.Teprve v roce 2008 se podařilo vědcům z IBM vyvinout tranzistor schopný pracovat na frekvenci v řádu GHz. Jde o polem řízený tranzistor. Jako základní materiál slouží křemíková destička s tenkou povrchovou vrstvou oxidu křemičitého. Grafen je vytvořen technologií postupného mechanického "odlupování" atomárních vrstev uhlíku až do fáze, kdy na povrchu vrstvičky oxidu křemičitého zůstane pouze jediná atomární vrstva. Tato technologie je však vhodná pouze pro laboratorní účely a neumožňuje vytvářet velkoplošný grafen. Vodivé elektrody byly vytvořeny z paladia pomocí elektronové litografie. Délka vodivého kanálu v grafenu je 150 nm. Mezní frekvence, při které tranzistor přestává zesilovat, závisí nepřímo úměrně na délce vodivého kanálu. V případě tohoto tranzistoru dosahuje mezní frekvence hodnoty 26 GHz. Než ale bude možné z podobných tranzistorů realizovat například mikroprocesor v počítači, bude třeba překonat mnohé technologické bariéry. Jednou z nich je malý poměr proudů tranzistoru v sepnutém a v rozepnutém stavu.

Předpokládá se, že grafen se  stane podobně jako fullereny základem uhlíkové elektroniky příští generace. Dosud se však nedařila jeho průmyslová výroba ve velkém. Vědci z California NanoSystems Institute objevili metodu, která by mohla být velice jednoduchá i levná.  Základem by byl obyčejný papír ponořený v roztoku hydrazinu. Výsledkem byla redukce původní formy uhlíku na atomární uhlík. Při této technologii se překvapivě zachová i původní "papírová" struktura, takže snadno vznikne velmi tenká (možná monoatomární) vrstva o velké ploše (destička o velikosti až 20 x 40 mikrometrů). Takto získaný grafen má mít navíc výhodné elektrické vlastnosti, je výborně vodivý.
Dosavadní metody výroby grafenu vycházely například z karbidu uhlíku, který se při teplotě až 1100 °C redukoval na grafen. Takto získané kousky materiálu měly ale různou velikost i vlastnosti, a proto se moc nehodily k průmyslovému využití. Musely by se složitě třídit podle velikosti, tvaru a vodivosti.