Flagor av grafen

Grafen består av kolatomer i ett enda lager. Men det finns olika möjligheter, eller begränsningar, för tillämpningar beroende på hur materialet har framställts. Varje typ av grafen har inte riktigt samma tillämpningar. Förenklat beskrivet så finns det tre varianter: (i) små flagor av grafen; (ii) stora sjok av grafen tillverkat på en metallfolie, (iii) grafen på stora skivor av kiselkarbid.

Nobelprisforskarna Geim och Novoselov använde en simpel metod för att få fram tunna flagor av kolatomer. De utnyttjade grafit av hög kvalitet och som då består av väldigt många lager av kolatomer. Genom att skrapa försiktigt på grafit kan man få fram grafen. Men det är inte så enkelt att få fram atomtunna flagor genom att skrapa. En försiktigare variant av att få loss grafenbitar är att få tunna flagor att fastna mot ett vidhäftande material. Geim och Novoselov använde helt enkelt tejp som de tryckte mot grafiten. Sedan rev de försiktigt loss bitar från grafiten, och det resulterade i små tunna skikt av grafit. I vissa tursamma fall blev det en flaga med ett lager av kolatomer med en gång. I många fall blev det dock tunna skikt av grafit med många lager av kolatomer. Men genom att upprepa tejpmetoden kunde flagorna fås allt tunnare, och till sist blev det kvar ett lager kolatomer: grafen!

Naturligtvis är atomtunna skikt är svåra att se med blotta ögat. Tejpmetoden resulterar i en mängd olika flagor med olika tjocklek. Visserligen finns det avancerade mikroskop som grafenforskare kan använda för att upptäcka vilka flagor som är ett enda lager – grafen – men det är samtidigt ytterst tidsödande att förbereda flagor för att undersöka dem med ett avancerat mikroskop. Inte minst är det tålamodsprövande att undersöka tillräckligt många flagor för att hitta grafen med ett lager med hjälp av ett sådant mikroskop. Nobelprisforskarna använde då ett trick. Flagor på en vanlig skiva av kisel, som är samma grundmaterial som används för att göra processorer, kan ge en kontrast om kiselskivorna har en oxid på ytan. Oxidering av kiselskivor är en etablerad process inom halvledarindustrin. När tejpen med flagorna pressas mot skivan med kiseloxiden, så fastnar en del av dem på oxidytan. Sedan kunde forskarna med ett vanligt optiskt mikroskop undersöka ett stort antal flagor, som med hjälp av oxiden gav olika kontrast beroende på hur många lager de hade, tills de fann grafenflagorna med ett enda lager. Kontrasten mellan grafen med fler lager och grafen med ett lager blir allt högre när antalet lager ökar.

Tejpmetoden är inte lämplig för en industriell produktion. Större mängder av grafen kan produceras genom att blanda grafitflagor med en vätska. När blandningen körs i ett ultraljudsbad så faller flagorna i allt tunnare bitar. Ett sådant bad kan ta många timmar. Detta resulterar fortfarande i flagor med olika antal lager. Dessa grafenbitar med olika antal lager kan skiljas åt genom en centrifugering där deras olika vikt skiljer flagorna åt. Volymerna är tillräckliga för att få fram stora mängder grafenflagor per år.

Grafen: från blyertspenna till energieffektiv elektronik

Grafen gav nobelpriset i fysik 2010. Materialet består av kolatomer som breder ut sig i ett plan och bildar en två-dimensionell struktur. Nobelprismaterialet har en otrolig bredd av intressanta egenskaper. Det beror på kombinationen av kolatom och två dimensioner.

Kolatomen utgör grunden i allt liv. Den har varit inblandad i nobelpris inom kemi flera gånger. Det finns en växelverkan mellan kolatomer som ger upphov till starka bindningar mellan atomerna. När kolatomer binder till varandra så bildar de ett mönster som liknar ett hönsnät. Det är just bindningarna mellan kolatomer och möjligheten att binda till andra ämnen som gjort att kolatomen är intressant inom kemi. Genom att påverka bindningar till andra ämnen så kan man framställa nya läkemedel.

Grafen är kolatomer som bildar ett enda lager. Genom att stapla flera lager på varandra så får man grafit. Bindningarna mellan varje lager är svaga. Ett exempel av grafit är blyertspennan. En blyertspenna är en lång cylinder med pressad grafit och omges av trä. När man skriver med den, så skalar man av lager efter lager av kolatomer. De lossnar lätt eftersom bindningarna mellan lagren inte är starka. Skriver man riktigt svagt så skriver man kanske med grafen! Men det är kanske inte så lätt att läsa den tunna texten när man skriver med ett nobelprismaterial.

En stor utmaning inom framtidens elektronik är effektförluster i integrerad elektronik. Förlusterna resulterar i värme. En stor del inom elektroniken handlar om värmeavledning, från handhållna instrument (som har effektförluster på tusendelar av en watt) till datacentraler (som förbrukar flera miljarder watt varje år). I exempelvis USA används årligen mer än 20 gigawatt sammanlagt inom all IT, vilket motsvarar 5-10% av den nationella elektricitetsbudgeten i USA. Energiåtgången i datacentraler har fördubblats i USA räknat under fem år fram tills nobelpriset gavs till grafen. Och mer energi lär det gå åt i framtiden. Men kraven på kylning ökar med den högre energiåtgången. Liknande utmaningar finns inom processorer där operationsfrekvensen för snabbare datorer på flera gigahertz inte längre kan utvecklas lika fort eftersom värmeförlusterna blir för höga.

Grafen har stor potential att utveckla framtidens elektronik utifrån sina unika egenskaper. Bland annat är elektronerna upp till 100 gånger snabbare än i kisel som används idag för att göra processorer, och värmeavledningen hos grafen är bland de bästa som observerats från material. Detta kan leda till tillämpningar som ger snabbare elektronik samtidigt som värmeförlusterna är mindre jämfört med elektronik baserad på andra material. Det är ett stort steg från att vara grunden i grafit för våra blyertspennor.