Grafen – Vi tittar närmare på efterträdaren till Kisel

Bakgrund

Strukturen bakom grafen beskrevs först 1947 av P.R. Wallace¹ som repeterade plana hexagonala formationer av kolatomer när han ville undersöka och beskriva de elektroniska egenskaperna hos mer avancerade 3D-strukturer av grafit, men intresset har snarare gått åt andra hållet. Det är 2D-strukturer av kol som är mest intressant idag. Grafit har dessutom inte ens en fraktion av grafens popularitet i media idag.

Termen ”grafen” dök först upp i en artikel av S. Mouras artikel 1987. Den myntade namnet första gången, men den bidrog kanske inte så mycket mer till den forskning vi ska prata om senare. Artikeln beskrev grafen som en av komponenterna i ett salt (känt som ”graphite intercalation compounds”) där grafen ligger i omlott med metallatomer. Metallatomerna ligger som fångade mellan grafenringarna.

Grafit-Kalium-salt. Svart = kolatom, Lila = Kaliumjon (K+)

Grafen har behandlats och tillverkats i artiklar långt innan 1987 dock, men har inte benämnts som just grafen i de fallen. I de första framgångsrika fallen att tillverka grafen på 70-talet lät man grafen växa fram ovanpå ett annat material, men eftersom det hoppade över lite för mycket elektroner från stödmaterialet till grafenet fick det en annan struktur än det grafen vi söker idag. Det var helt enkelt inte ”rent” grafen och kunde inte studeras närmare.

Grafen a), enkel-lager, kan växa fram (i pilens riktning) på en väl vald yta, ex. SiC b)

Man har försökt att frigöra enskilda lager av grafen på många sätt sedan dess, men det var inte förrän 2004³ som Andre Geim och Kostya Novoselov vid Manchester University lyckades isolera enstaka lager av grafen från bulkgrafen. De lyckades flytta enskilda lager från bulken till en yta av kiseloxid (SiO₂) genom ”micromechanical cleavage”, eller kort och gott tejpmetoden. Metoden är otroligt simpel, det svåra var att komma på den.

Kiseloxiden isolerade grafenet utan att reagera alltför mycket med det, vilket resulterade i att man fick fram grafen som var ”rent”. Fler ytmaterial har upptäckts dugliga sedan dess, men kiseloxid var det som ledde till det stora genombrottet tillsammans med tejpmetoden.

Tack vare detta kunde man också observera och mäta grafens elektriska egenskaper, vilka visade sig vara helt fenomenala. Jag kommer inte att gå in exakt på fysiken kring detta eftersom det är väldigt avancerad fysik som nog inte intresserar någon egentligen, men jag kommer gå igenom de mer praktiska resultaten av forskningen på senare sidor. Grafen visade bland annat på en helt unik Hall-effekt. Vi lämnar dock fysiken här och går vidare mot lite historia och mer praktiska fakta.

Överst är Hall-effekten, i mitten den avvikande effekten
som enkel-lager grafen har och nederst två-lager-grafen.

För att belysa det hela lite fick de två forskarna (enskilt och delat) följande priser ganska tätt efter sin upptäckt:

• 2007 Mott medal för ”discovery of a new class of materials – free-standing two-dimensional crystals – in particular graphene”
• 2008 EuroPhysics Prize (together with Novoselov) ”for discovering and isolating a single free-standing atomic layer of carbon (graphene) and elucidating its remarkable electronic properties
• 2009 Körber Prize för ”develop[ing] the first two-dimensional crystals made of carbon atoms”
• 2010 United States National Academy of Sciences delade ut John J. Carty Award for the Advancement of Science ”for his experimental realisation and investigation of graphene, the two-dimensional form of carbon”
• 2010 The Royal Society Hughes Medal ”for his revolutionary discovery of graphene and elucidation of its remarkable properties”
• 2010 Nobelpriset I fysik ”for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene” (Reuters hade de som troliga vinnare både 2008 och 2009)

Att få Nobelpriset ”bara” 6 år efter att artikeln publicerades är inte unikt, men inte heller vanligt. Det brukar kunna dröja betydligt längre. Gärna ska man ha dött medans man väntat på att någon ska erkänna ens arbete, och då ska det sägas att forskare ofta är seglivade.

Referenser

1 – ”The Band Structure of Graphite”. Physical Review 71: 622–634

2 – ”Synthesis of first stage graphite intercalation compounds with fluorides”. Revue de Chimie Minerale 24: 572

3 – ”Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”. Science 306 (5696): 666-669