Igazgató: Prof. PÉCZ Béla D.Sc., H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226
MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

KUN Péter #02F - GRAFÉN SZUPERRÁCSOK vizsgálata pásztázó alagútmikroszkóppal - Nanoszerkezetek Oszt.
Témavezető: KUN Péter, Tel.:392-2222-1378, Épület:26., Szoba:207., E-mail:kun@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

A szén alkotta vegyületek fontosságáról elég annyit, hogy minden földi élet alapját alkotják. A tiszta szén legismertebb formái a gyémánt és a grafit, amit ősidők óta ismer az emberiség. A grafit réteges szerkezetű: lapokból épül fel, amit csak gyenge kötések tartanak össze, ezért is tudunk a ceruzával írni. A grafit egyetlen atom vastagságú rétegét hívjuk grafénnak.

Miért foglalkozzunk a grafénnal? A grafén az elsőként előállított 2 dimenziós kristály, különleges elektromos tulajdonságokkal, aminek felfedezését 2010-ben Nobel-díjjal jutalmazták. Számos kiemelkedő tulajdonsága van: szinte teljesen átlátszó, egyedülálló mechanikai szilárdsággal rendelkezik, kiváló hővezető és elektromos vezető. Ezért nem meglepő, hogy a grafén kutatása a nanotechnológia egyik legdinamikusabban fejlődő területévé vált. A jövőben forradalmasíthatja életünket olyan alkalmazásokkal, mint a hajlítható okostelefonok, grafén alapú szuperkondenzátorok (energiatárolás), processzorok (gyorsabb számítógépek), és a felsorolás még hosszasan folytatható (1. ábra). A grafén vizsgálatának egyik alapvetően fontos eszköze a pásztázó alagútmikroszkóp (STM).

1. ábra. Balra: a grafén főbb lehetséges felhasználási területei. Jobbra: az egyik leghamarabb megvalósuló alkalmazás a hajlítható érintőkijelző lehet.



A pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning Tunneling Microscope, STM) elektromosan vezető felületek atomi léptékű vizsgálatára és módosítására alkalmas eszköz. Az alagútmikroszkópban egy igen hegyes tűt mozgatunk a felülettől nanométeres távolságban, miközben a tű és a minta közé feszültséget kapcsolunk. A tű és a minta tehát nem érintkezik, de ha elég közel kerülnek egymáshoz, akkor a kvantummechanikából ismert úgynevezett alagútjelenség révén elektronok mégis átjuthatnak, alagútáramot hozva létre. A leggyakrabban alkalmazott üzemmódban ezt az áramot állandó értéken tartjuk, miközben a minta síkjában a tűvel pásztázó mozgást végzünk. Így a minta felületéről akár atomi pontosságú képet kaphatunk (2. ábra). Ez azt jelenti, hogy van egy hatékony eszközünk 2-dimenziós anyagok (pl. grafén) vizsgálatára, amiknél gyakorlatilag az egész minta felületnek számít.

2. ábra. Balra: pásztázó alagútmikroszkóp szimulációja működés közben: a mérés alapja a tű és az alatta levő vezető minta között folyó alagútáram. Jobbra: grafén kristály atomi felbontású STM képe, a hatszögek csúcsaiban helyezkednek el az egyes szén atomok.



A grafén felfedezését követően számos réteges szerkezetű anyagról kiderült, hogy előállítható belőlük 2-dimenziós kristály, ami 1 atom, illetve 1 molekula vastagságú. Az izgalmas az, hogy pusztán a méretet csökkentve az anyag tulajdonságai gyökeres változáson mennek keresztül. A 2D anyagok változatos tulajdonságokkal rendelkeznek, a legismertebb közülük talán a szigetelő bór-nitrid (BN) és a félvezető molibdén-diszulfid (MoS2). A 2D kristályokat egymás tetejére is pakolhatjuk, a legózáshoz hasonlóan (3. ábra). Így végül egy olyan mesterséges anyagot kapunk, ami előre meghatározott anyagokból atomréteg precizitással lett felépítve. Így rendkívül változatos tulajdonságú anyagokat lehet létrehozni, szinte csak a képzelet szab határt. A legózással ellentétben az egymásra pakolni kívánt kristályokat egymáshoz képest el is tudjuk forgatni előre meghatározott szöggel, ami érdekes jelenségekhez vezet.
Látványos jelenséget figyelhetünk meg, ha egymáshoz képest kissé elforgatva helyezünk egymásra két periodikus rácsot. Ilyenkor megjelenik egy új, nagyobb periódusú szuperrács, amit Moaré-mintázatnak hívunk (3. ábra). Ez a jelenség kiválóan vizsgálható pásztázó alagútmikroszkóppal is, amivel meghatározhatjuk például az egymáson fekvő 2-dimenziós kristályok közti elfordulási szöget. Ennek jelentős hatása lehet az adott anyag tulajdonságaira (pl. elektronszerkezetére). Például grafénra pakolt grafén rendszerekben léteznek "mágikus szögek", azok az elforgatási szögek, amiknél rendkívül érdekes tulajdonságok figyelhetők meg (pl. szupravezetés).

3. ábra. Balra: a 2-dimenziós kristályokat (grafén, bór-nitrid, molibdén-diszulfid, stb.) lególapokként is elképzelhetjük, amiket egymásra pakolva rendkívül érdekes tulajdonságú, újfajta réteges szerkezeteket is készíthetünk. Jobbra: két egymáson fekvő, egymáshoz képest elforgatott hatszöges grafénrácson kialakuló szuperrács.



FELADAT:
Az MFA Nyári Iskolában a diákok bekapcsolódhatnak az intézetünkben folyó világszínvonalú grafén kutatásba. Megismerkedhetnek a 2-dimenziós anyagok, legfőképpen a grafén alapvető előállítási módszereivel. A saját kezűleg készített grafén szuperrácsokat tartalmazó minták atomi szerkezetét pásztázó alagútmikroszkópos mérésekkel fogjuk feltárni.

TERVEZETT PROGRAM:

  • ismerkedés a 2-dimenziós anyagokkal és alapvető előállítási módszereikkel
  • grafén szuperrácsok előállítása
  • az elkészült minták vizsgálata pásztázó alagútmikroszkóppal
  • az eredmények értékelése, felkészülés az előadásra




  • OLVASMÁNYOK, VIDEÓK:
  • http://www.nanotechnology.hu/magyarul.html
  • http://www.nanotechnology.hu/index.html
  • http://www.nanotechnology.hu/magyarul/Alagutmikroszkop.html
  • TudásPresszó beszélgetés - Tapasztó Levente: Grafén a jövő anyaga: YOUTUBE
  • Topológia Nanoszerkezetekben Lendület Csoport: Google Drive
  • Braun Tibor: "Pillanatfelvétel a grafén utáni kétdimenziós kémia fejlődési lehetőségeiről és ígéreteiről", Magyar Kémikusok Lapja, 2017. 72/3: PDF
  • Gyulai József: "Az emberiség útja a nanovilág felé", Mindentudás Egyeteme előadás, 2003: AVI
  • Márk Géza István: "Egy hullámcsomag kalandjai az alagútmikroszkópban", Fizikai Szemle 61/6 (2006) 190: PDF




  • ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető: KUN Péter, Tel.:392-2222-1378, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:207., E-mail:
    kun@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Fri, 04 May 2018 09:38:43 GMT, Számláló: