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

A jelentkezéssel kapcsolatos információk ITT.

SZENDRŐ Márton #06N - Grafén szuperrácsok dinamikája - számítógépes nanofizikai szimuláció - személyes HONLAP
Témavezető 1.: SZENDRŐ Márton, Tel.:392-2222/1909, Épület:26, Szoba:224, E-mail:szendro@fea.mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)
BOTH Csaba #06N - Grafén szuperrácsok dinamikája - számítógépes nanofizikai szimuláció - személyes HONLAP
Témavezető 2.: BOTH Csaba, Tel.:392-2222/1909, Épület:26, Szoba:224, E-mail:csababoth@yahoo.com, GEarth:(KFKI_26)
dr. SÜLE Péter #06N - Grafén szuperrácsok dinamikája - számítógépes nanofizikai szimuláció - személyes HONLAP
Témavezető 3.: dr. SÜLE Péter, Tel.:392-2222/1909, Épület:26, Szoba:226, E-mail:sule@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

A grafén, a grafit egyetlen atomnyi vastag kristálysíkja, amelyben a szén atomok hexagonális (ún. "méhsejt") rácspozíciókban ülnek. Ez az anyag olyan különleges tulajdonságokkal bír, amelyek nagyon ígéretessé teszik jövőbeni elektronikai eszközökben. Ilyen tulajdonsága pl. kiemelkedően jó elektromos vezetőképessége és nagyfokú átlátszósága, vagy síkbeli mechanikai szívóssága. Várakozásaink szerint a grafén technológián alapuló számítógépek nagyságrendekkel gyorsabbak lehetnek, mint a jelenlegi szilícium alapú elődjei. Az IBM kutatói laboratóriumi körülmények között már 100 Tera(!) Hz-es grafén alapú tranzisztort is elő tudtak állítani. (Hogy megfelelően tudjuk ezt az eredményt értékelni, a tömegtermelésre használt 22 nm-es Si CMOS technológiával nagyjából a 10 GHz-es működési frekvencia lehetséges, míg laboratóriumban a 210 GHz-es frekvenciát érték el. A legújabb grafén technológiával a standard 22 nm-es CMOS technológia sebességének a tízezerszeresét (100 THz = 10000x10 GHz) érték el nemrégiben. A következő években egyébként pusztán az IBM több mint 3 milliárd dollárt tervez elkölteni az új technológiák fejlesztésére.)

Grafén Moíre-mintázattal
1. ábra. Balra: a grafén "méhsejt" rácsa (modell). Jobbra: a grafén STM (pásztázó alagútmikroszkópos) képe Moíre-mintázattal, Ruténium hordozón észlelve. A világosabb (sárgás-fehéres) régiók kitüremkedések, a sötétebb régiók horpadások. A képen jól kivehető a grafén kisebb skálájú hatszöges rácsa is.

grafén rotációs szemcsehatár 2. ábra. STM felvétel egy grafén rotációs szemcsehatárról réz hordozón. A szemcsehatár egyik oldalán 0 fokos, a másik oldalán 7 fokos grafén fázis található.




A grafén előállítása ipari jelleggel ugyanakkor nem olyan egyszerű, máig erősen kutatott terület. Az egyik ígéretes eljárás az ún. fémkatalizált CVD (Chemical Vapour Deposition), amelynek során magas hőmérsékleten széntartalmú gáz halmazállapotú vegyületet, tipikusan metánt, áramoltatnak egy fém minta körül. A magas hőmérsékleten a fém reakcióba lép a metánnal, ennek hatására pedig szén atomok adszorbeálódnak a felületre és egy- ill. néhány réteg grafént alakítanak ki azon.

Az így növesztett grafén felülete STM-eml (pásztázó alagútmikroszkóppal) megvizsgálható. Ezeken az STM felvételeken különböző érdekes jelenségeket figyeltek meg:

  • A grafén a fém felületén ún. Moiré-mintázatot alakít ki (1. ábra). Ez dombok és horpadások szabályos hatszöges elrendeződését jelenti az atomi kötéstávolságoknál nagyságrendekkel nagyobb periodicitással. Moiré-mintázatból is kétfélét találtak a fém hordozó típusától függően. A két mintázat is szinte egymás komplementere, azaz, ahol púpokat várnánk, ott mélyedéseket találunk, és fordítva. Ezen felül arany hordozón az intézetünkben találtunk olyan Moiré-mintázatot, melynek periódushossza sokkal nagyobb, mint, amit az elméletből várnánk. Egyszerű közelítésben ez csak úgy lehetséges, ha a grafén nagyon erősen megnyúlt vagy összenyomott állapotban nőtt rá az arany felületére. Többek között ennek bizonyítása is a kutatásunk tárgyát képezi.

  • Egy másik fontos jelenség, hogy réz hordozón a grafén ún. rotációs szemcsehatárokat alakít ki (2. ábra). CVD során a grafén kis szigetekben kezd el nőni. A növekedés egy bizonyos pontján a szigetek összeérnek és teljesen bevonják a fém felületét. A szigetek egy meghatározott méretig "egyszerre" képesek forogni. De ha két olyan sziget érintkezik egymással, amelyek már különböző szöggel forogtak el a felülethez képest, akkor hibásan nőnek össze és egy vonal mentén atomi hibahatár keletkezik közöttük. Az ilyen hibahatárok nagyságrendekkel rontják a grafén vezetőképességét, ezért alapvető fontosságú annak megértése, hogy miért és hogyan foroghatnak el a növesztés során ezek a szigetek.

  • Grafén Moíre-mintázattal
    3. ábra. Molekuladinamika szimuláció kiátlagolt eredménye 20.1 nm x 20.1 nm kiterjedésű grafén síkról 10.5 nm vastag (50 réteg) réz hordozón. (A képeken csak a grafén látható.)

    A nyári iskolán a munka egyik célja bemutatni az ún. klasszikus molekuladinamika szimulációs módszert és annak alkalmazásait a fent említett jelenségek leírására (3-4 ábrák). A klasszikus molekuladinamika lehetővé teszi, hogy akár ~ 1 millió kölcsönható atommag mozgását is szimuláljuk az időben. A szimulációk ún. HPC (High Performance Computing) szuperszámítógép klasztereken futnak párhuzamos környezetben. A klaszterekben több ezer processzormag található.

    szimulált Moiré-mintázatok
    4. ábra. Molekuladinamikai szimuláció eredménye: két különböző típusú Moiré-mintázat arany hordozón: balra az ún. nanomesh, jobbra a "hump-and-bump" (HB) fajta. (lásd még: 5. ábra)



    Moíre magassági profilok 5. ábra. Magassági profil a két különböző Moíre-mintázatról. A két mintázat szinte egymás komplementere.







    FELADAT: Az iskolán megismerkedni a klasszikus molekuladinamika szimulációs módszerrel.

    ÉRDEMES ÁTNÉZNI: Szén (gyémánt, grafit, grafén, szén nanocső, fullerén), STM, kvantummechanika.

    TERVEZETT PROGRAM:
    1. Ismerkedés a grafénnel.
    2. Ismerkedés a szimulációs szoftverrel.
    3. Konkrét szimulációk futtatása.
    4. A tanultak összefoglalása, prezentáció összeállítása.




    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető 1.: SZENDRŐ Márton, Tel.:392-2222/1909, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:224, E-mail:szendro@fea.mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)
    Témavezető 2.: BOTH Csaba, Tel.:392-2222/1909, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:224, E-mail:csababoth@yahoo.com, GEarth:(KFKI_26)
    Témavezető 3.: dr. SÜLE Péter, Tel.:392-2222/1909, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:226, E-mail:sule@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Wed, 13 May 2015 19:23:52 GMT, Számláló: