Grafen - potencjał i aplikacje

Grafen jest uważany za jeden z najbardziej perspektywicznych materiałów w przemyśle elektronicznym - pokładane są w nim ogromne nadzieje, w zakresie prac nad nowymi, innowacyjnymi urządzeniami i ulepszaniu istniejących. W artykule wyjaśniamy, z jakich jego właściwości wynika ten potencjał i jakie są perspektywy jego wykorzystania.

Posłuchaj
00:00

Tytułowy materiał to alotropowa odmiana węgla w postaci pojedynczej warstwy grafitu stanowiącej dwuwymiarową strukturę krystaliczną utworzoną przez warstwę atomów w układzie plastra miodu. Właśnie budowie na poziomie atomowym grafen zawdzięcza unikalne właściwości - każdy atom węgla jest w nim związany kowalencyjnie z trzema innymi w układzie heksagonalnym, z jednym wolnym elektronem. Wiązania, jakie występują w tej strukturze, w płaszczyźnie materiału i prostopadle do niej, zapewniają mu wyjątkowe cechy elektryczne, optyczne, termiczne i mechaniczne. O materiale tym jest głośno przede wszystkim ze względu na przewodność elektryczną.

Wyjątkowe właściwości grafenu

Grafen ma zerową przerwę energetyczną, ponieważ pasma przewodnictwa i walencyjne nieznacznie zachodzą na siebie, zaś elektrony i dziury zachowują się jak bezmasowe cząstki relatywistyczne. W temperaturze pokojowej koncentracja jego nośników ładunku wynosi 10-13/cm‾², przy ruchliwości 2×105 cm²/ V×s (w krzemie 1500). Pojedyncza warstwa grafenu ma przezroczystość 97,7%. Zależy ona od liczby warstw - w trzywarstwowym stosie wynosi 90,8%, ponieważ dodanie każdej kolejnej powłoki z tego materiału powoduje wzrost absorpcji światła białego o 2,3%.

W grafenie jest też możliwy swobodny przepływ fononów (nośników ciepła). Z tego wynika jego wysoka przewodność cieplna, w temperaturze pokojowej sięgająca 3000-5000 W/m×K. Po umieszczeniu na podłożu z innego materiału jej wartość maleje do 600 W/m×K. Spadek ten wywołany jest rozproszeniem fononów na styku grafenu z podłożem, utrudniającym ruch tych nośników. Nawet jednak pomimo to jego przewodność termiczna jest dwukrotnie większa niż miedzi. Oprócz tego jest około 200 razy wytrzymalszy od stali i można go rozciągnąć do 25% początkowej długości bez zerwania - wytrzymuje naprężenia maksymalnie 42 N/m, a jego moduł Younga wynosi 1 TPa. Jednocześnie jest lekkim materiałem, o masie powierzchniowej jedynie 0,77 mg/m².

Grafen poza elektroniką

Każda z tych właściwości oddzielnie jest z punktu widzenia konstrukcji urządzeń elektronicznych cenną. Nic zatem dziwnego, że ich połączenie w jednym materiale zelektryzowało całą branżę, kiedy w 2004 roku po raz pierwszy, z wykorzystaniem ołówkowego wkładu i taśmy klejącej, naukowcom udało się go wyizolować, zwłaszcza że wcześniej uważano, że dwuwymiarowe warstwy o grubości pojedynczego atomu nie znajdą zastosowania w praktyce z powodu ich niestabilności termicznej. Co więcej, grafenem zainteresowały się także inne branże - jego właściwości okazały się użyteczne poza przemysłem elektronicznym w wielu zastosowaniach. Dzięki temu w ciągu 17 lat od jego wyizolowania na rynku pojawiło się wiele produktów na jego bazie, których z roku na rok przybywa.

Jednymi z pierwszych rynków, na których pojawił się grafen, były te o niskich barierach wejścia, takie jak sprzęt sportowy - materiał ten dotychczas wykorzystano w produkcji rakiet tenisowych, kijów hokejowych, opon i ram rowerowych, w których zapewnił on wytrzymałość, elastyczność, lekkość. Te, wraz z przewodnością cieplną, zainteresowały również producentów ubrań i obuwia dla sportowców i nie tylko, na przykład kurtek i spodni do codziennego użytku. Poza tym grafen znalazł też zastosowanie w produkcji powłok o szerokim wachlarzu zastosowań m.in. chroniących kadłuby statków.

Grafen - przykłady zastosowań

Kolejny przykład branży o niskiej barierze wejścia, w której grafen znalazł liczne zastosowania, to sektor wyposażenia gospodarstw domowych. Przykładem są żarówki, w których moduły LED pokryto warstwą tego materiału, który zwiększa odprowadzanie ciepła, co z kolei zwiększa ich sprawność energetyczną. Grafen wykorzystano także do wykonania powłoki nieprzywierającej w patelniach.

Z unikalnych właściwości tego materiału postanowiła również skorzystać branża samochodowa - jego dodatek można znaleźć w oponach charakteryzujących się większą trwałością, smarze i w częściach aut. Trwają także badania nad zastosowaniem grafenu jako dodatku do podłoży dróg, co ma na celu zwiększenie ich wytrzymałości, jak i zmniejszenie zużycia opon.

Poza tym grafen jest składnikiem materiałów kompozytowych, szczególnie tych, które mają znaleźć zastosowanie tam, gdzie kluczowe cechy materiału konstrukcyjnego to zwykle nieidące ze sobą w parze: lekkość oraz wytrzymałość. Przykładem jest lotnictwo - możliwość ograniczenia wagi części samolotowych pozwala w dłuższej perspektywie oszczędzić mnóstwo pieniędzy na zużyciu paliwa.

Zastosowania specjalistyczne

W dziedzinie zaawansowanych technologii grafen upowszechnia się wolniej, przede wszystkim ze względu na wyższą barierę wejścia i zwiększone wymagania w zakresie bezpieczeństwa i testów. Mimo to opracowano już m.in. grafenowe akumulatory (grafen można dodać do anody i katody, żeby zwiększyć wydajność akumulatora i przyspieszyć jego ładowanie) oraz superkondensatory używane w urządzeniach przenośnych. Materiał ten jest także wykorzystywany przez niektórych producentów w układach chłodzenia w telefonach komórkowych. Jego ważną aplikacją są też czujniki, a zwłaszcza biosensory.

Bioczujniki są wykorzystywane w wykrywaniu i ilościowym oznaczaniu biomarkerów w diagnostyce medycznej i monitorowaniu środowiska. W ich konstrukcji wykorzystuje się nanomateriały, w tym te na bazie grafenu. Przykładami są: tlenek grafenu i zredukowany tlenek grafenu. W tym zastosowaniu docenia się głównie wytrzymałość, elastyczność i właściwości elektryczne grafenu. Czujniki na jego bazie charakteryzuje również większa czułość. Przykładami takich są bioczujniki z grafenem: fluorescencyjne, elektrochemiczne, powierzchniowego rezonansu plazmonowego, SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering).

Grafen w ogniwach paliwowych i słonecznych

Trwają też prace nad wykorzystaniem tytułowego materiału w ogniwach paliwowych, które przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną z wysoką wydajnością przy użyciu drogiego katalizatora platynowego. Ten ostatni usiłuje się zastąpić innymi metalami nieszlachetnymi, tlenkami metali albo właśnie grafenem. Opracowywane są też grafenowe membrany elektrolityczne, które w ogniwie odpowiedzialne są za transfer jonów pomiędzy katodą a anodą. Powinny się one charakteryzować dużą przewodnością jonową, stabilnością chemiczną, termiczną i mechaniczną.

Poza tym grafen jest rozpatrywany jako materiał przyszłości w ogniwach słonecznych. Prace nad tym jego zastosowaniem trwają, a dotychczasowe ich wyniki już wskazują m.in., że w panelach fotowoltaicznych na bazie tego materiału udaje się zmniejszyć współczynnik odbicia promieni słonecznych o 20%. To zapewnia potencjalny wzrost wydajności nawet o 20%.

Czy grafen zastąpi krzem?

Choć nie ulega wątpliwości, że potencjał grafenu jest ogromny, tytułowe pytanie, które zaczęto sobie zadawać, jak tylko o jego unikalnych właściwościach zrobiło się głośno, wciąż jest jednak otwarte. Podstawowy materiał w przemyśle elektronicznym, którym bez wątpienia jest krzem, nadal jest bowiem ceniony za właściwości elektryczne i łatwość obróbki w procesach produkcyjnych o ugruntowanej pozycji, które pozwoliły na postęp w zakresie miniaturyzacji urządzeń elektronicznych na niespotykaną wcześniej skalę. Obecnie nawet jednak one stopniowo osiągają kres swoich możliwości - ich rozdzielczość wkrótce nie pozwali na tworzenie mniejszych struktur półprzewodnikowych. W związku z tym poszukiwane są rozwiązania alternatywne. Takie prawdopodobnie okażą się techniki, w których struktury układów scalonych będą tworzone w sposób addytywny, przez tworzenie, a nie jak dotychczas usuwanie materiałów, w skali nano. Prognozuje się, że nanoprodukcja z wykorzystaniem nanomateriałów ma szansę dzięki dalszemu postępowi miniaturyzacji zapoczątkować rewolucję w branży elektronicznej.

Co wyróżnia nanowstążki grafenowe?

Realizacja tego celu nie jest jednak łatwa, ponieważ tylko nieliczne przewodzące nanomateriały mogą konkurować z krzemem pod względem właściwości wymaganych w tym zastosowaniu. Jednym z nich jest oczywiście grafen, który jednak z powodu zerowej przerwy energetycznej wymaga dodatkowych zabiegów dla uzyskania właściwości półprzewodnikowych.

Jest on aktualnie pod tym kątem testowany w różnych postaciach, które jak pokazują badania, mogą się okazać lepszą alternatywą niż grafen jednowarstwowy. Jedną z najbardziej perspektywicznych są nanowstążki grafenowe.

Są to krótkie, cienkie paski grafenu, które w przeciwieństwie do tego materiału w formie arkusza mogą mieć właściwości półprzewodnikowe, które pozwalają na wykorzystanie ich w produkcji struktur półprzewodnikowych. To jest jednak warunkowane ich geometrią i brakiem defektów.

Poza tym na drodze do upowszechnienia się nanowstążek w tym zastosowaniu, mimo wielu do tej pory udanych prób badawczych, stoją trudności techniczne oraz koszty produkcji na masową skalę. Gdyby te przeszkody udało się pokonać, grafen w tej postaci ma największe szanse, aby wyprzeć nie tylko grafen jednowarstwowy, ale i krzem.

Podsumowanie

Grafen z pewnością ma potencjał do zastąpienia krzemu w urządzeniach elektronicznych, ale jak szybko to nastąpi, będzie zależeć od kilku czynników. Jeden z ważniejszych to chęć producentów elektroniki do przestawienia produkcji na nowy materiał, co oznaczałoby zakup nowego sprzętu, zmiany organizacyjne oraz inne towarzyszące takiej decyzji. Z drugiej strony będzie to również uwarunkowane możliwościami producentów tego materiału - do komercjalizacji urządzeń na bazie grafenu wymagana jest jego dostępność w wystarczającej ilości dla potrzeb produkcji masowej, a jednocześnie o odpowiedniej jakości, ponieważ wyłącznie ten najwyższej jakości nadawać się będzie do zastosowań w przemyśle elektronicznym i innych specjalistycznych.

Jest to o tyle istotne, że grafen nie zastąpi krzemu we wszystkich urządzeniach elektronicznych, a na pewno nie upowszechni się w taniej elektronice użytkowej - jego docelowymi zastosowaniami będzie przede wszystkim elektronika drukowana, noszona i elastyczna.

Monika Jaworowska
źródła zdjęć: Technische Universität Dresden, KIT

Powiązane treści
W Polsce opracowano pierwszy ekran OLED na bazie grafenu
Foxconn opracuje technologię szybkiego ładowania baterii grafenowych
Rynek grafenu podwoi swoją wartość w 5 lat
Złoty medal dla ITME za grafenowy czujnik pola magnetycznego
Polski grafen bez widoków na przyszłość
Zobacz więcej w kategorii: Gospodarka
Komponenty
Renesas stawia na bezpieczeństwo – zaawansowane systemy wideo nowej generacji dla motoryzacji
Produkcja elektroniki
Infineon wdraża produkcję na 200-mm podłożach SiC
Komunikacja
Zagłuszanie i spoofing nawigacji satelitarnej
Aktualności
DigiKey uruchamia nową serię wideo poświęconą zrównoważonemu rozwojowi
Zasilanie
Nowe wzmacniacze mocy GaAs firmy CML Micro dla urządzeń zasilanych bateryjnie
Aktualności
Ukończono budowę elektronicznej zapory na granicy polsko-białoruskiej
Zobacz więcej z tagiem: Projektowanie i badania
Gospodarka
DigiKey sponsoruje KiCad
Targi zagraniczne
30. Międzynarodowa Specjalistyczna Wystawa Produkcji, Innowacji i Rozwiązań Inżynieryjnych BALTTECHNIKA
Gospodarka
Plessey wdraża system MES od Critical Manufacturing w celu wsparcia eksperymentalnych procesów produkcji microLED
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów