Framtidens material - grafin(?)

Jag frågade en gång vad som kan tänkas ta över efter nanorör som det hetaste forskningsområdet. Ett svar kanske har dykt upp på horisonten---ett nära angränsande ämne---grafin (eng graphene). Grafin är det hexagonstrukturerade lager som bygger upp grafit, och som kan ses som ett utrullat kolnanorör. Trots att grafit har varit känt i århundraden så har det varit oerhör svårt att isolera enstaka grafinlager. Nyligen lyckades forskare i Manchester och Ryssland med det, och på ett makalöst enkelt vis; man drog loss dem med tejp från högorienterad grafit (HOPG). Naturligtvis fick man inte bara enkla lager, men man kunde ändå visa att de tunnaste bitarna var just enlagriga ¹. Sedan katten väl släppts ut ur lådan så har intresset exploderat: nya resultat publiceras varje vecka i de stora tidskrifterna som Science, Nature, PNAS och PRL.Intresset för grafin är egentligen inte nytt: grafinet har varit en kvantelektromekanisk lekstuga för teoretiker i 40 år, men det är först nu som experimentalisterna också får vara med och leka, och först nu som man verkligen kan kontrollera om beräkningarnas förutsägelser faktiskt stämmer.

Det finns många anledningar till att grafin varit så lockande ur teoretisk synvinkel. Dels är det för att det är ett verkligt två-dimensionellt material (eller, egentligen 2+1-dimensionellt, men det är en mindre detalj som vi kan lämna därhän), dels för att bandstrukturen leder till verkligt unika elektriska egenskaper. Bandstrukturen i fasta tillståndets fysik (ftf) beskriver förhållandet mellan energi (E) och rörelsemängd (p). För en fri partikel gäller att E=p²/2m, där m är partikelns massa. För en fri partikel är alltså bandstrukturen, dvs E(p), en parabel. För en elektron som rör sig i en kristall är sambandet mer komplicerat, men för att Newtons lag, F=ma, fortfarande skall gälla definierar man en effektiv massa, m*, så att
(I ftf är k vågvektorn som är relaterad till rörelsemängden.För en fri partikel är p=ℏk) Massan är alltså beroende på hur banden ser ut. Det unika med grafin är att vid Fermienergin, den energi som de rörliga elektroner minst måste ha) är bandstrukturen linjär. Elektronerna uppför sig då som om de saknade massa. För att beskriva sådana partiklar måste man använda en relativistisk form av kvantmekanik som bygger på Dirac-ekvationen istället för den mer bekanta Schrödingerekvationen. Nyligen lyckades man också mäta att elektronerna verkligen uppför sig som masslösa ”Diracfermioner”².

Den här, och många andra effekter, som en speciell kvanthalleffekt, spännade kanttillståndseffekter, Coulombblockad, jättehög elektronmobilitet mm har gjort att det teoretiska och experimetella intresset för grafin är på topp. När man nu lyckats bygga både fälteffektstransistorer och enelektrontransistorer med hjälp av grafin så hyllar Nature grafin som kislets efterföljare³. Sådant har man ju hört förr, och kanske har man blivit lite luttrad, men hur som helst är grafin ett av de hetaste forskningsområdena just nu, och något man bör hålla minst ett öga på.

En mycket bra review-artikel publicerades nyligen Nature Materials⁴.

Referenser:
¹ Novoselov, K. S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306, 666–669 (2004)
² Novoselov, K. S. et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature 438, 197–200 (gratislänk)
³ Nature News, 28 Feb 2007: doi:10.1038/news070226-10
⁴ Geim, A. K. & Novoselov, K. S., The rise of graphene. Nature Materials 6, 183 - 191 (2007) (gratis arxiv preprint)

Andra bloggar om: Vetenskap, Nanoteknologi, grafin, forskning.