Grafeenia grafiitista

20.10.2011

Kuinka tulevaisuudessa tehdään entistä nopeampia, halvempia, pienempiä ja integroitavampia elektroniikan komponentteja? Mitä tapahtuu, kun Mooren laille tulee raja vastaan? Vastaus voi löytyä hiilen uusimmasta kemiallisesta muodosta eli grafeenista.

Grafeenissa hiiliatomit muodostavat yhden atomikerroksen paksuisen levyn. Se on poikkeuksellisen kestävä ja lisäksi hyvin sähköä johtava materiaali. Termi “grafeeni” mainittiin jo 1987, mutta vasta vuonna 2004 Andre Geim ja Konstantin Novoselov kehittivät tavan siirtää grafeenia tutkittavaksi sähköisesti eristävälle alustalle.

Heidän kehittämänsä “teippimetodi” (eng. “Scotch Tape Method”) on sekä yksinkertainen että kekseliäs. Se mahdollisti grafeenin monipuolisten ominaisuuksien tutkimisen ja toi Geimille ja Novoseloville fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 2010.

Grafeenin valmistaminen teippimetodilla on täysin mahdollista toteuttaa peruskoulussa. Parhaat kuvalliset ohjeet löytyvät Youtubessa olevista videoista (esimerkiksi: www.youtube.com/watch?v=rphiCdR68TE).

Grafeenin valmistus

Seuraavan kirjallisen ohjeen avulla valmistimme grafeenia opettajien työpajassa kansainvälisessä fysiikan opetuksen tutkimuksen GIREP-EPEC-konferenssissa Jyväskylässä elokuussa 2011.

Työpajan mikroskoopit olivat päältä valaistuja ja suurennoksena käytimme 100x tai 400x. Altavalaistun mikroskoopin kanssa työskentely onnistuu, jos hankkii lisävalon näytteen yläpuolelle – tätäkin kokeilimme kirkkailla led-taskulampuilla, mutta yhtä palkitsevaa näytteiden tutkiminen ei näillä virityksillä ollut.

Huomaathan, että alkuperäisessä teippimetodissa näyte olisi puhdistettu liimasta ja muista roskista ennen tutkimista. Työläs puhdistusvaihe on kuitenkin ohjeessa jätetty väliin, jolloin päästään nopeasti etsimään grafeenia mikroskoopilla.

Tarvittavat materiaalit:

  • kish-tyyppistä grafiittia, joka on hyvin tasaisesti muodostunut grafeenilevyistä
  • oksidoitua piitä, jossa oksidikerroksen paksuus on 100–300 nm
  • scotch-teippiä
  • pinsettejä
  • optinen, yltävalaistu mikroskooppi suurennoksella 100 tai enemmän.

Kish-grafiittia voi tilata pieninä liuskoina toimittajilta internetistä (esim. SPI tai Graphene Supermarket). Materiaali on todella riittoisaa, joten yksi pieni liuska riittää usean luokan kokeisiin moneksi vuodeksi.

Oksidoitua piitä suosittelemme pyytämään hävikkipaloina lähialueen yliopistoilta ja tutkimuslaitoksilta. Piitä tarvitaan vain pieniä kappaleita grafeenin alustoiksi – sopivan paksuiselta oksidikerrokselta grafeeni on helpoin havaita.

Ohjeet:

  • Irrota pieni hiutale grafiittiliuskasta tarraamalla sitä kevyesti pienellä palalla teippiä.
  • Ota pitkähkö, 15 cm pala teippiä ja laita se pöydälle.
  • Aseta hiutale grafiittia keskelle teippiä.
  • Paina grafiittikohta vasten teipin toista puolta ja vedä puolet varovasti irti toisistaan, jolloin grafiitti puolittuu korkeussuunnassa.
  • Toista toimenpidettä kunnes kohta, jossa materiaalia on, on lähes läpinäkyvä.
  • Paina teippi vasten oksidoitua pii-palasta siten, että värikäs puoli tulee grafeenia kohti. Hiero varovasti kohtaa.
  • Vedä teippi varovasti irti. Näyte on valmis!

Grafeenin etsiminen mikroskoopilla:

  • Nosta piisiru varovasti pinseteillä näytealustalle ja vie se mikroskooppiin.
  • Valitse sopiva suurennos ja etsi kohta, jossa näet materiaalia piioksidin pinnalla.
  • Mikäli materiaali näyttää väreileviltä öljykalvoilta, kyseessä on luultavasti liima teipistä.
  • Mikäli materiaali näyttää teräväkulmaiselta roskalta, joka on yhtenäisen värinen, kyseessä on grafeenilevy. Huomaa, että levyjä voi olla useampia kerroksia. Reunoilla voit nähdä, kuinka eri määrät päällekkäisiä grafeenilevyjä näkyvät eri väreinä.

Teksti: Jenni Karvonen, FT, Kallaveden koulu ja Anna-Leena Latvala, FM, Jyväskylän yliopisto. Kuva: Anni Rossi.


   

Osio: Jutut

Kategoriat:

Keskustelua aiheesta


Hannu kirjoitti 7.6.2013 klo 16:16:

Miten päälystää metallipinta kulutusta kestäväksi grafeenilla?
Mikä on sähkönjohtavuus kalvon läpi ja kalvon pinnan suunnassa.

Kirjoita viesti


Nimi tai nimimerkki

Sähköpostiosoite (ei näytetä)

Viesti

Viesti on esikatseltava ennen lähettämistä.