Grafaanil veel rohkemgi potentsiaali: kvanttäpid

Grafaan(ingl. keeles graphane, toim.) on praegu enimuuritav uus materjal kogu maailmas, vooluga on kaasa läinud ka Rice’i Ülikooli teadlased, kes on ehk sammu eeski.

Rice’i ülikooli masinaehituse, materjaliteaduse ning keemia professori Boris Yakobsoni juhitud teadlased avastasid hiljuti, et eraldades kahedimensionaalselt grafaanlehelt kindlatest kohtadest vesinikuaatomeid, avanevad loomulikud puhta grafeeni alad, mis näevad välja ning ka käituvad kui kvanttäpid.

Selline avastus avab aga ukse kümnetele uutele võimalustele üha väiksemateks muutuvates nanoelektroonikaseadmetes, kus hästikontrollitavate omadustega nanotäppidel suur osakaal on, seda eriti kõrgtehnoloogilistes optikaseadmetes.

Järeldoktorantide ning artikli kaasautorite Abhishek Singhi ning Evgeni Penevi teoreetiline töö avaldati ajakirja ACS Nano veebiväljaandes eelmisel nädalal. Üks Suurbritannia ajakiri nimetas Rice’i Ülikool hiljuti maailma number 1 teaduskeskuseks materjalide alal.

Grafaan on lihtsalt modifitseeritud grafeen, kus struktuuri mõlemale küljele on lisatud vesinikuaatomeid, mis käituvad isoleerivalt. Kuigi seesugune materjal on tehniliselt siiski ühe aatomkihi paksune, pakub see siiski palju võimalusi materjali pooljuht-omadustega mängimiseks.

Kvanttäpid on mõnest kuni mitmest aatomist kristallilised molekulid, mis reageerivad vastastikku valguse ning magnetväljaga, seda aga väga unikaalsel moel. Täpi suurus määrab ära selle keelutsooni laiuse – energia koguse, mida on tarvis vooluringi sulgemiseks – ning muudab võimalikuks selle reguleerimise täpsele väärtusele. Aktiveeritud täppide kiiratav valgus ning energia muudab täpid eriti kasulikuks keemilistes sensorites, päikesepatareides, meditsiinilistes pilditehnoloogiaseadmetes ning nanosuuruses vooluringides kasutamiseks. 

Singh ning Penev arvutasid välja, et grafaani mõlemalt küljelt vesinikusaarekesi eemaldades jäävad järgi nö. ‘kaevud’, millel on kõik kvanttäppide omadused. Tulemused võivad osutuda kasulikuks suure hulga täppide tekitamisel mitmete rakenduste jaoks.

,,Jõudsime selliste tulemusteni täiesti teise töö kaudu, kus uuriti energialadustamist vesinikuaatomite neeldumise kaudu grafeenil,” sõnas Yakobson. ,,Abishek ning Evgeni mõistsid, et selline olekumuutus(grafeenist grafaaniks) koos muutusega metallist isoleerijaks pakub uusi võimalusi nanotehnoloogias.

Nende uurimustöö paljastas mitmeid huvitavaid omadusi. Leiti, et vesinikuaatomite eemaldamisel on tühjaksjäänud ala alati kuusnurkne, jättes grafeeni ja grafaani vahele üliõhukese liitekoha. See on oluline, sest see tähendab, et iga täpp on väga kokkupakitud, arvutused näitavad väga väikest laengute leket grafaani substraadile(kuidas täpselt aga vesinikuaatomeid grafaani võrestikult eemaldada on selle kallal töötavate materjaliteadlaste jaoks veel lahtine küsimus).

,,Kui sul on keskkonnas aatomitaolised spektrid, on täpi suurust muutest võimalik keelutsooni laiusega mängida,” seletas Singh. ,,Põhimõtteliselt on võimalik selle optilisi omadusi vastavalt oma vajadustele seadistada.

Lisaks optilistele rakendustele võivad täpid osutuda kasulikuks ühemolekulistes andurites ning nende abil oleks võimalik jõuda ka üliväikeste transistorite või pooljuhtlaseriteni.

Praegu jääb aga küsimuseks, kuidas valmistada grafaanlehel kvanttäppide kogumeid, kuid ei Singh ega Penev ei arva, et see takistus oleks ületamatu.

,,Meie arvates on artiklis avaldatud üldjäreldused piisavad, et eksperimentaatoreid mõtlema panna,” leidis Singh. ,,Mõned juba töötavad meie uuritud suunas.”

,,Tegelikult toetab nende töö seda, mida meiegi öelda tahame, et täppide kogumite tekitamist on võimalik teha kontrollitult,” lisas Penev.

Millal neist teadmistes aga kommertsrakendustes kasu on? ,,See on keeruline küsimus. Ma ei usu, et see kaugel on, kuid eelnevalt tuleb ületada mõned takistused. Ma ei usu, et saame mingeid ajalisi piiranguid anda, kuid see võib juhtuda varsti,” võttis Singh asja kokku.

Allikas

Teadusartikkel “Vacancy Clusters in Graphane as Quantum Dots”