Nutinina ja tehisaru suur tulevik
Ajal, mil Admiral Bellingshausen alustab Loodeväila alistamist, jõuab üks teine laev, Euroopa Liidu tulevikutehnoloogiate suurprojekt „Graphene Flagship“ oma reisiga lõpusirgele. TÜ teadlaste eesmärk on välja töötada grafeenil põhinevad enneolematult tundlikud gaasisensorid ja elektrooniline nina.
„GRAPHENE FLAGSHIP“
„Graphene Flagship“ on Euroopa Liidu kõige ulatuslikum, miljardi euro suuruse eelarvega teadus- ja tehnoloogiaprojekt. See on tulevaste ja kujunemisjärgus tehnoloogiate projekt, mille eesmärk on teha grafeeni ning teiste kahemõõtmeliste nanomaterjalide alus- ja rakendusuuringute kaudu põhjalikke uuendusi paljudes tööstusharudes ja eluvaldkondades. Projektis on ühendatud 22 riigi umbes 170 akadeemilise ja tööstuspartneri eri pädevusalad.
Projektiga „Graphene Flagship“ seotud uuringud puudutavad paljusid põnevaid teemasid, alates komposiitmaterjalidest ja peenfiltritest ning lõpetades mikroelektroonika ja kvanttehnoloogiatega. Kahest esimesena nimetatust on mitmed tooted juba jõudnud tööstuslikku kasutusse.
Grafeen on ühe aatomi paksune kuusnurkse sümmeetriaga võres paiknevate süsinikuaatomite kiht. See on teadaolevalt kõige õhem, kõige tugevam ja kõige paremini elektrit juhtiv materjal, ja siinkohal grafeeni väljapaistvate omaduste loetelu ei lõpe. Näiteks sensormaterjalina on grafeeni eelis lisaks sobivatele elektroonsetele omadustele ka pinna suur osakaal.
Peale grafeeni on projekti käigus ning tänu sellele avastatud ja sünteesitud palju uusi kahemõõtmelisi materjale. Praeguse seisuga võib loetleda kaugelt üle saja 2D-materjali, mille erisugused omadused avavad uusi rakendusvõimalusi.
Veelgi enam, valmistada saab juba täiesti uusi aatomkihtidest koosnevaid tehisstruktuure. Näiteks on võimalik ladustada sama materjali kihte eri nurkade all. Grafeeniuuringutes leiti, et selliselt moodustatud struktuurid (tvistroonilised materjalid) võivad olla nii elektrit mittejuhtivad kui ka juhtivad või isegi ülijuhtivad – sõltuvalt kihtidevahelisest nurgast.
Tuleb kohe öelda, et igas valdkonnas päris lõppsadamaga tegu ei ole: 2D-materjalide mikrokiipidesse integreerimise katseprojektiga jätkatakse ja keerdküsimuste lahendamine selleks, et aatomkihipaksuseid materjale mikroelektroonikas laialdaselt rakendada, seisab veel ees.
„Graphene Flagshipi“ teeb eriliseks ka asjaolu, et materjaliteaduse ja tahkisefüüsikaga, millele tänapäeva tehnoloogia suuresti tugineb, tegeldakse tavaliselt paljudes suhteliselt väikestes teaduskooslustes, mitte pilkupüüdvates suurprojektides.
Tartu Ülikooli füüsikud ja materjaliteadlased osalevad projekti sensorite tööpaketis. Meie eesmärk on koos partneritega välja töötada grafeenil ja selle sugulasmaterjalidel põhinevad gaasisensorid ning elektroonilised ninad. Sellised mikrosensorid on kiiresti arenev valdkond, millel on palju kasutusviise näiteks õhu ja toidu kvaliteedi ning tervisenäitajate jälgimises, nutika linna lahendustes ja põllumajanduses.
Ideaalsed materjalid sensoritele
Grafeeni suur tugevus ja elastsus on eeldused üliõhukeste membraanide loomiseks, mis on lubanud arendada rekordilise tundlikkusega mikrofonide ja rõhusensorite prototüüpe. Enneolematult tundlikud magnetväljasensorid on saanud võimalikuks tänu grafeeni elektrijuhtivuse eripärale: selles on juhtivuselektrone metallidega võrreldes väga vähe, kuid nende liikuvus on äärmiselt suur.
Keemilistel sensoritel, sh gaasisensoritel, mille elektrijuhtivus muutub ümbritseva keskkonna molekulide seondumisel materjali pinnale, on need elektroonsed omadused samuti olulised. Vähem tähtis pole aga asjaolu, et kogu materjal koosnebki sisuliselt pinnast. Nende tegurite koosmõjus avaldavad molekulide seondumisel tekkivad (laengute ümberjaotumise ja elektronide hajutamise) protsessid sensori signaalile suurimat võimalikku mõju.
Selleks, et grafeeni pinnale seonduksid erinevad gaasimolekulid, tuleb sellele lisada molekulaarseid rühmi või materjali lisakihte, mis täidavad retseptori rolli (st pinda funktsionaliseerida). See on olnud projektis Tartu Ülikooli töörühma üks peamisi suundi. Üliõhukeste retseptorkihtide kandmiseks grafeenile kasutame tehnikat, milles soovitud materjal (põhiliselt erinevad metalloksiidid) pihustatakse laserimpulssidega aatomiteks, mis kogutakse vajalikus hulgas (tavaliselt 1–10 aatomkihti) grafeenisensorile. Nii luuakse kihiline struktuur, milles metalloksiid on retseptor ja grafeen ülitundlik muundur, mis „tõlgib“ keemilise info mikroprotsessorile arusaadavaks elektrijuhtivuse muutusteks.
Kunstnina ja tehisaru
Kogu gaaside ja lõhnade maailmas sisalduvat rikkalikku teavet on tehnoloogias tugevalt alakasutatud. Põhjus pole sellise info ebaolulisus inimtegevuses, vaid nanotehnoloogia ebaküpsus gaaside ja lenduvate ühendite mikrosensorite loomiseks. Keemiliste sensorite kogutud andmete põhjal on võimalik vähendada saastest tingitud enneaegsete surmade arvu, anda märku otsesest ohust elule ja tervisele ning kõige üldisemalt võttes parandada elukvaliteeti ja kohaneda paremini meie kiiresti muutuvas maailmas.
Kuigi grafeeni ja teiste nanomaterjalide elektrijuhtivusel põhinevad sensorid on tõendanud oma suurt tundlikkust erinevate gaaside tuvastamisel, peetakse üldiseks probleemiks nende vähest selektiivsust: lisaks sihtmolekulile on materjalid suuremal või vähemal määral tundlikud ka teiste keskkonnas olevate molekulide suhtes.
Elektrooniline nina töötab inimninaga sarnasel printsiibil. Meie ninas on umbes 400 erisugust retseptorit, mille abil eristame tohutul hulgal lõhnu – on hinnatud, et retseptorite arvust üle kümne miljardi korra rohkem. Need retseptorid ei tunne ära kindlaid molekule, vaid reageerivad erisugustele molekulaarrühmadele. Kõikidelt retseptoritelt pärinevad signaalid sünteesitakse konkreetseks lõhnaaistinguks alles ajus.
Elektrooniline nina koosneb hulgast sensorelementidest, millest igaüks reageerib teatud moel kindlale gaasile või lenduvale ühendile, kuid võib mingil määral reageerida ka teistele ühenditele. Kui ühendada sellise sensormassiivi väljund tehisnärvivõrguga, on viimast võimalik treenida ära tundma erinevaid gaase ja nende segusid. Kasutades funktsionaliseeritud grafeenil põhinevat kunstnina ja pisikest tehisaru, oleme demonstreerinud õhukvaliteedi määramist saastegaaside väga väikeste kontsentratsioonide korral.1
Laborist pooljuhitööstusesse
Kahemõõtmelistel materjalidel on veel üks eelis: nad on tehnoloogiliselt suhteliselt hästi käsitletavad. Ühemõõtmelised materjalid, nagu süsiniknanotorud, on pinna suure osakaalu tõttu samuti head sensormaterjalid, kuid nende masstootmine ja ühildamine pooljuhttehnoloogiaga on palju keerukam. Selle peamine põhjus peitub 1D- ja 2D-struktuuride entroopia erinevuses. Proovige lahti harutada hunnikusse visatud köiepundart ja voodilina. Kumb on lihtsam?
Grafeeni integreerimiseks pooljuhitööstusesse, täpsemalt grafeenipõhise elektroonika, optoelektroonika ja sensorite väljatöötamiseks on Euroopa Komisjon ellu kutsunud eksperimentaalse katseliini projekti (2D-EPL). Katseliinil on juba käimas neljas kiipide valmistamise voor ja lipulaevaprojekti lõppedes selle rahastus jätkub.
Ülal: Grafeenil põhineva sensormassiivi signaalid edastatakse tehisnärvivõrku, mis treenituna väljastab õhukvaliteedinäitajaid.
All: Grafeenisensori prototüüp, ühe sensorelemendi skeem ning simuleeritud aatomstruktuur, mis sisaldab grafeeni, retseptorkihti ja sellele kinnitunud NO2 molekuli.
Joonised: Tauno Kahro, Martin Lind ja Pavel Rubin
Tartu Ülikooli füüsika instituudi sensortehnoloogiate ja kiletehnoloogia labori uurimisobjektide ja prototüüpide areng on olnud silmapaistev. Alustasime ühe sentimeetri suuruste käsitööna tehtud objektidega, eeltoodud joonistel kujutatud prototüübil on juba neli korda väiksemate sensorite nelik, ning projekti lõppedes on meil pooltööstuslikult valmistatud mõne millimeetri suurused sensorplatvormid, millel on 16 grafeeni väljatransistori koos mikrokuumutite ja juhtelektroonikaga. Piltlikult öeldes: kui alguses tuli jalgsimatkale kaasa võtta arbuus, siis nüüd saab tasku pista õuna, mille toiteväärtus on kümneid kordi suurem.
Oleme teinud koostööd põhiliselt kahe ettevõttega, kõrgkvaliteetse grafeeni tootjaga Graphenea ja Euroopa ühe suurema pooljuhtseadmeid valmistava firmaga Infineon Technologies AG. Hiljuti esitasime Ühendkuningriigi patenditaotluse „Gas sensing apparatus and method“ (nr 2308069.0, 30.05.2023) ja pärast seda on avaldamisele saadetud või saatmisel rida publikatsioone2.
Teadusasutuste ja tööstusettevõtete ulatuslik koostöö tulevikutehnoloogiate suurprojekti raames on toiminud tehnoloogia kiirendina, aidates Euroopal konkureerida ülemaailmsel teadusuuringute ja innovatsiooni turul. Seda tüüpi projektides osalemine on väga oluline ka Eesti riigile, nii rahvusvahelise koostöö tõttu Euroopa tippteaduskeskustega kui ka pooljuhitööstusega. Sensorite valdkonnas on Euroopa suurettevõtted üleilmsed liidrid ja meie koostöö mitme projektipartneriga jätkub. Oluline eesmärk on välja töötada sellised funktsionaliseerimismeetodid, mis sobivad e-nina masstootmiseks, ning arendada kiipidesse integreeritavat tehisaru.
1 M. Lind, V. Kiisk, M. Kodu, T. Kahro, I. Renge, T. Avarmaa, P. Makaram, A. Zurutuza, R. Jaaniso. Semiquantitative Classification of Two Oxidizing Gases with Graphene-Based Gas Sensors. – Chemosensors 2022, 10, 68.
2 M. Kodu, R. Pärna, T. Avarmaa, I. Renge, J. Kozlova, T. Kahro, R. Jaaniso. Gas sensing properties of graphene functionalized with ternary Cu-Mn oxides for e-nose applications. – Chemosensors 2023, 11, 460.
Raivo Jaaniso
TÜ materjaliteaduse ja rakendusfüüsika kaasprofessor, sensortehnoloogiate labori juhataja
Lisa kommentaar