Jekaterina Kozlova (keskel) on esimene füüsika instituudi üliõpilane, kelle doktoritöö keskendub grafeeni valmistamisele ja uurimisele.
FOTO: Andres Tennus

21. sajandi imematerjal on grafeen

Teadus

28. jaanuaril kuulutas Euroopa Komisjon välja läbi aegade suurima uurimistoetuse tulemused. Üks kahest superprojektist, mida lähema kümne aasta jooksul rahastatakse miljardi euroga, hakkab tegelema grafeeni kui revolutsioonilise süsinikupõhise materjali omaduste uurimise ja kasutuselevõtuga.

Grafeeni füüsikaliste ja keemiliste omaduste kombinatsioon on erakordne. Ühe aatomkihi paksune materjal on kõige õhem senituntutest, sellel on vasest palju parem elektrijuhtivus, see on terasest 100–300 korda tugevam ning selle optilised omadused on unikaalsed.

Grafeeni loodetakse kasutada näiteks päikesepatareide, akude, valgusdioodide, puutetundlike ekraanide, fotodetektorite, laserite ja mitmesuguste kaitsekatete valmistamisel.

Grafeeni kasutuselevõtt 2004. aastal sai teoks tänu Euroopa teadlastele ning võib loota, et sellest saab 21. sajandi imematerjal, nagu oli plast 20. sajandil.

«Euroopa mastaabis on see harukordne, ühele projektile enamasti nii palju raha ei anta,» kinnitab materjaliteaduse vanemteadur Harry Alles, kes on üks TÜ grafeeniprojektide juhtidest. Teisalt märgib ta, et kuna raha jagatakse projektis osalevate paljude uurimisrühmade vahel ära, ei ole iga rühma rahastatus eraldi võttes väga suur.

Kuigi Tartu teadlased ei ole suurprojekti alustava 74 partneri hulgas, osalesid nad grafeeniprojekti ettevalmistamisel küll  ja tänu TÜ-s väljaarendatud materjalitehnoloogiale on neil head võimalused projektiga juba lähiaastatel ühineda.

Tahkisetehnoloogia professori Jaan Aariku sõnul on grafeeniuuringud väga perspektiivikas ala ja seda eriti elektroonikas, kus on siiani materjalina kasutatud räni. Kuna aga elektroonikaseadmete komponendid muutuvad üha väiksemaks, tuleb leida mõni muu toimiv materjal.

«Arvatakse, et grafeen on üks materjal, mis võiks räni asendada. Grafeen on ühe aatomkihi paksune ja tänu sellele on grafeenil väga erilised omadused, mida teistel materjalidel üldse ei pruugi olla,» seletab Aarik.

Näiteks arvatakse, et grafeeni saab kasutada väga hea pinnakattena, mis hoiaks eemale rooste ja niiskuse. Seda võimaldab materjali keemiline inertsus ja see, et grafeen on hea gaasibarjäär. Pealegi on paljude kaitsekatete puhul oluline ka see, et grafeen on hea elektrijuht. Et õhuke materjalikiht on ümbritseva keskkonna suhtes ka väga tundlik, võib grafeeni kasutada mitmesugustes sensorites.

Tugev ja tundlik materjal

«Väidetakse, et grafeen võib ära tunda ka üheainsa molekuli, kui see tema pinnaga kokku puutub,» toob Aarik näiteks. Lisaks saab grafeenil põhinevate sensoritega määrata nii mehaanilisi pingeid, rõhku kui ka magnetvälja.

Kuna grafeeni kattematerjalina kasutades ei piisagi paljudel juhtudel ühest aatomkihist, segatakse grafeenihelbeid ka mitmesuguste polümeeridega, et nende materjalide omadusi paremaks muuta. Samas võib teiste ainetega segamine tähendada grafeeni enda omaduste halvenemist.

Üks põhiprobleeme, millega teadlased tegelevad, ongi küsimus, kuidas siduda grafeeni teiste ainetega nii, et kõik selle head omadused säiliks. Näiteks otsitakse lahendust, kuidas kasutada seda materjali tulemuslikult erisugustes elektroonikaseadistes.

Harry Allese kinnitusel on grafeen toatemperatuuril parim teadaolev elektrijuht. «Kui see aga mingi teise pinnaga kontaktis on, siis grafeen enam nii hästi elektrit ei juhi,» toob ta välja probleemi. Grafeenil põhinevad elektroonikaseadmed oleksid tehnilise progressi mõttes väga suur samm, sest materjali hea elektrijuhtivus peaks tähendama ka väiksemat energiatarbimist.

Kuna grafeen on ka läbipaistev ja painduv, võiks seda kasutada näiteks läbipaistvate elektroonikaelementide loomisel, eriti uute ekraanide tootmisel. «Grafeen võimaldaks kaugemas tulevikus kas või tugeva e-paberi loomist, mida saaks vajaduse korral rulli keerata ja taskusse panna,» räägib Alles.

Sarnaste puutetundlike ekraanide prototüübid olid eksperimentaallaborites valmis tegelikult juba peaaegu kolm aastat tagasi. Samuti on grafeeni kasutatud ka eriti vastupidava printeritindi loomisel. Kuigi printeritint võiks juba isegi letikaup olla, võtab teadlaste hinnangul grafeenil põhinevate elektroonikaseadmete laiatarbekaupadeks saamine vähemalt paar aastat.

«Eelmisel suvel ilmunud ülevaateartiklis hinnati, et esimesed grafeenist puutetundlikud ekraanid võiksid poelettidel olla kõige varem 2015. aastal. Aga grafeenielektroonika on ikkagi veel mägede taga, kuigi tööd selles suunas tehakse,» ütleb Alles.

Jaan Aarik selgitas, et oma osa nii kaugele jõudmisel on masinate loomisel, mis üldse võimaldaksid grafeeni liinitöö põhimõttel toota. Just sellise tehnoloogilise edasimineku kiirendamine ongi ilmselt grafeeniprojekti Euroopa tasemel suure toetuse mõte.

Võimalused revolutsiooniliseks arenguks

Esialgu võivad grafeenil põhinevad seadmed olla küll väga kallid, sest tootmiskulud tuleb tasa teenida. Samas on grafeeni suur eelis see, et materjal põhineb süsinikul, mida leidub väga palju igal pool.

Just süsinikul põhinevad uued materjalid ongi viimase sajandi jooksul saanud järjest populaarsemaks ja nende uurimise eest on jagatud ka mitmeid Nobeli teaduspreemiaid. 1980. aastate teises pooles muutusid kõigepealt populaarseks fullereenid.

«Fullereeni võib ette kujutada jalgpallina, kus iga lapi ristumiskohas paikneb süsinikuaatom. Kokku on seal 60 aatomit ja fullereeni enda läbimõõt kuskil nanomeetri suurusjärgus,» kirjeldab Aarik. Järgmisena hakati 1990. aastate alguses tegelema nanotorudega, mis on põhimõtteliselt sarnane materjal, aga aatomid moodustavad seal torusid. 2000. aastad tõid endaga kaasa aga tasapinnalise süsiniku – grafeeni.

Aariku sõnul tehti esimene grafeen täiesti koduste vahenditega. «Kujutage ette, et võtate tavalise hariliku pliiatsi südamiku ja tõmbate selle pinnalt kleeplindiga üle. Kui kleeplindile jäänud grafiidiosakesi sama kleeplindiga järjest poolitada, jääb kleeplindi pinnale lõpuks grafeenikiht. Just niimoodi saadakse siiani kõige paremate omadustega grafeeni!» muigab teadlane.

Esialgsed grafeeni saamise katsed ja nende tulemustel põhineva teadusartikli tegid Manchesteri ülikooli uurimisrühma teadlased aastatel 2003‒2004. Praeguseks on aga leitud juba mitmeid väga erinevaid mooduseid, kuidas valmistada pooltööstuslikult laiapinnalisi grafeenikilesid. 2010. aastal jagasid grafeeni avastajad Andre Geim ja Konstantin Novoselov füüsika Nobeli preemiat, mis anti teadlastele murranguliste grafeeniga seotud eksperimentide eest.

«Pärast esimese artikli avaldamist algas korralik grafeeniuuringute buum, ka nanotorude uurijad on hakanud grafeeniga tegelema. Meie saime veidi pärast buumi puhkemist teemaga kaasa ja seega rongist päris maha ei jäänud,» lisab Alles.

Just Harry Alles oligi esimene TÜ teadlane, kes grafeeniga tegelema hakkas. Koostöös praeguse Aalto ülikooliga Soomes hakati 2008. aasta lõpus Tartu ülikoolis välja töötama tehnoloogiat õhukeste dielektrikukihtide sadestamiseks grafeenile. Selline materjalide kombinatsioon on vajalik eelkõige grafeenil põhinevate elektroonikaseadmete valmistamiseks.

Mõned aastad pärast seda, 2011. aasta alguses valmis füüsika instituudis ka seade, millega saab aurufaasist grafeeni keemiliselt sadestada. Grafeen sadestatakse õhukestele vaselehtedele, hiljem pannakse grafeenile kiht mingit polümeeri, näiteks materjali, millest tehakse pleksiklaasi. Kui polümeer on piisavalt tahkestunud, söövitatakse vask, grafeen tõstetakse ränialustele ning lahustatakse omakorda polümeer grafeeni pealt ära.

«Kogu see tegevus nõuab kannatust ja oskust. Alati on oht, et midagi jääb järgi kas vasest, vasesöövitajast või polümeerist, mis võib grafeeni omadusi mõjutada,» seletab Aarik ja lisab, et oma rolli mängib ka see, et grafeen hakkab vaskplekile sadestuma juhuslikes kohtades.

Arendatakse grafeenitehnoloogiaid

Palju oleneb sellest, kui kaugel on üksteisest  tekkima hakkavate grafeenilaikude tsentrid, milline on masinas rõhk ja temperatuur ning kuidas need nii alusmaterjali kui ka grafeeni teket mõjutavad. Kui mitmest kohast tekkivad grafeenilaigud kokku saavad, ei pruugi need omavahel sobida ning liitekohtadesse tekivad mitmekihilised alad või jäävad hoopis tühimikud.

«Teisisõnu tekib selline grafeen, mis ei ole ühtlane, vaid nagu laastukatus: lipp lipi ja lapp lapi peal,» toob Aarik võrdluseks. See tähendab aga, et grafeen ei toimi ühtlase materjalina, liitekohad muudavad materjali omadusi oluliselt ja see ei pruugi enam ootuspäraselt käituda.

Seepärast püüavad ka Tartu teadlased grafeeni valmistamise tehnoloogiat paremaks teha ja arendada tehnilisi võimalusi, mis lubaks grafeeni rakendada keerukamates seadmetes. Ka siis, kui leitaks selline alusmaterjal, kus aatomite paiknemine on grafeeniga võimalikult sarnane, oleks palju kergem saada tasapinnalist ühekihilist grafeeni.

Merilyn Merisalu

UT peatoimetaja
merilyn.merisalu@ut.ee

Jaga artiklit