20 let s grafenem

Grafen, dvoudimenzionální alotrop uhlíku, vyvolal velkou vlnu pozornosti v roce 2004. Jak se tento význačný vědecký směr formoval, jaké byly jeho skutečné počátky, jaké byly slibované aplikace grafenu a co byl jen marketing, jaké jsou jeho skutečné aplikace a jakým směrem se ubírá dnešní výzkum?

Na dnes celosvětově známý materiál grafen se upřela pozornost v roce 2004. Příběh grafenové horečky začal články tří výzkumných skupin: K. S. Novoselova a A. K. Geima v Manchesteru, Waltera A. de Heera v Atlantě a Philipa Kima v New Yorku. Ukázka lineární disperze namísto parabolické či možnost hradlování polokovového materiálu (viz slovníček), to byly ve své době revoluční objevy. Připomeňme, že na začátku tisíciletí byl nejčastěji studovaný elektronový či děrový plyn v krystalech typu GaAs, CdTe a jim podobných polovodičů s parabolickou pásovou strukturou. Lineární disperze tak byla něco naprosto nevídaného, a proto vyvolala takový zájem vědecké komunity. V té době však nebylo snadné získat vzorky grafenu a na hmotnost na jednotku plochy byl grafen považován za jeden z nejdražších známých materiálů. Potíže s výrobou byly pravděpodobně důvodem, proč mnozí výzkumníci používali tzv. mechanicky exfoliované krystaly. Snadná metoda lepicí pásky byla nepochybně atraktivní cestou, jak získat vzorek jedinečného materiálu. Jak tedy grafenová horečka začala? Geim a Novoselov byli v oblasti uhlíkových materiálů poměrně neznámí a touto problematikou se zabývali spíše ve svém volném čase. Traduje se, že během pátečního odpoledne se nevěnovali seriózní vědecké práci, ale různým experimentálním hrátkám v laboratoři. A možná právě proto přišli s bláznivou myšlenkou exfoliovat monovrstvu grafenu z grafitu. Myšlenka exfoliace nebyla úplně nová. Tato metoda byla a stále je používána v laboratořích, kde je zapotřebí atomárně čistý povrch bez kontaminace vodou a dalšími vzdušnými adsorbenty. Byli však první, kdo se pokusili takto exfoliovanou vrstvu izolovat, a navíc mezi všemi exfoliovanými vrstvami nalézt monovrstvu. A to se jim skutečně podařilo.

Grafenový příběh vznikal paralelně na druhé straně Atlantiku. Tam skupina kolem profesora Waltera A. de Heera pracovala na uhlíkových nanotrubičkách na Georgia Institute of Technology již od roku 1995. V této oblasti probíhal již dlouhou dobu výzkum využití uhlíkové nanotroubičky v elektronice. Avšak elektronika uhlíkových nanotrubek měla stále daleko ke komercializaci kvůli potížím s dobře definovaným orientovaným růstem tohoto slibného jednodimenzionálního materiálu. Tak přišel nápad uhlíkové nanotrubičky rozbalit, čímž se zrodily grafenové nanoproužky. Patent na elektroniku založenou na grafenových nanoproužcích má právě W. A. de Heer, přičemž růst grafenu probíhá škálovatelně pomocí termální dekompozice (rozkladu) karbidu křemíku. Škálovatelnost růstu je hlavní výhoda tohoto tzv. epitaxního grafenu.¹⁾

Třetí skupinou zapojenou do rozmachu grafenu byl tým prof. Philipa Kima na Columbia University. Ten změřil neobvyklé chování kvantového Hallova jevu²⁾ a netriviální Berryho fázi (viz slovníček) v grafenu. A tím se výzkum již takříkajíc utrhl ze řetězu. Následovalo poukázání na analogii mezi chováním elektronů v grafenu a relativistickými nehmotnými částicemi popsanými Diracovou rovnicí. Možnost testování relativistických efektů, jako je Kleinovo tunelování v laboratorních podmínkách, byla lákavá. Unikátní lineární disperze vede k neobvyklému odmocninovému škálování Landauových hladin (viz slovníček) v magnetickém poli, což bylo středem zájmu spektroskopických vědeckých skupin. Optická propustnost grafenu, která závisí jen na základních fyzikálních konstantách, vědeckou komunitu fascinovala. Další unikátní vlastnosti, například velká mechanická pevnost, chemická odolnost, tepelná vodivost, gigantická Farradayova rotace, vysoká absorpce v terahertzové spektrální oblasti nebo dlouhá spinová relaxační doba, na sebe nenechaly dlouho čekat.