Před pouhými dvaceti lety se světu otevřela brána do fascinujícího světa grafenu – látky s jedinečnými fyzikálními vlastnostmi. Mezi ty, kdo se ponořili do jeho zkoumání, patří i Martin Rejhon z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Ve svém JUNIOR STAR projektu se zaměřuje na růst tří grafenových vrstev na sobě s cílem zajistit jejich využitelnost ve vývoji elektronických a optoelektronických zařízení.
Cesta ke grafenu
Grafen je speciální forma uhlíku, která má na výšku pouze jeden atom. Je tak 2D strukturou, která navíc nabízí ojedinělé fyzikální vlastnosti. Jedná se o materiál objevený poměrně nedávno, konkrétně v roce 2004, a v roce 2010 byla za něj udělena Nobelova cena. V tomto roce řešitel projektu JUNIOR STAR Martin Rejhon teprve nastupoval do bakalářského studia.
Výzkumu grafenu se věnuje od začátku doktorského studia. „Během doktorského studia jsem získal univerzitní grant na zkoumání světelných vlastností spojení karbidu křemíku [pozn. red.: sloučenina tvořená křemíkem a uhlíkem], označovaného jako SiC z anglického silicon carbide, a grafenu. Díky grafenu jsem se také dostal na stáž a později na postdoktorandský pobyt na New York University, kde jsem se zabýval mechanickými vlastnostmi 2D materiálů a jejich strukturálními změnami vyvolanými aplikovaným tlakem,“ popisuje doktor Rejhon svou cestu k výzkumu grafenu.
Kontrola atomárních vrstev grafenu
Při vysokých teplotách, dosahujících až 1700 °C, dochází k porušení kovalentních vazeb mezikřemíkem a uhlíkem karbidu křemíku, kdy křemík odlétá z povrchu, zatímco zbývající uhlík se začíná formovat do hexagonální struktury, tzv. včelí plástve, a utváří 2D materiál zvaný grafen.
V rámci svého projektu JUNIOR STAR se doktor Rejhon zaměřuje na přípravu více vrstev grafenu na sobě. „Abychom byli schopni kontrolovat uspořádání více grafenových vrstev, bude potřeba správně nastavit růstové podmínky, jako je teplota, čas, tlak a další. Na obrázku 1 je vidět práce s naší současnou růstovou aparaturou. V dolní části obrázku je patrný jasně bílý váleček, kde se ohřívá substrát SiC na vysoké teploty,“ vysvětluje svůj nelehký úkol řešitel projektu.
ABC uspořádání
Způsob, jakým jsou na sebe jednotlivé atomární vrstvy látek skládány, ovlivňuje jejich vlastnosti. Jeden způsob složení atomárních vrstev může z látky udělat izolant, zatímco jiný z ní vytvoří supravodič. Z tohoto důvodu je důležité mít nad způsobem uspořádání těchto atomárních vrstev kontrolu. „Náš výzkum bude primárně soustředěn na růst tří atomárních uhlíkových vrstev v ABC uspořádání, které má jedinečné vlastnosti vhodné pro aplikace v elektronice a optoelektronice. ABC uspořádání bohužel není nejběžnějším a v přírodě se více vyskytuje uhlík v ABA uspořádání nebo v úplně náhodném uspořádání,“ představuje hlavní oblast soustředění Martin Rejhon.
Součástí výzkumu bude příprava vzorků v ABC uspořádání, které vědci podrobně charakterizují a určí nejvhodnější parametry pro přípravu a složení grafenových vrstev. „Díky získanému grantu JUNIOR STAR pořídíme speciální mikroskop. Jeho princip si můžete zjednodušeně představit jako gramofon, kdy jehla jezdí po povrchu a zaznamenává výšku. Toto zařízení nám dovolí lokálně zkoumat elektrické, mechanické a další vlastnosti na škálách jednotlivých atomů až po mikrometry. Jakmile zvládneme růstovou etapu, pustíme se do vývoje elektronických a optoelektronických zařízení na ABC grafenu,“ dodává řešitel projektu.
Nové možnosti v elektronice a optoelektronice
Výzkumný tým si od projektu slibuje objevení nových možností využití grafenu v elektronice a optoelektronice. „Chceme například ukázat jeho možné využití jako detektoru dalekého infračerveného záření a záření v terahertzové oblasti. Tyto oblasti jsou v současnosti lákavé pro jejich využití v medicíně nebo bezpečnostních či komunikačních aplikacích,“ zmiňuje doktor Rejhon. Jedním z možných praktických využití výsledků bude nahrazení běžně používaného rentgenového záření, které je pro organismus škodlivé.
Mezinárodní tým z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy na výzkumu spolupracuje s americkými New York University a Sandia National Laboratories nebo italským institutem Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati.
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.