Zastosowanie grafenu

Przemysł półprzewodnikowy stanowi fundament dzisiejszej gospodarki opartej na nowoczesnych technologiach. Co więcej, na obszarze Europy przemysł ten zapewnia w sposób bezpośredni ponad 100 000 miejsc pracy oraz znacznie więcej w sposób pośredni. Powyższy stan rzeczy zawdzięczamy między innymi nieustannej miniaturyzacji technologii CMOS ('Complementary metal-oxide-semiconductor'), opartej na krzemie. Jednak technologia CMOS sprawdzi się jeszcze przez 10 do 15 lat.

Obecnie podstawowym wyzwaniem stojącym przed branżą TIK jest znalezienie alternatywnych rozwiązań w zakresie przetwarzania i magazynowania informacji, pozbawionych ograniczeń technologii CMOS. Wiele wskazuje na to, że to właśnie grafen pozwoli sprostać powyższym wyzwaniom. Co więcej, pomimo swej rewolucyjnej natury, grafen będzie raczej uzupełnieniem tradycyjnych technologii CMOS.

Grafen stanowi przedmiot bardzo intensywnych badań naukowych od czasu przełomowych eksperymentów, które przeprowadzili niespełna 10 lat temu na Uniwersytecie w Manchester laureaci nagrody Nobla z dziedziny fizyki z 2010 roku, profesor Andre Geim oraz Kostya Novoselov. Imponujące właściwości elektryczne grafenu być może pozwolą sprostać ograniczeniom fizycznym krzemu, pojawiającym się wraz z postępującą miniaturyzacją tranzystorów. Istnieje zatem nadzieja, że to właśnie grafen będzie rozwiązaniem "post-CMOS", niezbędnym w warunkach globalnej konkurencji.

Projekt flagowy GRAPHENE (1), który zainaugurowano w październiku 2013 roku, obejmuje wiele dziedzin nauki oraz ma na celu sprostanie szerokiej gamie wyzwań, począwszy od zbadania fundamentalnych właściwości grafenu, aż po jego produkcję. Potencjalne zagadnienia badawcze obejmują opartą na grafenie elektronikę, fotonikę, plazmonikę oraz mechanikę.

W powyższym projekcie flagowym, kierowanym przez Jari Kinareta, pracownika szwedzkiego Uniwersytetu Chalmers, uczestnicy 126 grup akademickich i przemysłowych z 17 krajów Europy oraz 136 głównych badaczy, w tym czterech laureatów Nagrody Nobla. Inicjatywa GRAPHEN, początkowo zaplanowana na 30 miesięcy i wsparta kwotą 54 milionów euro, obejmie dalsze 20-30 grup badawczych, w ramach otwartego wezwania do składania ofert projektowych w listopadzie , wartego około 9 milionów euro.

"Centralnym aspektem naszych prac jest oczywiście produkcja grafenu", stwierdził Jari Kinaret podczas inauguracji projektu. Kluczowe, potencjalne zastosowania obejmą szybkie układy elektroniczne i urządzenia optyczne, elastyczne mikroukłady, funkcjonalne i lekkie podzespoły, a także zaawansowane baterie. Przykłady nowych produktów, które prawdopodobnie bazować będą na grafenie, to między innymi giętkie i wytrzymałe urządzenia z branży elektroniki konsumenckiej, takie jak gazety elektroniczne oraz elastyczne, osobiste urządzenia komunikacyjne, a także lżejsze i bardziej energooszczędne samoloty. W perspektywie długoterminowej oczekuje się, że grafen otworzy drogę do nowych metod obliczeniowych, a także sprawi, że pojawią się nowe rozwiązania medyczne, np. sztuczna siatkówka.

Stawiając żagle: Grafen jako okręt flagowy FET

Projekty flagowe z zakresu "Przyszłych i wyłaniających się technologii" ('Future and emerging technologies' - FET), opisane przez wiceprzewodniczącą Komisji Europejskiej Neelie Kroes jako "ambitne przedsięwzięcia", to wizjonerskie, wielkoskalowe, naukowe inicjatywy badawcze, w ramach których stawia się czoła wyzwaniom naukowo-technicznym z różnorakich dziedzin. Te nowe instrumenty finansowania prac badawczych przez UE służą wspieraniu skoordynowanej współpracy realizowanej w ramach unijnych oraz krajowych i regionalnych programów badawczych, prowadzonych przez poszczególne państwa członkowskie. Instrumenty te są także bardzo ambitne, gdyż bazują na tworzeniu więzi pomiędzy wieloma dziedzinami, społecznościami oraz programami, dlatego wsparcie oferowane jest na 10 lat. Po zakończeniu pierwszego etapu prac, realizowanego w ramach obecnego, Siódmego Programu Ramowego UE (7PR), które zaplanowano na marzec 2016 roku, wysiłki będą kontynuowane w ramach programu "Horyzont 2020". Zakłada się, że każdy projekt flagowy uzyska wsparcie w wysokości 50 milionów euro na rok.

Inicjatywa GRAPHENE została wybrana jako projekt flagowy w następstwie konkursu, w którym uczestniczyło sześć projektów pilotażowych. Celem powyższych projektów było przeanalizowanie dziedzin badawczych charakteryzujących się największym potencjałem w zakresie zrównoważonych inwestycji. Jak powiedziała Komisarz Kroes: "To, czy Europa stanie się super potęgą wiedzy, zależy od opracowywania przełomowych rozwiązań oraz wykorzystywania najlepszych pomysłów. Jest to wyścig o wiele miliardów euro, w którym nagradza się nowatorskie badania i który dowodzi, że dzięki ambicjom Europa może być liderem w tym zakresie".

W ramach projektu pilotażowego dotyczącego grafenu, GRAPHENE-CA (2), badano sposób, w jaki rozwój tego materiału, bazującego na węglu, może przyczynić się do rewolucji informatycznej i przemysłowej. Podczas prac projektowych stworzoną kompleksowy plan naukowo-technologiczny, który ma stanowić podstawę strategii badawczej projektu flagowego GRAPHENE. Powyższy plan obejmuje elektronikę, spintronikę, fotonikę, plazmonikę oraz mechanikę, a także obszary takie jak produkcja i chemia grafenu. Właśnie dlatego powyższy projekt pilotażowy stał się projektem flagowym.

Obecnie projekt flagowy jest już realizowany i uczestniczy w nim duży i bardzo urozmaicony zespół badawczy . Wystarczy wymienić uniwersytety w Leuven w Belgii, Aalto w Finlandii, Lille i Strasbourgu we Francji, Bremie, Chemnitz, Dreźnie i Hamburgu w Niemczech, Janina w Grecji, Dublinie w Irlandii, Trieście we Włoszech, Minho w Portugalii, Barcelonie oraz Kastylii-la Mancha w Hiszpanii, Bazylei, Genewie i Zurichu w Szwajcarii, Delft oraz Groningen w Holandii, a także w Cambridge, Manchesterze i Oksfordzie w Wielkiej Brytanii. W pracach uczestniczą także politechniki oraz instytuty techniczne z Austrii, Danii, Francji, Niemiec, Grecji, Włoch, Polski, Hiszpanii, Szwecji oraz Szwajcarii. Co więcej, w projekt zaangażowani są również partnerzy przemysłowi, tacy jak Nokia, Thales, Alcatel Lucent, Philips Technology, Airbus oraz ST Microelectronics. Powyższa lista obejmuje zaledwie część organizacji uczestniczących w inicjatywie GRAPHENE.

Celem tych podmiotów jest przemienienie grafenu oraz powiązanych z nim materiałów warstwowych z przedmiotu badań akademickich w produkty użyteczne dla społeczeństwa, z nadzieją na zrewolucjonizowanie wielu gałęzi przemysłu oraz stymulację wzrostu gospodarczego i stworzenie nowych miejsc pracy w Europie.

"Zarówno Komisja Europejska, jak i partnerzy akademiccy i przemysłowi inicjatywy GRAPHEN, posiadają wspólny cel. Jest to wyjątkowe, długoterminowe zobowiązanie, z którym z pewnością wiąże się wiele wyzwań", powiedział Carl-Christian Buhr, członek gabinetu Komisarz Kroes. "Musimy stworzyć takie ramy współpracy przemysłowej, które sprawią, że z pomysłów zrodzą się nowe produkty i nowe rynki. Właśnie taka idea przyświeca projektom flagowym".

Osiągnięcie powyższego celu wymaga zrealizowania wielu wzajemnie uzupełniających się etapów, takich jak:

- inicjatyw typu ERA-NET, np. FLAG-ERA (3), których celem jest wspieranie projektu flagowego w zakresie koordynacji krajowych inicjatyw badawczych dotyczących grafenu.
- szeregu inicjatyw z zakresu upowszechniania wiedzy na temat grafenu. Przykładowo Tydzień Grafenu jest corocznym forum, w którym uczestniczą setki naukowców, dzielących się swymi najnowszymi odkryciami z kolegami reprezentującymi przeróżne gałęzie nauki. Najbliższy tydzień grafenu odbędzie się w czerwcu 2014 roku w Goteborgu (Szwecja). Wydarzenie to ma pełnić rolę miejsca spotkań dla społeczności zaangażowanej w prace nad grafenem, umożliwiającego dyskutowanie potencjalnych, ekscytujących zastosowań praktycznych fundamentalnej nauki.
- Platforma Graphene Connect , ułatwiającej interakcję pomiędzy środowiskiem akademickim a biznesem, której celem jest zachęcanie naukowców do myślenia w nieszablonowy sposób, a przedstawicieli przemysłu do opracowywania produktów konsumenckich bazujących na grafenie. W ramach platformy odbędzie się szereg warsztatów przemysłowych, a także zostaną zorganizowanie sesje przeznaczone dla aniołów biznesu, przedsiębiorców oraz osób oferujących kapitał inwestycyjny. Powyższe sesje umożliwią omówienie potencjalnych możliwości inwestycyjnych dotyczących grafenu.
- Europejskiej szkoły zimowej na temat grafenu Graphene Study , która przyczyni się do rozwoju nowego pokolenia naukowców zajmujących się grafenem, a także ułatwi stworzenie bezpośrednich kanałów komunikacji pomiędzy młodymi naukowcami a podmiotami reprezentującymi środowiska akademickie i przemysłowe. Pierwsza z powyższych szkół zimowych będzie mieć miejsce w Alpach austriackich w dniach 2-7 lutego 2014 roku.

Wczesne wyniki

Niektóre z wcześniejszych prac badawczych, sfinansowanych przez UE, przynoszą już owoce. Przykładem może być projekt GRAND (4), zakończony w grudniu 2010 roku, którego uczestnicy sprawdzali, czy grafen zachowa swe unikalne właściwości jeśli stanie się częścią bazującego na krzemie procesu CMOS.

Inicjatywa GRAND, której przewodziła niemiecka firma AMO, miała na celu zweryfikowanie, czy grafen mógłby faktycznie wprowadzić tradycyjną technologię półprzewodnikową w erę "post-CMOS". Członkowie konsorcjum GRAND opracowali metody wytwarzania dwuwymiarowych nanostruktur grafenowych, o szerokości zaledwie 5nm, z myślą o zastosowaniu ich w podzespołach elektronicznych. Istotny element prac stanowiło udowodnienie, że takie podzespoły będą funkcjonować oraz że będą mogły być produkowane w sposób, który da się poszerzyć na skalę przemysłową.

Uczestnicy projektu zaprojektowali nowy rodzaj tranzystora, opisany przez nich w prestiżowym czasopiśmie "Applied Physics Letters”, który być może pozwoli otworzyć drogę do opartych na grafenie, szybkich urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.

W ramach projektu GRAND grafen zintegrowano także z nieulotnymi pamięciami, które można zminiaturyzować do rozmiaru cząsteczkowego - pamięć grafenowa o wymiarach zaledwie 1x1 nm przechowuje zapisane informacje nawet, gdy nastąpi przerwa w zasilaniu. Zespół projektowy wytworzył ponad 10 takich urządzeń, dowodząc tym samym skalowalności eksperymentu.

Z kolei uczestnicy inicjatywy CONCEPTGRAPHENE (5), której przewodził Uniwersytet Technologiczny Chalmers w Szwecji, pragnęli uwolnić potencjał drzemiący w osadzaniu cienkich warstw grafenu na podłożu z węgliku krzemu (SiC). Celem powyższych prac było opracowanie skalowalnych rozwiązań elektronicznych, które potencjalnie będzie można stosować w "spintronice" oraz w bardzo precyzyjnych urządzeniach pomiarowych. Zespół projektowy opracowywał metody wielkoskalowego wytwarzania "płytek" grafenowych, które prawdopodobnie umożliwią produkcję urządzeń elektronicznych o dużej gęstości z zastosowaniem pojedynczego podłoża krzemowego. Tego rodzaju technologie będą niezbędne podczas przemysłowej produkcji komponentów i urządzeń elektronicznych bazujących na grafenie w sposób kompatybilny z obecnymi technikami przemysłowymi.

Po zakończeniu prac projektowych, które miało miejsce we wrześniu 2013 roku, uczestnicy inicjatywy CONCEPTGRAPHENE stworzyli firmę, która będzie wytwarzać płytki grafenowe. Siedziba Graphensic AB znajduje się w Linköping (Szwecja). Graphensic AB wywodzi się z Uniwersytetu w Linköping i specjalizuje się w wytarzaniu jednolitych płytek grafenu o wysokiej jakości, na podłożu z węglika krzemu, z zastosowaniem opatentowanego procesu osadzania grafenu w wysokie temperaturze. Jest to metoda, dzięki której powstają cienkie warstwy grafenu (nawet o grubości zaledwie jednego atomu) na podłożu SiC.

Więcej przełomowych rozwiązań

Jednak grafen nie jest jedynym materiałem, który być może pozwoli zrewolucjonizować elektronikę. Uczestnicy projektu 2D-NANOLATTICES (6), który zakończy się w maju 2014 roku, opracowują podobne do grafitu struktury siatek cząsteczkowych, bazujące na innych pierwiastkach. W tych "nano-sieciach" również drzemie duży potencjał w zakresie otwarcia wrót do produkcji coraz mniejszych i coraz bardziej wydajnych urządzeń nano-elektronicznych. Przykładowo, jeśli istnieje silicen (lub "germanen"), czyli krzemowe oraz germanowe odpowiedniki grafenu, to być może materiały te okażą się bardziej kompatybilne ze stosowanymi obecnie procesami obróbki krzemu.

Pod przewodnictwem Krajowego Centrum ds. Badań Naukowych 'Demokritos' w Atenach (Grecja) uczestnicy projektu 2D-NANOLATTICES pragną zbadać krzem i german, w celu udowodnienia, po raz pierwszy w historii, że silicen istnieje. Dzięki naprzemiennym, luźno ze sobą powiązanym warstwom, z których każda składałaby się z tylko jednej warstwy atomów, ten nowy materiał być może znajdzie zastosowanie w bramkach oraz w innych komponentach budujących nowe, zminiaturyzowane półprzewodniki dwuwymiarowe.

Być może wciąż mamy do czynienia z wczesnym etapem prac, jednak wydaje się, że stoimy u progu rewolucji w zakresie wytwarzania urządzeń elektronicznych, a także w zakresie ich możliwości. Jeśli tak jest, to podobna rewolucja czeka europejski przemysł nowoczesnych technologii oraz europejską gospodarkę.

Projekty opisane w niniejszym artykule uzyskały wsparcie na rzecz badań naukowych w ramach Siódmego Programu Ramowego (7PR).

(1) "Grafenowe rewolucje w branży TIK oraz w innych dziedzinach" ('Graphene-based revolutions in ICT and beyond')
(2) "Urządzenia nano-elektroniczne oparte na grafenie" ('Graphene-based nanoelectronic devices')
(3) "Inicjatywa ERA-NET wspierająca projekt flagowy” ('A flagship-supporting ERA-NET')
(4) "Nowe koncepcje w elektronice: epitaksjalne płytki grafenowe" ('New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene')
(5) "Działanie na rzecz koordynacji grafenowej rewolucji w dziedzinie TIK oraz w innych branżach" ('Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond')
(6) "Silnie anizotropowe, podobne do grafitu półprzewodniki/dielektryki w formie dwuwymiarowych nano-sieci" ('Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices').

Hiperłącza do projektu w serwisie CORDIS:

- 7PR w serwisie CORDIS
- informacje na temat projektu flagowego GRAPHENE w serwisie CORDIS
- informacje na temat projektu GRAPHENE-CA w serwisie CORDIS
- informacje na temat projektu GRAND w serwisie CORDIS
- informacje na temat projektu CONCEPTGRAPHENE w serwisie CORDIS
- informacje na temat projektu 2D-NANOLATTICES w serwisie CORDIS

Odnośniki do stron internetowych projektów

- strona interenetowa projektu "Grafenowe rewolucje w branży TIK oraz w innych dziedzinach" - 'Graphene-based revolutions in ICT and beyond'
- strona internetowa projektu "Działanie na rzecz koordynacji grafenowej rewolucji w dziedzinie TIK oraz w innych branżach" - 'Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond'
- strona internetowa projektu "Urządzenia nano-elektroniczne oparte na grafenie" - 'Graphene-based nanoelectronic devices'
- strona internetowa projektu "Nowe koncepcje w elektronice: epitaksjalne płytki grafenowe" - 'New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene'
- strona internetowa projektu "Silnie anizotropowe, podobne do grafitu półprzewodniki/dielektryki w formie dwuwymiarowych nano-sieci" - 'Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices'

Odnośniki do powiązanych wiadomości i artykułów:

- 'Prezentacje projektów - Poznajcie pionierów przyszłych i wyłaniających się technologii
- Komunikat prasowy KE: Projekty 'Graphene' oraz 'Human Brain' laureatami największej w historii nagrody za doskonałość naukową
- Komunikat prasowy dotyczących inauguracji projektu flagowego GRAPHENE

Inne hiperłącza:

- strona internetowa Agendy Cyfrowej Komisji Europejskiej