Grafen - mladý a nedočkavý favorit

Vypadá jako dokonalá plástev, ale současně patří mezi nejpevnější na světě. Grafen, jedna z nejnověji popsaných forem uhlíku, je sice běžně označován jako materiál budoucnosti (např. pro čipy, biosenzory, solární články, aktivní membrány a další), v přírodě se však běžně nevyskytuje a vyrobit ho v požadovaném množství a kvalitě zůstává stále problémem. Definovat co nejpřesněji jeho vlastnosti pomáhá nyní zajímavá metoda, kterou používají vědci ze skupiny zabývající se přípravou a charakterizací nanostruktur vedenou Tomášem Šikolou z CEITEC VUT v Brně.

Jejich poznatky byly publikovány v časopise ACS Langmuir. O prestiži článku svědčí také to, že byl American Chemistry Society (ACS) vybrán jako tzv. Editors choice, tedy editorská volba, a byl tak určen pro svoji závažnost k volnému šíření. A zatímco tohoto úspěchu dosáhli brněnští vědci s pomocí zařízení, které si sami sestrojili a ve spolupráci s partnery ze zahraničí, nově již budou ve své práci pokračovat na unikátním spektrometru Qtac 100, instalovaném nyní ve sdílených laboratořích CEITEC VUT.

„V oblasti nanotechnologií nabývá pojem povrch extrémní důležitosti. Polovodičové technologie a nanotechnologie často umožňují úspěšně připravit povrchy, u kterých však přesně nevíme, jak skutečně vypadají. Příkladem mohou být některé zakončení křemíkových krystalů. Podobně je tomu s grafenem a jeho skutečnou realizací. Díky metodě rozptylu nízkoenergiových iontů (LEIS - Low Energy Ion Scattering) jsme dokázali najít cestu, jak analyzovat grafen, který je výjimečný tím, že je složený pouze z jedné vrstvy atomů, jak sledovat homogenitu jeho vrstvy a případnou kontaminaci,“ vysvětluje vedoucí autor článku Stanislav Průša.

Základ použité metody prvkové analýzy přitom není nikterak nový. Využívá stejné fyzikální principy jako známé experimenty Ernesta Rutherfora vedoucí k objevu atomového jádra. „Stejné zákony řídí i rozptyl kulečníkových koulí. Srážky projektilů s atomy zkoumaného vzorku jsou tak rychlé a intenzivní, že vazby se sousedními atomy nejsou schopny na kolizi včas zareagovat. Nadto vzájemná vzdálenost jader obou částí je při kolizi tak malá, že vliv elektronových obalů v prvním přiblížení zanedbat lze. Zatímco Rutherford musel používat radioaktivní zářiče, my máme iontové dělo, kde si částice (projektily) připravíme přesně takové, jaké je chceme a potřebujeme,“ přibližuje Průša podstatu analýzy, jejímž výsledkem je prvkové složení vzorku.

Metoda LEIS vyniká mezi ostatními extrémní citlivostí, dokáže velmi šetrně bez poškození analyzovat jen nejvrchnější vrstvu vzorku, a proto je velmi perspektivní. Získat například vrstvu grafenu je velmi obtížné – odebráním z grafitu vznikají omezené plochy, synteticky vytvořený grafen na měděné folii nebo niklu je zatím z technologického hlediska zase takřka nemožné oddělit bez vzniku defektů a kontaminace. „Naše práce je proto vůbec první publikace, kde se podařilo u grafenu odděleně analyzovat jeho kontaminaci na vrchní straně a kontaminaci přiléhající na stranu, kterou je grafen v kontaktu s podložním substrátem (v našem případě křemíkový krystal s vrstvou přírodního oxidu). Nadto je uhlík v grafenu metodou LEIS jednoznačně odlišen od uhlíku ve všudypřítomných organických a dalších kontaminacích a to na základě měření energiové závislosti míry neutralizace,“ doplnil Průša.

Spektrometr Qtac 100 využijí vědci při další optimalizaci technologie růstu CVD grafenu a v dalších aplikacích, vyžadujících analýzu citlivou pouze na jednu, tu nejsvrchnější atomovou vrstvu zkoumaného systému. Zařízení, jehož výrobcem je německá firma Ion Tof z Munsteru, je teprve devátým svého druhu na světě. Jako první vůbec je však součástí komplexní aparatury pro depozici a analýzu nanosystému. „Umožní nám to bez prodlení zjistit, zda krok, který jsme v syntéze nanosystému právě udělali, byl skutečně správný – anebo kde jsme udělali chybu,“ podotýká Stanislav Průša. Komplexní aparatura včetně spektrometru Qtac 100 bude instalována ve sdílených laboratořích CEITEC, kde mohou zařízení využívat kromě výzkumníků z VUT také vědci z Masarykovy a dalších univerzity a bude nabízeno i pro komerční analýzy.

(jih)

Témata