Forsker udforsker potentialet af grafen

Forskning udført af professor ved Victoria University Uli Zuelicke bidrager til det globale kapløb om at frigøre grafenens potentiale, et nyt materiale taget fra grafit, som videnskabsmænd siger kunne være en game changer for nye elektroniske applikationer.

Grafen er et ark af kulstofatomer, der er arrangeret i et tæt bundet sekskantet gitter. Små fragmenter af det produceres, når grafit er slidt væk, som når man tegner en streg med en blyant, og det har næsten mirakuløse egenskaber.

Det atomtykke lag af grafen er det stærkeste materiale, der nogensinde er målt, såvel som det tyndeste (tre millioner ark grafen oven på hinanden ville være kun 1 mm tykt) og det stiveste. Det er en enestående leder af varme og elektricitet og absorberer kun omkring 2,3 procent af det lys, der passerer gennem den, gør det gennemsigtigt.

Forskere viste først, at enkelte lag af grafen kunne isoleres i 2004, og opdagerne blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2010.

Materialet er blevet udråbt som en mulig erstatning for silicium og en vej til et væld af hurtigere, billigere enheder inklusive fremtidens touchskærme. En vigtig fordel ved at lave berøringsskærme af grafen er at eliminere behovet for at bruge indium, som er et sjældent metal, der mangler.

"Graphen kan laves af kulstof, " siger professor Zuelicke, "som er et af de mest allestedsnærværende grundstoffer på jorden."

Men, han siger, grafens unikke egenskaber er hidtil stort set blevet demonstreret i lille skala, og meget mere skal vides, før det kan kommercialiseres.

Professor Zuelickes forskningsområde er at forstå, hvordan elektroner opfører sig i faste materialer som halvledere. Han undersøger i øjeblikket måder at matematisk modellere elektronernes egenskaber i grafen med det ultimative mål at finde ud af, hvordan man kan forudsige og påvirke deres bevægelse.

"Individuelle elektroner, som er mobile og fører strømmen gennem en halvleder, har kontraintuitive egenskaber, der tillader dem at bevæge sig gennem en matrix af atomer uden nogensinde at støde ind i dem. De ser ud til at være frie, selvom de er indeholdt i dette stramme net af atomer.

"Prisen, de betaler, er, at deres masse ændres af denne proces. Inden for rækken af ​​forskellige typer og kombinationer af atomer, et stort antal komplekse, nye strukturer er mulige. Det åbner døren til en lang række nye materialer, som hver især er som et nyt univers i forhold til, hvordan elektronerne opfører sig."

I grafen, siger professor Zuelicke, ændringen i den måde, elektroner opfører sig på, er dramatisk og i modsætning til, hvad der er blevet observeret i noget andet materiale.

"De kan ikke sætte farten op eller sænke farten eller nemt ændre retning. I det, de har de samme egenskaber som partikler (neutrinoer), der bevæger sig med lysets hastighed, men den konstante hastighed af elektronerne i grafen er kun omkring 1/300 af lysets hastighed. I bund og grund, elektronernes adfærd i grafen realiserer en langsom version af relativitet."

Professor Zuelicke siger, at disse egenskaber gør det muligt for forskere at observere og finde ud af mere om Einsteins relativitetsteori i nye omgivelser.

"For at teste vores forståelse af relativitet, vi er normalt nødt til at accelerere elektroner for at bringe dem tættere på lysets hastighed, men de meget langsommere elektroner i grafen opfører sig allerede som deres hurtige fætre i acceleratorer. De er et næsten ideelt testleje for interessante kvasirelativistiske effekter."

Arbejde med samarbejdspartnere i USA, Professor Zuelicke har næsten afsluttet fire års Marsden-finansieret forskning og har til hensigt at fortsætte med det teoretiske arbejde og de praktiske anvendelser af forskningen.

"Internationalt der er en enorm indsats fokuseret på måder at fremstille grafen på og forstå, hvad vi kan gøre med det."

Han siger at stable lag af grafen oven på hinanden eller variere størrelsen, sammensætning eller layout af materialearket kan skabe et væld af nye egenskaber.

"Vores forskning i dag er grundlaget for at komme op med et nyt paradigme for elektronik."