Kristalræktendurnir á bak við grafenbyltinguna

Í mörg ár voru Takashi Taniguchi og Kenji Watanabe eins og flestir aðrir eðlisfræðingar og unnu tiltölulega óþekktir umheiminum. Parið rannsakaði kristalla í rannsóknarstofu sinni við National Institute for Materials Science nálægt Tókýó í Japan.

Svo, næstum á einni nóttu, slógu þeir í gegn. Þeir höfðu verið að rækta kúbikkristalform af bórnítríði sem hefur sömu þrívíddarbyggingu og demantur. Einn daginn, af forvitni, rannsökuðu þeir aðra tegund af bórnítríð kristal sem stundum óx sem aukaafurð í rannsóknarstofu þeirra – flatt, tvívítt form.

Með því slógu þeir óvart gull. Það er vegna þess að um þetta leyti var annað tvívíddarefni farið að mynda bylgjur. Grafen, myndað úr lak af kolefni sem er aðeins eitt atóm þykkt, var kallað „undurefni“ vegna þess að það er frábær leiðari, sterkari en demantur og léttari en pappír. Innstreymi grafenrannsókna hófst þar sem reynt var að nýta þetta efni sem best.

Vandamálið var að til að rannsaka grafen þarf eitthvað mjög flatt með réttu eiginleikana til að festa þunnu plöturnar á. Lausnin, það kom í ljós, var einmitt aukaafurð kristallarnir Taniguchi og Watanabe höfðu verið að rannsaka.

Háhreinir 2D bórnítríð kristallar þeirra eru, með víðtækri samstöðu, þeir bestu í heimi. Í dag er það sem einu sinni var úrgangsefni afhent öllum á grafensviðinu til að gera tímamótarannsóknir kleift og eru vísindamennirnir tveir meðhöfundar að meira en 1000 rannsóknum. Þeir sögðu Visiris hvernig þeir slípuðu iðn sína, fundu sig í miðju efnisbyltingar og urðu eftirsóttustu kristalræktendur heims.

Anna Demming: Byrjum á grunnatriðum. Hvað er kristal?

Kenji Watanabe: Kristall er fast efni þar sem frumeindunum er raðað í endurtekið mynstur. Þetta hefur áhrif á hvernig rafeindirnar hegða sér, sem getur leitt til áhugaverðra rafrænna og sjónrænna áhrifa.

Hverjir voru fyrstu kristallarnir sem þú rannsakaðir?

Takashi Taniguchi: Ég byrjaði að vinna við að búa til demantur. Demantur er ekki bara gimsteinn heldur er hann líka mjög hart efni og hálfleiðari – eitthvað sem leiðir aðeins rafmagn ef rafeindirnar [í því] hafa næga orku til að „kveikja á“. Demantur hefur breitt bandbil – lágmarksorka sem þarf fyrir rafeindir til að fara í gegnum efnið og búa til straum. Svona hegðun er gagnleg fyrir tæki, svo fyrirtæki um allan heim eru að búa til demanta, ekki bara fyrir skartgripi, heldur fyrir hálfleiðara.

Hvernig fórstu frá demanti yfir í það sem þú ert nú þekktur fyrir, bórnítríð?

TT: Demantur er úr kolefni, en næst kolefni á lotukerfið er bór á annarri hliðinni og köfnunarefni á hinni. Þetta þýðir að bór og köfnunarefni, þegar þau eru sett saman, sameinast og mynda svipaða uppbyggingu og kolefni, sem kallast bórnítríð. Ég áttaði mig á því að á meðan það voru margar rannsóknargreinar sem greindu frá demantum, þá var ekki svo mikið um bórnítríð, svo það var mikið pláss fyrir frekari rannsóknir.

KW: Ég hafði verið að rannsaka eiginleika hálfleiðara fyrir rafeindatækni með miklum krafti. Bórnítríð og demantur lofuðu góðu en erfitt var að finna stóra kristalla af þessum efnum.

Hvað gerir góðan kristal?

TT: Demantur ætti að vera litlaus. En manngerður demantur [með háþrýstitækni] er alltaf gulur. Þetta er vegna þess að það eru köfnunarefnisatóm í því. Það er sama ástandið með bórnítríð: ef við viljum hágæða bórnítríð þurfum við að fjarlægja óhreinindi eins og kolefni og súrefni. Svo mikil gæði þýðir hár hreinleiki.

Hvernig bættir þú færni þína til að rækta kristal?

TT: Við lærðum mikið um ræktun kúbiksbórnítríðs úr demantamyndun. Grafít, lauslega bundin kolefnislög sem raðað er í sexhyrnt kristalmynstur, breytist í demantur með réttum efnum og háþrýstingi. Það sama gerist fyrir bórnítríð.

Við byrjuðum á sexhyrndum bórnítríði, sem er fáanlegt í dufti, og með vökvapressu, mjög stórri, beittu um 30.000 tonna þrýstingi. Við þurftum að finna réttu leysiefnin til að leysa upp sexhyrnt bórnítríð og búa svo til kúbíska bórnítríð kristalla. Þegar við gerðum það tók það langan tíma að vaxa kristalinn – um fimm daga. Ég prófaði mörg efni með prufa og villu og fann loksins að það var mjög gagnlegt að setja baríum í leysirinn. Þetta var lykillinn.

Í dag eru kristallarnir sem þú vinnur með oftast ekki kúbikaðir, heldur raðað í flatt, sexhyrnt mynstur. Hvað varð til þess að þú breyttir athyglinni?

TT: Upphaflega var þetta svona aukaafurð. Þegar við ræktuðum kúbikbórnítríðið var sexhyrnt bórnítríð einnig framleitt, aðeins miklu meiri hreinleika og með stærri kristalstærð en upphafsduftið sem fæst í verslun.

KW: Ég varð forvitinn vegna þess að á þeim tíma voru ekki margar greinar sem sögðu frá bandbilinu og lýsandi eðli sexhyrndra bórnítríðs.

Hvernig leiddi það til víðtækari athygli á kristöllum þínum?

TT: Við gáfum út nokkrar greinar um sexhyrnt bórnítríð og ljóma þess og á heimasíðu rannsóknarstofunnar vorum við með mynd af kristöllum okkar. Þeir voru ekki stórir, kannski 1 millimeter á lengd, en þannig komust aðrir að því að við vorum að búa til þessa kristalla. Ef Kenji hefði ekki uppgötvað þennan [lýsandi] þátt sexhyrndra bórnítríðs, hefði kannski ekkert af þessu gerst.

Á þeim tímapunkti hafði grafen nýlega fundist. Hvers vegna var þetta svona mikilvægt fyrir vinnu þína?

TT: Grafen er einlaga efni. Vegna þessa var stóra spurningin á þeim tíma hvað við gætum sett það á til að rannsaka það? Þetta var stórt mál fyrir 2D efnissamfélagið vegna þess að frumeindaeinlag eins og grafen er mjög viðkvæmt. Ef þú setur það á eitthvað sem er ekki slétt, verður það auðveldlega fyrir áhrifum.

Sexhyrnt bórnítríð er breitt bandbil efni, svo þú getur sett grafen á það og það verður ekki fyrir áhrifum, þar sem yfirborð kristalsins er atómslétt og það er enginn rafmagnsleki. Þetta var þegar þekkt efni, en vandað kristalla var erfitt að fá.

Eftir að við höfðum birt niðurstöður okkar um sexhyrnt bórnítríð hafði Changgu Lee , þáverandi nýdoktor við Columbia háskólann í New York, samband við mig. Hann bað okkur að útvega einn af kristallunum okkar vegna þess að hann vildi mæla vélrænan eiginleika grafens á honum.

Hvað gerðist næst?

TT: Á þeim tíma vissi enginn hvort hægt væri að sameina tvenns konar atómlag. Lee birti skýrslu sína. Og svo, ári eða svo seinna, voru tveir aðrir ungir krakkar í Kólumbíu sem vildu nota kristallana okkar sem undirlag, svo við sendum kristalla til þáverandi doktorsnema Andrea Young – nú prófessor við Kaliforníuháskóla í Santa Barbara – og Cory Dean – þá starfandi nýdoktor og nú prófessor við Columbia háskóla. Þegar þeir settu grafen á kristallana leit það mjög þægilegt út, það voru engin hangandi tengsl, atóm án tengifélaga, sem myndi hafa raf- og efnafræðileg áhrif á annan aðliggjandi kristal. Það var magnað. Þeir greindu frá þessu á ráðstefnu árið 2010. Það var hléið.

Kom eftirspurnin þér á óvart?

TT: Sem kristalræktandi var ég ánægður með að komast að því að kristallarnir okkar voru á einhvern hátt gagnlegir fyrir vísindasamfélagið, þó ég gæti ekki ímyndað mér eftirspurnina sem við fengum. Kristallarnir okkar voru ekki stórir, samt aðeins 1 millimetri eða svo – þeir litu nánast út fyrir að vera rusl miðað við aðra stóra kristalla. En fólk sem vann í tvívíddarefnum fann út hvernig ætti að vinna með þau og sviðið ólst upp út frá rannsóknum á efnum með svipaðar stærðir.

Hafa kristallarnir sem þú ræktar breyst í gegnum árin?

TT: Stærðin er sú sama, það hafa ekki verið miklar framfarir frá minni hlið í þeim efnum. Jafnvel 20 ár síðan við gerðum kristallana fyrst, þá er það enn aðeins 1 millimetri. En, til dæmis, upphaflega höfðu kristallar okkar, segjum, 10 hluta af milljón magni fyrir kolefni [óhreinindi], nú er það 10 hlutar á milljarð.

Er erfitt að ákveða til hvers á að senda kristalla eða geturðu sagt já við alla?

TT: Ég reyni að segja já við alla. Eitt mikilvægt er að stofnunin okkar er ríkisnámsstofnun, þannig að útflutningseftirlitsskrifstofan okkar tekur vandlega dóma með tilliti til hugsanlegra samstarfsaðila.

Heldurðu að eftirspurnin eftir þessum efnum haldi áfram?

TT: Í byrjun árs 2010, þegar fólk fór að biðja um kristallana okkar, sagði Andrea Young: „Þú ert orðinn mjög upptekinn gaur! Ég hélt að það gæti haldið áfram í tvö eða þrjú ár og síðan róast, en núna eru liðin 10 eða 15 ár.

Ár eftir ár koma nýjar niðurstöður í grafenrannsóknum. Hlutir eins og twistronics, sú hugmynd að ef þú leggir tvö grafenblöð ofan á hvort annað með snúningi í stefnunni, þá birtast nýir eiginleikar. Starfsemin á þessu sviði er ótrúleg. En hversu mikið lengur? Ég er ekki í aðstöðu til að segja það.

Ég held að hugmyndin um að nota sexhyrndan bórnítríð kristal fyrir tvívídd efniskerfa muni halda áfram, en ekki aðeins með kristöllum okkar. Það eru nokkrir yngri vísindamenn að skoða nýjar leiðir til að rækta sexhyrndir bórnítríð kristalla, með aðferð sem kallast stór svæðisútfelling. Ég hlakka til árangurs þeirra.

Hver er sú tækni?

KW: Útfelling á stóru svæði er þar sem atóm eru sett á yfirborð úr gufu eða vökva, til dæmis með efnahvörfum. Það er afar erfitt að fá sexhyrnt bórnítríð úr útfellingu á stóru svæði með svipuðum háum gæðum og kristalla ræktaðir undir háþrýstingi.

TT: Það eru þegar til nokkrar greinar um að rækta sexhyrnt bórnítríð á þennan hátt, en við verðum að bíða, við ættum ekki að flýta okkur. Ég trúi því að með tímanum muni þeir ná árangri.

Ertu að kenna yngri vísindamönnum aðferðir þínar?

TT: Eitt af vandamálunum við stofnunina okkar er aldur: unga fólkið hér er enn yfir 40 ára. Ég myndi vilja fá ungt fólk með. Nemendum sem stunda doktorsnám fer fækkandi og ég hef töluverðar áhyggjur af því.

Þegar þið hættið bæði, hvað verður um völlinn ef enginn tekur við?

TT: Við höfum verið opinská um hvernig eigi að búa til baríumleysi sem við notum til að búa til hágæða kristalla, það er ekki leyndarmál. Það er allt á opnum tjöldum, annað hvort í gegnum einkaleyfi eða dagbókarblað. Ég veit ekki hvers vegna það eru engin fyrirtæki sem framleiða þau ennþá. Sennilega myndi það ekki græða peninga!