Magia kryształów 2D – grafen i inne materiały warstwowe dla nanotechnologii

Czy można stworzyć materiał o grubości zaledwie jednego atomu? Jakie właściwości zyskuje kryształ, gdy z trójwymiarowej bryły pozostaje tylko pojedyncza warstwa? I dlaczego zwykła taśma klejąca odegrała tak ważną rolę w rozwoju współczesnej nanotechnologii?

Prof. Andrzej Wysmołek opowiada o kryształach dwuwymiarowych, czyli niezwykle cienkich materiałach, których grubość mierzy się w pojedynczych warstwach atomów. Najbardziej znanym z nich jest grafen – warstwa atomów węgla ułożonych w strukturę przypominającą plaster miodu.

Przez wiele lat grafen traktowano głównie jako teoretyczny model pomagający opisywać właściwości grafitu. Przełom nastąpił, gdy udało się oddzielić pojedyncze warstwy za pomocą taśmy klejącej i umieścić je na podłożu. Okazało się, że materiał ten jest wyjątkowo wytrzymały, bardzo dobrze przewodzi prąd, pozostaje niemal przezroczysty, a poruszające się w nim elektrony zachowują się inaczej niż w typowych materiałach.

Odkrycie grafenu otworzyło drogę do badań nad całą rodziną kryształów 2D. Należą do nich między innymi disiarczek molibdenu, używany wcześniej jako smar odporny na wysokie temperatury, oraz azotek boru. Po rozdzieleniu na atomowo cienkie warstwy materiały te mogą pełnić funkcję półprzewodników, izolatorów, przewodników, a nawet nadprzewodników.

Prof. Andrzej Wysmołek pokazuje, że warstwy różnych materiałów można układać jedna na drugiej niczym klocki. Grafen może przewodzić prąd, disiarczek molibdenu działać jako półprzewodnik, a azotek boru zapewniać izolację. W ten sposób powstają złożone struktury kwantowe o właściwościach, których nie ma żaden z materiałów występujący osobno.

Dlaczego pojedyncza warstwa może świecić znacznie intensywniej niż gruby kryształ? Jak liczba warstw wpływa na właściwości elektryczne i optyczne materiału? Czy z kryształów 2D można budować tranzystory o grubości pojedynczego atomu?

Wykład przedstawia także ograniczenia dalszej miniaturyzacji tradycyjnej elektroniki. Współczesne układy zawierają miliardy coraz mniejszych tranzystorów, ale nie można zmniejszać ich bez końca. Materiały dwuwymiarowe mogą pomóc tworzyć cieńsze i bardziej energooszczędne elementy elektroniczne.

Możliwe zastosowania kryształów 2D obejmują elastyczne i przezroczyste wyświetlacze, elektronikę, którą można zginać lub zwijać, niezwykle małe tranzystory, czujniki, źródła światła oraz nowe rozwiązania dla energetyki i nanotechnologii. Aby mogły trafić do powszechnego użytku, naukowcy muszą jednak opracować metody wytwarzania dużych, jednorodnych warstw o kontrolowanych właściwościach.

Prof. Andrzej Wysmołek prezentuje również badania prowadzone na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i pokazuje, jak studenci, doktoranci, fizycy i chemicy wspólnie tworzą oraz badają nowe materiały.

Prof. Andrzej Wysmołek – fizyk doświadczalny, profesor nauk fizycznych, specjalista w zakresie fizyki ciała stałego. Pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. W latach 2008–2016 był prodziekanem Wydziału Fizyki UW do spraw studenckich.

Wykład został nagrany podczas Dnia Odkrywców Kampusu Ochota Uniwersytetu Warszawskiego 11 kwietnia 2023 roku.

#grafen #nanotechnologia #kryształy2D #materiały2D #fizykaciałastałego #elektronika #tranzystory #półprzewodniki #disiarczekmolibdenu #azotekboru #fizykakwantowa #UniwersytetWarszawski #DOKO #Wszechnica