KIEMELKEDŐ EREDMÉNYEK MTA TTK MŰSZAKI FIZIKAI ÉS ANYAGTUDOMÁNYI INTÉZET Kémiai úton leválasztott grafén szemcsehatárainak jellemzése és a grafén atomi léptékű megmunkálása A grafén a közismert grafit egyetlen atom vastagságú lemeze. Atomi méreteiből számos különleges tulajdonság ered, amik esélyessé teszik a mikroelektronikában alkalmazott szilícium utódjának szerepére és fontos alkalmazásokat ígérnek a hajlékony érintőképernyők tömeges gyártásában is. A mindössze egyetlen atom vastag, nagy kiterjedésű lemezek költséghatékony kialakítása kémiai leválasztással történik réz hordozó felszínére. A Nanoszerkezetek Kutatócsoport kutatói elsőként mutatták meg, hogy kémiai leválasztással előállított grafénban a szemcsehatárok azért rontják le a grafén lemezek elektromos tulajdonságait, mert rendezetlen szerkezetükben kettős koordinációjú szénatomokat tartalmaznak. A digitális elektronikai alkalmazások megvalósításához vezető kutatási irányban a világon először munkáltak meg az általuk korábban kidolgozott atomi pontosságú litográfiás eljárás alkalmazásával kémiai úton leválasztott grafént atomi pontossággal és meghatározott kristálytani irányok szerint. Az így előállított néhány nanométer (a milliméter milliomod része) széles szalagokon kísérletileg mutattak ki, szobahőmérsékleten is megmaradó, újszerű mágneses rendeződést, amit elméleti modell-számításokkal igazoltak. Ezek az eredmények új utakat nyithatnak a spintronika területén. Hullámtörés és visszaverődés a hatszöges grafén rácsba épített szabályos ötszög-hétszög párosokból álló modellszemcsehatáron a Carbon 2014 februári címlapján. (Forrás: P. Vancsó, et al., Carbon 64 (2013) 101; DOI: 10.1016/j.carbon.2013.07.041) Jól megfigyelhető a rendezetlen szemcsehatár vakanciáin (piros körökkel jelölve) létrejövő erőteljes lokalizáció és a szemcsehatár bal oldalán erőteljesen visszaesett transzmisszió. (P. Vancsó et al., Appl. Surf. Sci. 291 (2014) 58; DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.09.127 1
Kémiai úton leválasztott grafénből sajátos tulajdonságokkal rendelkező kristálytani irányok szerint: cikk-cakk (zigzag) és karosszék (armchair) kivágott néhány nanométer széles grafén szalagok. (P. Nemes-Incze et al. Appl. Surf. Sci. 291 (2014) 48; DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.11.012) Cikkek: L. Tapasztó, G. Dobrik, P. Lambin, and L.P. Biró, Nat. Nanotechnol. 3, 397 401 (2008). G. Márk, P. Vancsó, C. Hwang, P. Lambin, and L. Biró, Phys. Rev. B 85, 125443 (2012). P. Nemes-Incze, P. Vancsó, Z. Osváth, G.I. Márk, X. Jin, Y. Kim, C. Hwang, P. Lambin, C. Chapelier, and L.P. Biró, Carbon N. Y. 64, 178 186 (2013). P. Vancsó, G.I. Márk, P. Lambin, A. Mayer, Y.-S. Kim, C. Hwang, and L.P. Biro, Carbon N. Y. 64, 101 110 (2013). P. Vancsó, G.I. Márk, P. Lambin, A. Mayer, C. Hwang, and L.P. Biró, Appl. Surf. Sci. 291, 58 63 (2014). P. Nemes-Incze, L. Tapasztó, G.Z. Magda, Z. Osváth, G. Dobrik, X. Jin, C. Hwang, and L.P. Biró, Appl. Surf. Sci. 291, 48 52 (2014). L. Tapasztó, G. Magda, X. Jin, I. Hagymási, P. Vancsó, Z. Osváth, P. Nemes-Incze, Ch. Hwang, L. P. Biró, Room temperature magnetic order on zigzag edges of narrow graphene nanoribbons. under review in Nature Grafén szuperrács A grafén, az első kétdimenziós anyag, egyszerre egy tökéletes kristály és egy hajlékony, atomi vékonyságú membrán. Ezt az egyedi tulajdonságkombinációt kihasználták ki arra, hogy a grafén elektromos tulajdonságait a síkra merőleges periodikus deformációkkal hangolják. Az elektromos tulajdonságok akkor változnak számottevően, ha a deformációk hullámhossza a nanométeres tartományba esik. A TTK MFA Nanoszerkezetek kutatócsoportjában, a világon először hoztak létre ilyen nanométeres periódusú hullámokat grafén membránban. Ezzel, egyrészt bebizonyították, hogy a nanométeres grafén hullámok valóban számottevően módosítják a grafén elektromos tulajdonágait, segítségükkel egy úgynevezett elektromos szuperrács hozható létre, amely számos alkalmazás alapját képezheti. Másrészt, a rugalmas membránok mechanikájának egy új tartományába sikerült betekintést nyernünk, ahol a 2
deformáció hullámhossza összemérhető az atomi rácsállandóval és a klasszikus mechanika szabályai érvényüket vesztik. A kísérleti eredményeink megértésére, egy új kvantummechanikai alapokon nyugvó nanomechanikai elméletet dolgoztak ki, amely az atomi membránok nanoskálájú mechanikai viselkedésének az alapjait fekteti le. Az eredmények, magyar kutatók vezetésével, a Koreai-Magyar Nanotechnológiai Laboratórium keretében, valamint amerikai kutatócsoporttal történő együttműködés révén születtek. Grafén nanohullámok pásztázó alagútmikroszkópos leképezése (bal), atomi szintű szerkezeti modellje (közép), illetve a hullámok által indukált elektromos szuperrács képe (jobb). Publikáció: Tapasztó L, Dumitrică T, Kim SJ, Nemes-Incze P, Hwang C, Biró LP: Breakdown of continuum mechanics for nanometre-wavelength rippling of graphene. Nature Physics, 8(10): 1739-742 (2012) Színváltoztatás festék nélkül A lepkék szárnyain rendkívül változatos színekkel találkozhatunk. Ezek kémiai és fizikai eredetűek, festékanyagok illetve egy különleges nanokompozit, a fotonikus kristálynak nevezett szerkezet összjátékából származnak. A nanoarchitektúra jellemző méreteit, vagy az azt alkotó anyagok törésmutatóit megváltoztatva a visszavert hullámhossztartomány is változik, így más-más színt látunk. A lepkék szárnyán 50-100 mikrométer (a milliméter ezred része) méretű pikkelyek vannak, ezek adják a színt. A pikkelyek szerkezeti színe tisztán a fotonikus nanoarchitektúra jellemzőitől függ. Ha kicseréljük a szerkezetben lévő levegőt valamilyen más gőzre vagy gázra (tehát megváltoztatjuk a törésmutatót), színváltozást tapasztalunk. A szín megváltozásának mértéke függ a szerkezetbe juttatott gőz koncentrációjától és anyagi minőségétől, illetve fontos tény, hogy a változás teljesen reverzibilis, azaz a kezdeti állapotok visszaállításával az eredeti színt kapjuk vissza. Így a különböző gázokra / gőzökre adott eltérő spektrális válasz alapján következtetni lehet ennek fajtájára és koncentrációjára. Jelenlegi kutatásunk ezt a jelenséget igyekszik részleteiben megismerni az optikai kiolvasású, szobalevegőben működő szelektív kémiai szenzorok kifejlesztése érdekében A lepkék szárnypikkelyeinek vastagsága a mikrométer tartományába esik, mégis képes élénk színeket létrehozni, ebből adódik a lapos kijelzők, festék nélküli festékek készítésének ötlete. A mikro- és nano-szerkezetből adódó vízlepergető hatással együtt ez különösen érdekes alkalmazások felé nyithatja meg az utat. Az eltérő fotonikus szerkezetek különböző 3
válaszjeleket adnak a különböző gőzökre és azok változó koncentrációjára, így megfelelő adatfeldolgozással közelebb jutunk az intelligens érzékelőkhöz. Cikkek: L.P. Biró and J.P. Vigneron Photonic nanoarchitectures in butterflies and beetles: valuable sources for bioinspiration Laser Photon. Rev. 5 (2011) 27 51. Bálint Zs., Kertész K., Piszter G., Vértesy Z., Biró L. P. The well-tuned Blues: the role of structural colours as optical signals in species recognition of a local butterfly fauna (Lepidoptera: Lycaenidae: Polyommatinae) Journal of the Royal Society Interface 9, (2012) 1745-1756 Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P. Color change of Blue butterfly wing scales in an air - Vapor ambient Applied Surface Science 281 (2013) 49-53. Kertész K., Piszter G. Színes lepkeszárnyak nanoszerkezettől az alkalmazásig Élet és tudomány 2013/16. 499-501. Piszter Gábor, Kertész Krisztián, Vértesy Zofia, Jakab Emma, Biró László Péter Lepkeszárnyakon található fotonikus nanoarchitektúrák gázérzékelési tulajdonságai Fizikai szemle 2014/4, 120-125 Élénk kék szerkezeti szín Polyommatus icarus (Ikarusz boglárka) lepkén (bal oldal). A fonák oldalon festékanyagok színezik a szárnyat (jobb oldal). 4
Pásztázó elektronmikroszkópos kép egyedi pikkelyről (bal oldal) és a hosszanti gerincek között látható fotonikus nanoszerkezetről (jobb oldal) Vízcseppek Morpho aega lepke szárnyán. A pikkelyek mikro- és nano-szerkezete vízlepergetővé teszi a felületet. Biogén csontpótló anyag tojáshéjból A leggyakrabban alkalmazott bioaktív implantátum a szintetikus hidroxiapatit (HAp). A biogén alapanyagból létrehozott természetes alapú, nanoszerkezetű hidroxiapatit tulajdonságai kedvezőbbek a korábban alkalmazott szintetikus anyagokénál. A nanoszerkezetű biogén anyag előállítására a kidobásra ítélt tojáshéjból új technológiát fejlesztettek, ami olcsóbb, környezetkímélőbb, mint a hagyományos szintetikus csontpótló anyagok előállítása. A por, szálak és 3D polimer/hap fomájú csontpótlást főleg arc- és szájsebészeti korrekciós műtéteknél lehet alkalmazni. A bioaktív HAp alkalmas protézisek bevonására is. A természetes eredetű HAp-ban a magnézium és stroncium nyomelem tartalom elősegíti az osteoporosis (csontritkulás) megelőzését. A szinterelt graftok felhasználását partnereikkel in vitro és in vivo vizsgálatokban demonstrálták. 5