Grafen – framtidens material

Elektroniken är den stora drömmen – och den stora besvikelsen. Grafen leder ström fantastiskt bra men saknar ett bandgap, det energigap som gör att transistorer kan stängas av. En grafentransistor kan vara extremt snabb men går aldrig riktigt att släcka, vilket gör den olämplig som ersättare för kisel i processorer. Forskare försöker öppna ett bandgap genom att skära grafen i nanometer smala band eller stapla det med bor nitrid, men ännu utan kommersiellt genombrott. Däremot hittar grafen in i optoelektronik: ljusdetektorer och modulatorer för datakommunikation där grafens breda ljusabsorption är en tillgång snarare än ett problem.

Vattenrening är ett annat område på frammarsch. Genom att tillverka grafenoxidmembran med exakt styrda kanaler kan man släppa igenom vattenmolekyler men stoppa saltjoner – ett tekniskt försök att göra avsaltingsmembran dramatiskt energieffektivare.

Att dra grafen ur en blyertspenna med tejp – så kallad mekanisk exfoliering – ger de renaste och mest felfria grafenflingor som finns. De är också mikrometerstora och omöjliga att tillverka i skala. Forskningen behövde andra vägar.

Den mest lovande metoden för elektronik är kemisk ångdeposition, CVD. En kopparfolie placeras i en ugn vid ungefär 1 000 grader och metan gas strömmar in. Vid ytan spjälkas metanmolekylerna och kolatomerna ordnar sig själva till ett kontinuerligt grafenlager över hela folien. Kopparen etsas sedan bort och grafenet överförs till ett substrat. Metoden producerar i dag rull-till-rull-tillverkad grafenfilm i meterskala, med Samsung-forskare i Suwon som tidiga pionjärer. Kvaliteten är dock sämre än de perfekta tejpflingorna – filmen består av många små kristalliner med korngrenser som försämrar ledningsförmågan.

För massapplikationer dominerar flytandefas-exfoliering: grafit blandas i lösning och utsätts för ultraljud tills lagren skalas isär. Resultatet är en dispersions av grafenflagor, några lager tjocka, som kan framställas i tonnage. Det är detta material som hamnar i tennisracketar, färger och batterielektroder – billigt men orent, långt från elektronikgrafens perfektion.

Gränserna för dagens metoder är tydliga: CVD ger stor men defekt film, exfoliering ger billig men liten och oren produkt. Nästa generations produktion försöker knäcka båda problemen.

En väg är att odla grafen direkt på isolerande underlag – germanium, kiselkarbid eller speciella glasytor – och därigenom slippa den känsliga överföringssteget där grafenfilm idag veckas, går sönder och förorenas. Forskare vid Linköpings universitet har banat väg för att odla grafen på kiselkarbid i industrikompatibla processer, vilket redan används kommersiellt i högfrekvenstransistorer och magnetiska sensorer.

En annan väg är plasmanssisterad CVD vid lägre temperatur, som skulle göra det möjligt att odla grafen direkt på känsliga elektronikwafer. En tredje är biologisk: forskare experimenterar med att använda enzymer och bakterier för att montera kolkällor till grafen vid rumstemperatur – än så länge kuriosa, men med potential att sänka energikostnaden drastiskt.

Den stora satsningen på skalbarhet är Europeiska unionens Grafenflaggskepp, Graphene Flagship, ett av historiens största forskningsprojekt med en miljard euro i budget över tio år från 2013. Programmet samlar över 170 akademiska och industriella partners, med Chalmers i Göteborg som samordnare, och har resulterat i hundratals patent och en rad grafenföretag. Målet är att flytta grafen från laboratoriets mikrovåg till fabrikens produktionslinje – samma resa som kisel gjorde på femtiotalet.

Två decennier efter tejpexperimentet är läget ärligt: grafen har inte revolutionerat elektroniken som de tidiga rubrikerna lovade, men det har blivit en stilla industri. Varje år tillverkas hundratals ton grafenmaterial, priset per gram har rasat med flera tiopotenser, och materialkatalogerna listar hundratals grafenprodukter. Framtidens material visade sig inte vara ett enda mirakelmateria, utan en hel familj – grafen, grafenoxid, bor nitrid, kiselkarbidgrafen – vars mest fantastiska egenskap kanske är att den fick oss att börja tänka på material som något man bygger atom för atom.