Geleceğin teknolojileri için umut vadeden birçok malzeme, yalnızca bir atom kalınlığında olan ve altıgen bir kafeste düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan grafen gibi 2 boyutlu yapılarla şekilleniyor. Olağanüstü dayanıklılığı ve iletkenliğiyle dikkat çeken bu yapıların çok sayıda benzeri bulunsa da, bu atom inceliğindeki katmanları gerçekten yeni bir malzeme haline getirmek uzun süredir büyük bir zorluk olarak görülüyor. Çoğu girişim, bu tabakaları yalnızca üst üste dizerek yığarken, aralarında yeterli etkileşim sağlanamıyor.
GERÇEK 2D HİBRİT GELİŞTİRİLDİ
Rice Üniversitesi malzeme bilimcilerinin liderliğindeki uluslararası bir ekip, Advanced Materials dergisinde yayımlanan bir araştırmada, bu sınırlamayı aşmayı başardı. Araştırmacılar, temelde farklı iki 2 boyutlu malzemeyi -grafen ve silika cam- kimyasal olarak entegre ederek “glafen” adını verdikleri tek ve kararlı bir bileşik oluşturdu. Bu gelişme, gerçek bir 2D hibrit malzemenin ilk örneklerinden biri olarak değerlendiriliyor.
Rice Üniversitesi’nde doktora öğrencisi olan ve çalışmanın yazarlarından Sathvik Iyengar, geliştirilen bu yeni malzemede katmanların sadece üst üste durmadığını, elektronların bu katmanlar arasında hareket ettiğini ve daha önce hiçbir malzemenin sahip olmadığı yeni etkileşimler ile titreşim durumlarının ortaya çıktığını ifade etti. Bu özelliklerin, malzemenin hem elektronik hem de yapısal performansını önemli ölçüde değiştirdiği belirtildi.
TASARIMCI MALZEMELERİN ÖNÜ AÇILIYOR
Araştırma ekibi, söz konusu yöntemin yalnızca grafen ve silika ile sınırlı olmadığını, farklı 2 boyutlu malzemelere de uygulanabileceğini vurguladı. Iyengar, bu tekniğin yalıtkanlarla metallerin veya yarı iletkenlerle mıknatısların kimyasal olarak birleştirilmesine olanak tanıyarak sıfırdan özel yapım malzemeler üretmenin kapısını açtığını ifade etti. Bu da yeni nesil elektronik, fotonik ve kuantum aygıtları için tasarımcı hibrit malzemelerin geliştirilmesini mümkün kılıyor.
Ekip, glafen üretmek için silikon ve karbon içeren sıvı bir kimyasal öncü kullandı. İki aşamalı ve tek reaksiyonlu bir yöntemle ilerleyen araştırmacılar, ısıtma sırasında oksijen seviyelerini ayarlayarak önce grafen, ardından silika tabakasını sentezledi. Bu sentez süreci, Hindistan’daki Banaras Hindu Üniversitesi’nden misafir profesör Anchal Srivastava ile birlikte özel olarak tasarlanan yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında çalışan bir sistem kullanılarak gerçekleştirildi.
ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ YENİDEN TANIMLANIYOR
Elde edilen malzemenin yeni ve benzersiz özelliklere sahip olduğu, Raman spektroskopisi adı verilen bir yöntemle yapılan analizlerle doğrulandı. Sussex Üniversitesi’nden araştırmacılarla birlikte çalışan ekip, grafen veya silika ile uyuşmayan anormal titreşim sinyalleri gözlemledi. Bu durum, glafenin katmanları arasında sıradan van der Waals bağlarından öteye geçen güçlü bir etkileşim olduğunu gösterdi. Katmanlar, yalnızca zayıf fiziksel kuvvetlerle değil, kimyasal bağlarla da birbirine kenetlenerek elektronların serbestçe hareket etmesine olanak tanıyor.
Daha sonra, Brezilya’daki spektroskopi uzmanı Marcos Pimenta’dan alınan görüşler doğrultusunda bazı anomalilerin ölçüm hatasından kaynaklandığı ortaya konuldu. Bu durum, bilimsel verilerin dikkatle değerlendirilmesi gerektiğini bir kez daha hatırlattı.
YENİ YARI İLETKEN FORMASYONU
Glafenin yapısını ve davranışını daha iyi anlamak amacıyla, araştırma ekibi Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden Vincent Meunier ile birlikte kuantum simülasyonları gerçekleştirdi. Bu çalışmalar, grafen ve silika katmanlarının birbirleriyle kimyasal olarak bağlandığını ve arayüz boyunca elektronları paylaştığını doğruladı. Bu hibrit bağlanma sayesinde, bir metal ve bir yalıtkan özellikli yapı, yeni bir yarı iletken türüne dönüşerek eşsiz elektronik davranışlar sergilemeye başladı.
YENİ MALZEME SINIFLARI YOLDA
Glafenin sentezi, yalnızca bilimsel bir başarı olmanın ötesinde, gelecekte birçok farklı sektör için özel olarak tasarlanmış, yüksek performanslı yeni malzeme sınıflarının da önünü açabilir. Araştırma, 2 boyutlu malzemelerin potansiyelinin, onları atom düzeyinde birbirine kimyasal olarak bağlayarak çok daha ileri taşınabileceğini gösteriyor. Geliştirilen bu platform sayesinde, elektronik, enerji, haberleşme ve kuantum teknolojileri gibi pek çok alanda devrim yaratacak malzemelerin üretimi mümkün hale gelebilir.
