Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vyznačuje se vysokou vodivostí a současně má vlastnosti izolantu. Nově objevený materiál by mohl v budoucnu nahradit nyní běžně užívané polovodiče, jako je křemík či germanium, a otevřít dveře do světa tzv. uhlíkové elektroniky. Existenci další modifikace uhlíku se podařilo prokázat týmu výzkumníků z Fakulty elektrotechnické ČVUT, Technické univerzity v Berlíně, výzkumného centra Helmholtz-Zentrum Berlin a společnosti Element Six GmbH.
Již mnoho dekád se spekulovalo o existenci čtvrté základní alotropické modifikace uhlíku, která by se od prvních třech modifikací (diamant, grafit a karbyn) lišila strukturní formou. Doposud byl sice vědci tento materiál pozorován, nepodařilo se však objasnit jeho neobvyklou krystalickou mřížku ani ho stabilizovat jako samostatnou formu uhlíku. To se nyní ale povedlo skupině vědců, mezi nimiž jsou i doc. Antonio Cammarata, Dr. Andrey Bondarev a prof. Tomáš Polcar z katedry řídicí techniky Fakulty elektrotechnické ČVUT. Výsledky jejich výzkumu shrnuje publikace, která vyšla v červenci 2024 v časopise Communications Materials v prestižním vědeckém vydavatelství Nature.
Mimořádná kombinace vysoké elektrické vodivosti a izolačních schopností
Fcc-uhlík, jak je materiál na základě své plošně centrované krychlové krystalické mřížky pojmenován (anglicky face-centered cubic crystal lattice), se vyznačuje neobvyklou hybridizací valenčních orbitalů, která způsobuje mimořádnou kombinaci vysoké elektrické vodivosti a ultraširokého zakázaného pásu, který je však typický zejména pro izolanty. Zakázaný pás je prázdná vrstva v elektronovém obalu atomu, který se nachází mezi valenčním a vodivostním pásem. Pro vedení elektrického proudu musí elektrony tento zakázaný pás překonat, proto čím širší je, tím lépe by měl prvek izolovat.
Zakázaným pásem však disponují také polovodiče, měl by být ale poněkud užší než u izolantů. Tento nový materiál by měl být právě i díky svému ultraširokému zakázanému pásu schopen pracovat při vysokých teplotách, frekvencích či napětích, což činí standardním polovodičům na bázi křemíku obtíže. Zároveň si ale fcc-uhlík udržuje vodivost srovnatelnou s těmito běžně používanými polovodiči. Na tomto materiálu je také pozoruhodné, že se pro své vlastnosti nemusí dopovat. Do některých materiálů se totiž běžně přidávají další složky, aby došlo ke zlepšení jejich polovodivých vlastností. Fcc-uhlík je tak prvním vlastním polovodičem s ultraširokým zakázaným pásem.
Průmysl má zájem. První zařízení by se mohla dostat na trh za 10 let
V budoucnu by tak tento materiál mohl najít využití ve vysokovýkonové, vysokofrekvenční či vysokoteplotní elektronice. Díky svým vlastnostem by se mohl také potenciálně použít v radiofrekvenční elektronice, optoelektronice využívající hluboké ultrafialové záření, průhledné elektronice nebo kvantových přístrojích. Od tohoto objevu je však k praktickému využití a uhlíkové elektronice, která by měla místo konvenčních polovodičů fungovat na polovodičích z uhlíku, ještě daleko. Vzhledem k rozmachu umělé inteligence v oboru materiálových věd lze očekávat, že na trh by se tato zařízení mohla potenciálně dostat přibližně za 10 let.
Časová náročnost však vědce od dalšího výzkumu neodradí. Plánují v něm pokračovat a založit konsorcium, které by se tomuto materiálu věnovalo na evropské úrovni. Zapojit by se měly jak univerzity, tak průmysloví partneři. “Jsem přesvědčen, že toto je pouze aperitiv před opravdu skvělou hostinou,” říká doc. Antonio Cammarata z katedry řídicí techniky, jenž se na výzkumu významně podílel. Již nyní má totiž nabídky spolupráce z průmyslu, což jen dokazuje velký potenciál této alotropické modifikace uhlíku.
Celý výzkum započal už v říjnu 2020, ale kvůli pandemii se muselo několik experimentů odložit. Pokusy probíhaly na čtyřech různých pracovištích: na Fakultě elektrotechnické ČVUT (rentgenová fotoelektronová spektroskopie, elektronová mikroskopie aj.), na Technické univerzitě v Berlíně (Ramanova spektroskopie, infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací aj.), ve výzkumném centru Helmholtz-Zentrum Berlin (spektroskopie výtěžku fotoelektronů) a ve společnosti Element Six GmbH (elektronová skenovací spektroskopie s vysokým rozlišením).
Motivací k výzkumu vědcům byla záhada, kterou přinesla experimentální data společnosti Element Six GmbH, a sice jak může uhlík zformovat materiál s vysokým koordinačním číslem, velmi širokým zakázaným pásem a přitom být stále vodivý? Vyřešení této otázky tak pro vědce bylo výzvou, jelikož se dle doc. Cammaraty museli naučit pracovat s novými simulačními technikami i teoriemi a počítat i s neobvyklými fyzikálními jevy, které se u uhlíku nepředpokládají. “Podobné výzvy mě vždy nadchnou. Neznámá zákoutí fyziky mne odjakživa fascinovala jako jednoduché věci fascinují dítě, které dělá své první krůčky,” popisuje výzkumník svůj zápal pro výzkum.
Příležitost pro studenty, kteří se chtějí zapojit do výzkumu materiálových věd
Svůj entuziasmus pro materiálové vědy doc. Cammarata rád sdílí i se studenty naší fakulty, kde vyučuje několik předmětů na toto téma. Pro bakalářské a magisterské studenty vypisuje předmět Prvky atomistických simulací (Elements of Atomistic Simulations), kde studenty učí základům klasické a kvantové mechaniky pro navrhování in-silico experimentů v oblasti materiálových věd. Doktorandi si pak mohou zapsat pokročilejší předmět s názvem Výpočetní metody pro materiálové vědy (Computational Methods for Materials Science), kde si mohou své znalosti v této oblasti rozšířit.
Tyto kurzy jsou dobrým startem pro studenty, kteří mají zájem se do výzkumu materiálů zapojit. Své o tom ví i doktorand na katedře řídicí techniky, Ing. Matúš Kaintz, který v rámci svého magisterského studia programu Kybernetika a robotika absolvoval druhý výše zmíněný předmět pro doktorandy, jelikož předmět pro bakalářské a magisterské studenty v té době ještě neexistoval. Poprvé se sice Ing. Matúš Kaintz s materiálovými vědami a kvantovou mechanikou setkal již při psaní své bakalářské práce právě pod vedením doc. Cammaraty, tento kurz však výrazně prohloubil jeho teoretické znalosti výpočetních metod a ukázal mu nové výzkumné techniky. “Věřím, že pro mnoho studentů, i těch, kteří o kariéře v materiálových vědách původně ani neuvažovali, mohou být předměty vedené doc. Cammaratou velmi užitečné a zásadní pro jejich budoucnost, přesně jako to bylo u mne,” vzpomíná Ing. Kaintz, který nyní na FEL ČVUT pokračuje v doktorském studiu. Ve svém výzkumu se zaměřuje na jinou alotropickou modifikaci uhlíku, a to diamant, který má také potenciální využití v oblasti elektroniky a optoelektroniky.
